CN116699520A - 超短基线定位方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供的超短基线定位方法、装置、电子设备及存储介质,包括,接收携带有待定位信标的信标标识的定位指令,在预设时间段内触发USBL基阵向信标标识对应的待定位信标发送定位信号,接收待定位信标发送的针对定位信号的回传信号,在主控模块检测出状态信息为动态状态信息,基于GPS模块定位出的定位信息和USBL基阵根据回传信号携带的回传信息确定出的相对位置信息进一步确定待定位信标的USBL定位结果。由于本申请超短基线定位方法所适用的浮标中无需部署姿态传感器,仅利用主控模块、GPS模块和USBL基阵便能对待定位信标进行精准水中定位,大大节省了定位成本,有利于大面积地作为定位节点进行布放。
Description
技术领域
本发明实施例涉及水下定位技术领域,尤其涉及一种超短基线定位方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
近年来,随着陆地能源的匮乏以及各国对海洋领域的大力发展,水下传感器节点获得了越来越多的关注。作为代替人类,实现深远海探测的水下传感器节点携带着摄像机、声呐、温盐深传感器、海流计等,开展着越来越多,且越来越复杂的海洋探测任务。
水下物联网(IoUT,Internet of Underwater Things)通过有线/无线的方式为水下节点与水面节点的交互提供了强有力的通信支持和全局定位支持,提高了采集数据的有效性。和陆地不同,水下通过声学进行定位,定位距离一般在几公里以内,因此在IoUT中,要实现为所有任务节点提供定位服务,需要部署大量的可提供定位服务的定位节点。
IoUT中常见的定位节点为浮标基超短基线(USBL,Ultra-Short Baseline),虽然USBL可以适用于IoUT,但是其定位精度和其携带的姿态传感器精度直接相关,高精度的姿态传感器占USBL总成本的50%以上,不利于大面积地作为定位节点进行布放。
发明内容
鉴于此,本发明实施例提供一种超短基线定位方法、装置、电子设备及存储介质,该超短基线定位方法所适用的浮标中无需部署姿态传感器,便能精确实现水中定位,大大节省了定位成本,有利于大面积地作为定位节点进行布放。
第一方面,本发明实施例提供一种超短基线定位方法,其中,该方法适用于浮标,浮标包括主控模块、GPS模块和USBL基阵;该方法包括:
接收针对待定位信标的定位指令,定位指令中携带有待定位信标的信标标识;
在预设时间段内触发USBL基阵向信标标识对应的待定位信标发送定位信号,接收待定位信标发送的针对定位信号的回传信号,并将回传信号携带的待定位信标的状态信息,以及待定位信标接收定位信号的接收时间发送至主控模块,回传信号还携带有回传信息;
获取GPS模块发送的定位信息;其中,GPS模块在接收时间对浮标进行定位得到定位信息;
如果检测出状态信息为动态状态信息,触发USBL基阵基于回传信息确定待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息,并将相对位置信息发送至主控模块;
基于定位信息和相对位置信息确定待定位信标的USBL定位结果。
在一个可能的实施方式中,浮标存储有定位信息库,定位信息库包括GPS模块在不同定位时间定位出的特定定位信息;
GPS模块在接收时间对浮标进行定位得到定位信息,包括:
从定位信息库中查找与接收时间匹配的定位时间;
将定位时间对应的特定定位信息确定为定位信息。
在一个可能的实施方式中,该方法还包括:
如果检测出状态信息为静态状态信息,触发USBL基阵基于回传信息确定有效声速,并将有效声速和回传信息中包括的传播时延发送至主控模块;其中,传播时延为待定位信标发送回传信息到USBL基阵的时长;
基于定位信息、有效声速和传播时延确定待定位信标的LBL定位结果。
在一个可能的实施方式中,基于回传信息确定待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息,包括:
从回传信息中提取传播时延、深度信息,以及待定位信标所在水域的温度信息和盐度信息;其中,传播时延为待定位信标发送回传信息到USBL基阵的时长;
基于传播时延、深度信息、温度信息和盐度信息确定水声水平传播距离;其中,水声水平传播距离为USBL基阵与待定位信标的水平距离;
从有效声速表中查询与水声水平传播距离和深度信息匹配的有效声速;其中,有效声速表中存储有水声水平传播距离、深度信息与有效声速的对应关系;
基于传播时延和有效声速确定待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息。
在一个可能的实施方式中,基于定位信息和相对位置信息确定待定位信标的USBL定位结果,包括:
从定位信息中提取浮标在大地坐标系下的地理定位信息和艏向角;
基于相对位置信息、地理定位信息和艏向角确定待定位信标的USBL定位结果。
在一个可能的实施方式中,通过下式确定待定位信标的相对位置信息:
其中,表示相对位置信息,R表示待定位信标与USBL基阵之间的斜距,c表示有效声速,T表示传播时延,Δt1、Δt2表示USBL基阵中不同基元间收到回传信号的时间差,d表示USBL基阵中基元之间的基线长度,/>表示水声的声线与USBL基阵坐标系x轴的夹角,/>表示水声的声线与USBL基阵坐标系y轴的夹角。
在一个可能的实施方式中,通过下式确定待定位信标的USBL定位结果:
其中,表示USBL定位结果,/>表示相对位置信息,/>表示浮标的地理定位信息,/>表示从浮标的浮标坐标系转换到大地坐标系的欧拉旋转矩阵,A表示艏向角,/>表示USBL基阵坐标系与浮标坐标系之间的欧拉旋转矩阵,其中α表示在z轴方向上USBL基阵与浮标之间的安装角度误差,/>为USBL基阵坐标系与浮标坐标系在三个方向的安装位移误差。
在一个可能的实施方式中,基于回传信息确定有效声速,包括:
从回传信息中提取传播时延、深度信息,以及待定位信标所在水域的温度信息和盐度信息;其中,传播时延为待定位信标发送回传信息到USBL基阵的时长;
基于传播时延、深度信息、温度信息和盐度信息确定水声水平传播距离;其中,水声水平传播距离为USBL基阵与待定位信标的水平距离;
从有效声速表中查询与水声水平传播距离和深度信息匹配的有效声速;其中,有效声速表中存储有水声水平传播距离、深度信息与有效声速的对应关系。
在一个可能的实施方式中,定位信息包括浮标在大地坐标系下的地理定位信息;
通过下式确定待定位信标的LBL定位结果:
其中,c表示有效声速,T表示传播时延,[xB,yB,zB]表示浮标的地理定位信息,[xG,yG,zG]表示待定位信标的LBL定位结果,V表示观测残差。
第二方面,本发明实施例提供一种超短基线定位装置,其中,该装置适用于浮标,浮标包括主控模块、GPS模块和USBL基阵;该装置包括:
接收模块,用于接收针对待定位信标的定位指令,定位指令中携带有待定位信标的信标标识;
第一触发模块,用于在预设时间段内触发USBL基阵向信标标识对应的待定位信标发送定位信号,接收待定位信标发送的针对定位信号的回传信号,并将回传信号携带的待定位信标的状态信息,以及待定位信标接收定位信号的接收时间发送至主控模块,回传信号还携带有回传信息;
获取模块,用于获取GPS模块发送的定位信息;其中,GPS模块在接收时间对浮标进行定位得到定位信息;
第二触发模块,用于如果检测出状态信息为动态状态信息,触发USBL基阵基于回传信息确定待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息,并将相对位置信息发送至主控模块;
确定模块,用于基于定位信息和相对位置信息确定待定位信标的USBL定位结果。
第三方面,本发明实施例提供一种基超短基线系统,其中,所述系统包括:浮标及与浮标处于同一水域且水声通信的待定位信标,其中,浮标包括主控模块,还包括与主控模块连接的GPS模块和USBL基阵,浮标用于执行上述的超短基线定位方法。
第四方面,本发明实施例提供一种电子设备,其中,包括:处理器、存储器和总线,存储器存储有处理器可执行的机器可读指令,当电子设备运行时,处理器与存储器之间通过总线通信,机器可读指令被处理器执行时执行如上述的超短基线定位方法的步骤。
第五方面,本发明实施例提供一种存储介质,其中,该存储介质上存储有计算机程序,该计算机程序被处理器运行时执行如上述的超短基线定位方法的步骤。
本发明实施例提供的超短基线定位方法、装置、电子设备及存储介质,该方法包括,接收针对待定位信标的定位指令,定位指令中携带有待定位信标的信标标识;在预设时间段内触发USBL基阵向信标标识对应的待定位信标发送定位信号,接收待定位信标发送的针对定位信号的回传信号,并将回传信号携带的待定位信标的状态信息,以及待定位信标接收定位信号的接收时间发送至主控模块,回传信号还携带有回传信息;获取GPS模块发送的定位信息;如果检测出状态信息为动态状态信息,触发USBL基阵基于回传信息确定待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息,并将相对位置信息发送至主控模块;基于定位信息和相对位置信息确定待定位信标的USBL定位结果。由于本申请超短基线定位方法所适用的浮标中无需部署姿态传感器,仅利用主控模块、GPS模块和USBL基阵便能对待定位信标进行精准水中定位,大大节省了定位成本,有利于大面积地作为定位节点进行布放。
附图说明
图1为本发明实施例提供浮标的组装结构示意图;
图2为本发明实施例提供万向节联轴器的局部放大图;
图3为本发明实施例提供超短基线定位方法的实施例流程图;
图4为本发明实施例提供另一超短基线定位方法的实施例流程图;
图5为本发明实施例提供浮标的模块结构示意图;
图6为本发明实施例提供超短基线定位装置的实施例框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
为便于对本发明实施例的理解,下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明,实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明实施例提供一种超短基线定位方法,该方法适用于浮标,浮标包括主控模块、GPS(Global Positioning System,全球定位系统)模块和USBL(Ultra ShortBaseline,水下超短基线跟踪定位系统)基阵,其中,GPS模块和USBL基阵均与主控模块通讯连接,为了便于对浮标进行了解,图1示出了一种浮标的组装结构示意图,如图1所示,上述主控模块(图1中未示出)置于主控箱100之内,GPS模块(图1中未示出)包括GPS天线101,因此,浮标除了包括主控模块,以及与主控模块连接的GPS模块和USBL基阵102(主控模块与GPS模块和USBL基阵的连接线未在图1中进行示出)之外,浮标还包括太阳能电池板103、浮标体104、安装底座105、万向节联轴器106和配重块107,其中,主控模块、GPS模块和USBL基阵102均与太阳能电池板103电连接(图2中未示出),主控箱100、GPS天线101和太阳能电池板103部署在浮标体104上,浮标体104安装在安装底座105上,安装底座105通过万向节联轴器106与USBL基阵102连接,配重块107部署在USBL基阵102上方。
具体地,太阳能电池板将太阳辐射能转换为电能,并将电能储存至电池中,以为整个浮标提供稳定可靠的电源保障。
浮标体的材质为聚乙烯工程塑料,为浮标提供正浮力,且浮标体设计为圆盘形结构,在避免碰撞造成的损害外,为系统提供了平稳的载体平台,抗倾覆能力较强。
通常,安装底座其中间开有小孔,用于实现USBL基阵的线缆与主控模块的连接。
万向节联轴器:在机械传动系统中起到了连接、传递扭矩、减小轴向不一致、缓解振动和冲击、保护传动部件等作用。由于海浪以及退潮和涨潮的影响,在海上作业时,轻量级的浮标基超短基线系统的晃动频率较高,当系统安装低精度姿态传感器时,无法对晃动造成的精度损失进行补偿的,因此采用万向联轴器在满足艏向角平稳传递的过程中,避免了系统的俯仰角和横滚角对水声定位造成影响,为了便于展示万向节联轴器,图2示出了万向节联轴器的局部放大图。
配重块的主要作用为通过和水流引起的冲击力抵消,以保证USBL基阵处于垂直向下的状态,所以,配重块的重量要重,通常为铁包铅。
参见图3,为本发明实施例提供的一种超短基线定位方法的实施例流程图。图3所示流程可包括以下步骤:
步骤301,接收针对待定位信标的定位指令,定位指令中携带有待定位信标的信标标识;
信标标识为待定位信标的唯一标识信息,通常,可用字母、数字、符号或其组合进行表示,在此不进行限定。
上述超短基线定位方法是通过安装在主控箱内的主控模块实现的,主控模块可以是ARM(Advanced RISC Machines,精简指令集(RISC)处理器架构)主控模块或单片机主控模块等控制器,实际使用时,主控箱中还安装与主控模块连接的通讯模块,该通讯模块与外部指控中心进行通讯,以接收外部指控中心下发的针对待定位信标的定位指令,然后,通讯模块将该定位指令转发给主控模块。
如果外部指控中心是用4G信号发送定位指令的,则通讯模块为能够接收4G信号的4G模块,若外部指控中心是用5G信号发送定位指令的,则通讯模块为能够接收5G信号的5G模块,通信模块的类型是由外部指控中心发送的定位指令的信号类型确定的,在此不进行限定。
步骤302,在预设时间段内触发USBL基阵向信标标识对应的待定位信标发送定位信号,接收待定位信标发送的针对定位信号的回传信号,并将回传信号携带的待定位信标的状态信息,以及待定位信标接收定位信号的接收时间发送至主控模块,回传信号还携带有回传信息;
上述定位信号和回传信号均为水声信号,回传信号中携带的状态信息用于说明待定位信标当前在海水中的状态,通常,状态信息分成两种,一种是动态状态信息说明待定位信标当前在水中是运动的,另一种是静态状态信息说明待定位信标当前在水中是静止的,回传信息为与待定位信标相关的信息,后续在进行定位时再具体说明,在此先不进行详述。
步骤303,获取GPS模块发送的定位信息;其中,GPS模块在接收时间对浮标进行定位得到定位信息;如图1所示,GPS模块中包括的GPS天线可以为GNSS(Global NavigationSatellite System,全球卫星导航系统)、GPS或伽利略卫星导航系统,用于对浮标进行实时精准定位,得到定位信息,在实际使用时,浮标将GPS模块在不同定位时间定位获取特定定位信息存入定位信息库中,以便于后续从定位信息库查找在接收时间匹配的定位信息,具体GPS模块在接收时间对浮标进行定位得到定位信息的过程为:从定位信息库中查找与接收时间匹配的定位时间;将定位时间对应的特定定位信息确定为定位信息。
步骤304,如果检测出状态信息为动态状态信息,触发USBL基阵基于回传信息确定待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息,并将相对位置信息发送至主控模块;
步骤305,基于定位信息和相对位置信息确定待定位信标的USBL定位结果。
主控模块在检测出待定位信标的状态信息为动态状态信息时,对待定位信标进行一次定位即确定待定位信标的USBL定位结果,具体实现时,主控模块先触发USBL基阵基于回传信息确定待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息,然后,主控模块再基于在接收时间定位出的定位信息和USBL基阵发送的相对位置信息确定出待定位信标的USBL定位结果。
本发明实施例提供的超短基线定位方法,该方法包括,接收针对待定位信标的定位指令,定位指令中携带有待定位信标的信标标识;在预设时间段内触发USBL基阵向信标标识对应的待定位信标发送定位信号,接收待定位信标发送的针对定位信号的回传信号,并将回传信号携带的待定位信标的状态信息,以及待定位信标接收定位信号的接收时间发送至主控模块,回传信号还携带有回传信息;获取GPS模块发送的定位信息;如果检测出状态信息为动态状态信息,触发USBL基阵基于回传信息确定待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息,并将相对位置信息发送至主控模块;基于定位信息和相对位置信息确定待定位信标的USBL定位结果。由于本申请超短基线定位方法所适用的浮标中无需部署姿态传感器,仅利用主控模块、GPS模块和USBL基阵便能对待定位信标进行精准水中定位,大大节省了定位成本,有利于大面积地作为定位节点进行布放。
作为一种实施方式,上述步骤304可通过子步骤A1至子步骤A4实现:
子步骤A1,从回传信息中提取传播时延、深度信息,以及待定位信标所在水域的温度信息和盐度信息;
其中,深度信息、温度信息和盐度信息均通过待定位信标上的温盐深传感器获取,传播时延为待定位信标发送回传信息到USBL基阵的时长,上述待定位信标处理定位信号包括但不限于解析、定位信号判断等处理;深度信息用于说明待定位信标当前所在水位距离水面的距离;温度信息和盐度信息用于说明待定位信标当前所在水位的海水的温度和盐度。
子步骤A2,基于传播时延、深度信息、温度信息和盐度信息确定水声水平传播距离;其中,水声水平传播距离为USBL基阵与待定位信标的水平距离;
通过传播时延、深度信息、温度信息和盐度信息能够计算出声速曲线,然后再通过声速曲线确定出水声水平传播距离,其中,计算声速曲线和水声水平传播距离的过程为现有计算过程,在此不进行赘述,上述通过传播时延、深度信息、温度信息和盐度信息计算出的声速为真实声速,但不是传播过程中的有效声速。
子步骤A3,从有效声速表中查询与水声水平传播距离和深度信息匹配的有效声速;
其中,有效声速表中存储有水声水平传播距离、深度信息与有效声速的对应关系;通过对有效声速表的描述,表1示出了一种有效声速表的实例,如表1所示:
表1
需要说明的是,表1中仅示出了水声水平传播距离和深度信息与有效声速之间对应关系的示例,具体水声水平传播距离和深度信息与有效声速的对应关系可根据实际测量得到的声速曲线,通过迭代的方式获得,在此不进行限定。
在一种实施方式中,水声定位的精度受声速的影响较大,因此在实际使用过程中,需要采用声线追踪技术利用温盐深传感器对任务海域的声场环境进行建表,构造上述有效声速表,并在使用过程中,通过查表的方式修正声速。
上述基于声线追踪技术构建有效声速表的过程如下:
首先,根据水声声线的水声水平传播距离、待定位信标的深度以及USBL基阵的深度三者之间的关系构建如下的关系式:
其中,x(Z)表示水声水平传播距离,Z表示待定位信标的深度信息,Z0表示USBL基阵的深度信息,c1()表示在待定位信标所在深度的真实声速,n表示Snell定律参数。
其中,Snell定律参数n表示如下:
其中,c1(Z0)表示在USBL基阵所在深度的真实声速,θ(Z0)表示水声的声线与USBL基阵的入射角度,θ(Z)表示水声的声线与待定位信标的入射角度。
假设SSP(Sound Speed Profile,声速剖面)为具有恒定声速梯度的分层介质,因此可以根据分层的精度,划分声线,利用传播时延和温盐深传感器获取的深度信息、温度信息和盐度信息连贯性较差,利用五阶多项式对齐进行拟合以及平滑化,并根据分层情况获得水声水平传播距离、深度与真实声速的对应关系,即上述c1()可用待定位信标上的温盐深传感器获取到的深度信息、温度信息、盐度信息和传播时延计算得到,具体基于深度信息、温度信息、盐度信息和传播时延计算声速为现有技术,在此不进行详述,同理,c1(Z0)可用温盐深传感器获取到的USBL基阵所在水域处的深度信息、温度信息、盐度信息和传播时延计算得到,且,上述θ(Z0)和θ(Z)均为已知量,因此,能够通过公式(2)求解出n,将求解出的n代入公式(1)中求解出x(Z)。
之后,根据有效声速、水声水平传播距离和传播时延三者之间的关系构建如下的关系式:
其中,c表示有效声速,t(Z)表示待定位信标发送回传信息到USBL基阵的传播时延。
利用穷举法,遍历水声声线的入射角度,通过公式(1)和公式(2)得到在不同入射角度下水声水平传播距离、深度与真实声速的对应关系,然后将传播时延以及不同入射角度下得到的水声水平传播距离代入公式(3)中得到不同水声水平传播距离下的有效声速,最后,基于得到的不同有效声速、水声水平传播距离和深度信息构建得到上述有效声速表。
子步骤A4,基于传播时延和有效声速确定待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息。
具体可通过下式确定待定位信标的相对位置信息:
其中,表示相对位置信息,R表示待定位信标与USBL基阵之间的斜距,c表示有效声速,T表示传播时延,Δt1、Δt2表示USBL基阵中不同基元间收到回传信号的时间差,d表示USBL基阵中基元之间的基线长度,/>表示水声的声线与USBL基阵坐标系x轴的夹角,/>表示水声的声线与USBL基阵坐标系y轴的夹角。
作为一种实施方式,上述步骤305可通过子步骤B1至子步骤B4实现:
子步骤B1,从定位信息中提取浮标在大地坐标系下的地理定位信息和艏向角;
地理定位信息和艏向角均通过GPS模块中的GPS天线获取,GPS天线获取地理定位信息和艏向角的过程为现有技术,在此不进行详述。其中,地理定位信息为GPS定位信息。
子步骤B2,基于相对位置信息、地理定位信息和艏向角确定待定位信标的USBL定位结果。
具体可通过下式确定待定位信标的USBL定位结果:
其中,表示USBL定位结果,/>表示相对位置信息,/>表示浮标的地理定位信息,/>表示从浮标的浮标坐标系转换到大地坐标系的欧拉旋转矩阵,A表示艏向角,/>表示USBL基阵坐标系与浮标坐标系之间的欧拉旋转矩阵,其中α表示在z轴方向上USBL基阵与浮标之间的安装角度误差,/>为USBL基阵坐标系与浮标坐标系在三个方向的安装位移误差。
参见图4,为本发明实施例提供的另一种超短基线定位方法的实施例流程图。该图4所示流程在上述图3所示流程的基础上,可包括以下步骤:
步骤401,接收针对待定位信标的定位指令,定位指令中携带有待定位信标的信标标识;
步骤402,在预设时间段内触发USBL基阵向信标标识对应的待定位信标发送定位信号,接收待定位信标发送的针对定位信号的回传信号,并将回传信号携带的待定位信标的状态信息,以及待定位信标接收定位信号的接收时间发送至主控模块,回传信号还携带有回传信息;
步骤403,获取GPS模块发送的定位信息;其中,GPS模块在接收时间对浮标进行定位得到定位信息;
步骤401至步骤403可参见上述步骤301至步骤303,在此不进行详述。
在实际使用过程中,待定位信标处于动态时,可通过步骤404至步骤405确定待定位信号的USBL定位结果,当待定位信标存在着长时间或短时间的静止状态时,可以为其提供定位精度更高的距离交汇定位服务,即通过步骤406至步骤407确定待定位信号的LBL(Long Base Line,长基线)定位结果。
步骤404,如果检测出状态信息为动态状态信息,触发USBL基阵基于回传信息确定待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息,并将相对位置信息发送至主控模块;
上述步骤404的实现过程可参见子步骤A1至子步骤A4,在此不进行赘述。
步骤405,基于定位信息和相对位置信息确定待定位信标的USBL定位结果;
上述步骤405的实现过程可参见子步骤B1至子步骤B2,在此不进行赘述。
步骤406,如果检测出状态信息为静态状态信息,触发USBL基阵基于回传信息确定有效声速,并将有效声速和回传信息中包括的传播时延发送至主控模块;
其中,传播时延为待定位信标发送回传信息到USBL基阵的时长,与子步骤A1至子步骤A4中所介绍的传播时延为同一内容。
本步骤406中确定有效声速的过程为:从回传信息中提取传播时延、深度信息,以及待定位信标所在水域的温度信息和盐度信息;其中,传播时延为待定位信标发送回传信息到USBL基阵的时长;基于传播时延、深度信息、温度信息和盐度信息确定水声水平传播距离;其中,水声水平传播距离为USBL基阵与待定位信标的水平距离,从有效声速表中查询与水声水平传播距离和深度信息匹配的有效声速;其中,有效声速表中存储有水声水平传播距离、深度信息与有效声速的对应关系。
由于该过程与子步骤A1至子步骤A3中确定有效声速的过程相同,在此不进行赘述。
步骤407,基于定位信息、有效声速和传播时延确定待定位信标的LBL定位结果。
上述定位信息包括浮标在大地坐标系下的地理定位信息;具体可通过下式确定待定位信标的LBL定位结果:
其中,c表示有效声速,T表示传播时延,[xB,yB,zB]表示浮标的地理定位信息,[xG,yG,zG]表示待定位信标的LBL定位结果,V表示观测残差。
具体实现时,可基于多个浮标各自对应的有效声速、传播时延和地理定位信息联立方程,解得LBL定位结果。考虑到上述系统无法进行人为干预,因此需要具备自主剔除野点的能力,为上述公式引入M估计方法,以最小化野点对迭代过程和结果的影响,结合Levenberg-Marquardt(列文伯格-马夸尔特法)迭代,获得距离交汇定位结果即LBL定位结果,并通过水声通信的方式,将LBL定位结果传递至待定位信标。
本发明实施例提供的超短基线定位方法,能够根据待定位信标当前的不同状态提供不同的定位方式,以对应的定位方式实现对待定位信标的精准定位。
在实际使用时,超短基线定位方法还包括:接收电源检测模块发送的检测太阳能电池板的电量,比较电量与预设电量阈值的大小,在比较出电量小于预设电量阈值时,生成报警信息,并将报警信息通过通信模块发送至外部指控中心。
如图5所示,浮标500除了包括主控模块506之外,还包括:与主控模块506连接的通讯模块501和电源检测模块502;其中,电源检测模块502用于检测太阳能电池板的电量,并将电量发送至主控模块506,主控模块506用于比较电量与预设电量阈值的大小,在比较出电量小于预设电量阈值时,生成报警信息,并将报警信息通过通信模块发送至外部指控中心。
预设电量阈值可以根据实际需要进行设置,在此不进行限定,当外部指控中心接收到报警信息后,可调整该系统的太阳能电池板不向该水域的水下传感器进行供电,该用其他电能充足的系统为其进行供电,提高全网络的能源利用率。
通常,上述通讯模块501同样也置于主控箱100内。
具体实现时,超短基线定位方法还包括:触发通信模块接收外部指控中心下发的控制指令,控制继电器执行与控制指令对应的操作,实现对主控模块的控制;其中,控制指令为重启指令或关机指令。
如图5所示,浮标500还包括:与通信模块501和主控模块506均连接的继电器503;通信模块501接收外部指控中心下发的控制指令,控制继电器503执行与控制指令对应的操作,实现对主控模块506的重启或关机以达到故障排查和节约电能的目的。
具体实现时,超短基线定位方法还包括:在预设时间段内未接收到通信模块发送的定位指令或控制指令时,切换为无线电台接收定位指令或控制指令。
如图5所示,浮标500还包括:与主控模块506连接的无线电台504;主控模块506在预设时间段内未接收到通信模块发送的定位指令或控制指令时,切换为无线电台504接收定位指令或控制指令。
如果通信模块在预设时间段内未向主控模块发送定位指令或控制指令,说明海上信号较弱,则可以通过无线电台接收外部指控中心下发的定位指令或控制指令,以保证正常定位。
具体实现时,超短基线定位方法还包括:触发网位仪搜索预设范围内的行驶船只,向行驶船只发送浮标的位置信息,避免发生碰撞。
如图5所示,浮标500还包括:与太阳能电池板103连接的网位仪505;其中,网位仪搜索预设范围内的行驶船只,向行驶船只发送浮标的位置信息。避免与来往船只发生碰撞,同时可以实现系统的安全监测,该位置信息即为网位仪确定出的浮标在大地坐标系下的位置。
本发明实施例提供一种超短基线定位装置,其中,该装置适用于浮标,浮标包括主控模块、GPS模块和USBL基阵;参见图6,为本发明实施例提供的一种超短基线定位装置的实施例框图。如图6所示,该装置可包括:
接收模块601,用于接收针对待定位信标的定位指令,定位指令中携带有待定位信标的信标标识;
第一触发模块602,用于在预设时间段内触发USBL基阵向信标标识对应的待定位信标发送定位信号,接收待定位信标发送的针对定位信号的回传信号,并将回传信号携带的待定位信标的状态信息,以及待定位信标接收定位信号的接收时间发送至主控模块,回传信号还携带有回传信息;
获取模块603,用于获取GPS模块发送的定位信息;其中,GPS模块在接收时间对浮标进行定位得到定位信息;
第二触发模块604,用于如果检测出状态信息为动态状态信息,触发USBL基阵基于回传信息确定待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息,并将相对位置信息发送至主控模块;
确定模块605,用于基于定位信息和相对位置信息确定待定位信标的USBL定位结果。
进一步地,浮标存储有定位信息库,定位信息库包括GPS模块在不同定位时间定位出的特定定位信息;
上述获取模块603,还用于从定位信息库中查找与接收时间匹配的定位时间;
将定位时间对应的特定定位信息确定为定位信息。
进一步地,上述装置还包括(未在图6中示出):
第三触发模块,用于如果检测出状态信息为静态状态信息,触发USBL基阵基于回传信息确定有效声速,并将有效声速和回传信息中包括的传播时延发送至主控模块;其中,传播时延为待定位信标发送回传信息到USBL基阵的时长;第二定位模块,用于基于定位信息、有效声速和传播时延确定待定位信标的LBL定位结果。
进一步地,第二触发模块604具体用于从回传信息中提取传播时延、深度信息,以及待定位信标所在水域的温度信息和盐度信息;其中,传播时延为待定位信标发送回传信息到USBL基阵的时长;基于传播时延、深度信息、温度信息和盐度信息确定水声水平传播距离;其中,水声水平传播距离为USBL基阵与待定位信标的水平距离;从有效声速表中查询与水声水平传播距离和深度信息匹配的有效声速;其中,有效声速表中存储有水声水平传播距离、深度信息与有效声速的对应关系;基于传播时延和有效声速确定待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息。
进一步地,确定模块605具体用于从定位信息中提取浮标在大地坐标系下的地理定位信息和艏向角;基于相对位置信息、地理定位信息和艏向角确定待定位信标的USBL定位结果。
进一步地,通过下式确定待定位信标的相对位置信息:
其中,表示相对位置信息,R表示待定位信标与USBL基阵之间的斜距,c表示有效声速,T表示传播时延,Δt1、Δt2表示USBL基阵中不同基元间收到回传信号的时间差,d表示USBL基阵中基元之间的基线长度,/>表示水声的声线与USBL基阵坐标系x轴的夹角,/>表示水声的声线与USBL基阵坐标系y轴的夹角。
进一步地,通过下式确定待定位信标的USBL定位结果:
其中,表示USBL定位结果,/>表示相对位置信息,/>表示浮标的地理定位信息,/>表示从浮标的浮标坐标系转换到大地坐标系的欧拉旋转矩阵,A表示艏向角,/>表示USBL基阵坐标系与浮标坐标系之间的欧拉旋转矩阵,其中α表示在z轴方向上USBL基阵与浮标之间的安装角度误差,/>为USBL基阵坐标系与浮标坐标系在三个方向的安装位移误差。
进一步地,基于回传信息确定有效声速,包括:
从回传信息中提取传播时延、深度信息,以及待定位信标所在水域的温度信息和盐度信息;其中,传播时延为待定位信标发送回传信息到USBL基阵的时长;
基于传播时延、深度信息、温度信息和盐度信息确定水声水平传播距离;其中,水声水平传播距离为USBL基阵与待定位信标的水平距离;
从有效声速表中查询与水声水平传播距离和深度信息匹配的有效声速;其中,有效声速表中存储有水声水平传播距离、深度信息与有效声速的对应关系。
进一步地,定位信息包括浮标在大地坐标系下的地理定位信息;
通过下式确定待定位信标的LBL定位结果:
其中,c表示有效声速,T表示传播时延,[xB,yB,zB]表示浮标的地理定位信息,[xG,yG,zG]表示待定位信标的LBL定位结果,V表示观测残差。
关于超短基线定位装置的具体限定可以参见上文中对于超短基线定位方法的限定,在此不再赘述。上述超短基线定位装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于电子设备中的处理器中,也可以以软件形式存储于电子设备中的存储器中,以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
本发明实施例提供一种基超短基线系统,其中,该系统包括:浮标及与浮标处于同一水域且水声通信的待定位信标,其中,浮标包括主控模块,还包括与主控模块连接的GPS模块和USBL基阵,浮标用于执行上述的超短基线定位方法。
本发明实施例提供一种电子设备,其中,包括:处理器、存储器和总线,存储器存储有处理器可执行的机器可读指令,当电子设备运行时,处理器与存储器之间通过总线通信,机器可读指令被处理器执行时执行如上述的超短基线定位方法的步骤。
本发明实施例还提供了一种存储介质(计算机可读存储介质)。这里的存储介质存储有一个或者多个程序。其中,存储介质可以包括易失性存储器,例如随机存取存储器;存储器也可以包括非易失性存储器,例如只读存储器、快闪存储器、硬盘或固态硬盘;存储器还可以包括上述种类的存储器的组合。
当存储介质中一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行,以实现上述在超短基线定位方法。
所述处理器用于执行存储器中存储的信标定位程序,以实现超短基线定位方法的步骤。
专业人员应该还可以进一步意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现,为了清楚地说明硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块,或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种超短基线定位方法,其特征在于,所述方法适用于浮标,所述浮标包括主控模块、GPS模块和USBL基阵,所述方法包括:
接收针对待定位信标的定位指令,所述定位指令中携带有所述待定位信标的信标标识;
在预设时间段内触发所述USBL基阵向所述信标标识对应的待定位信标发送定位信号,接收所述待定位信标发送的针对所述定位信号的回传信号,并将所述回传信号携带的所述待定位信标的状态信息,以及所述待定位信标接收所述定位信号的接收时间发送至所述主控模块,所述回传信号还携带有回传信息;
获取所述GPS模块发送的定位信息;其中,所述GPS模块在接收时间对所述浮标进行定位得到所述定位信息;
如果检测出所述状态信息为动态状态信息,触发所述USBL基阵基于所述回传信息确定所述待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息,并将所述相对位置信息发送至所述主控模块;
基于所述定位信息和所述相对位置信息确定所述待定位信标的USBL定位结果。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述浮标存储有定位信息库,所述定位信息库包括所述GPS模块在不同定位时间定位出的特定定位信息;
所述GPS模块在接收时间对所述浮标进行定位得到所述定位信息,包括:
从所述定位信息库中查找与所述接收时间匹配的定位时间;
将所述定位时间对应的特定定位信息确定为定位信息。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
如果检测出所述状态信息为静态状态信息,触发所述USBL基阵基于所述回传信息确定有效声速,并将所述有效声速和所述回传信息中包括的传播时延发送至所述主控模块;其中,所述传播时延为所述待定位信标发送回传信息到所述USBL基阵的时长;
基于所述定位信息、所述有效声速和所述传播时延确定所述待定位信标的LBL定位结果。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述基于所述回传信息确定所述待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息,包括:
从所述回传信息中提取传播时延、深度信息,以及所述待定位信标所在水域的温度信息和盐度信息;其中,所述传播时延为所述待定位信标发送回传信息到所述USBL基阵的时长;
基于所述传播时延、所述深度信息、所述温度信息和所述盐度信息确定水声水平传播距离;其中,所述水声水平传播距离为所述USBL基阵与所述待定位信标的水平距离;
从有效声速表中查询与所述水声水平传播距离和所述深度信息匹配的有效声速;其中,所述有效声速表中存储有水声水平传播距离、所述深度信息与有效声速的对应关系;
基于所述传播时延和所述有效声速确定所述待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述基于所述定位信息和所述相对位置信息确定所述待定位信标的USBL定位结果,包括:
从所述定位信息中提取所述浮标在大地坐标系下的地理定位信息和艏向角;
基于所述相对位置信息、所述地理定位信息和所述艏向角确定所述待定位信标的USBL定位结果。
6.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,通过下式确定所述待定位信标的相对位置信息:
其中,表示所述相对位置信息,R表示所述待定位信标与所述USBL基阵之间的斜距,c表示所述有效声速,T表示所述传播时延,Δt1、Δt2表示所述USBL基阵中不同基元间收到回传信号的时间差,d表示所述USBL基阵中基元之间的基线长度,/>表示水声的声线与USBL基阵坐标系x轴的夹角,/>表示水声的声线与USBL基阵坐标系y轴的夹角。
7.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,通过下式确定所述待定位信标的USBL定位结果:
其中,表示所述USBL定位结果,/>表示所述相对位置信息,/>表示所述浮标的地理定位信息,/>表示从所述浮标的浮标坐标系转换到大地坐标系的欧拉旋转矩阵,A表示所述艏向角,/>表示所述USBL基阵坐标系与所述浮标坐标系之间的欧拉旋转矩阵,其中α表示在z轴方向上USBL基阵与浮标之间的安装角度误差,/>为所述USBL基阵坐标系与所述浮标坐标系在三个方向的安装位移误差。
8.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述基于所述回传信息确定有效声速,包括:
从所述回传信息中提取传播时延、深度信息,以及所述待定位信标所在水域的温度信息和盐度信息;其中,所述传播时延为所述待定位信标发送回传信息到所述USBL基阵的时长;
基于所述传播时延、所述深度信息、所述温度信息和所述盐度信息确定水声水平传播距离;其中,所述水声水平传播距离为所述USBL基阵与所述待定位信标的水平距离;
从有效声速表中查询与所述水声水平传播距离和所述深度信息匹配的有效声速;其中,所述有效声速表中存储有水声水平传播距离、所述深度信息与有效声速的对应关系。
9.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述定位信息包括所述浮标在大地坐标系下的地理定位信息;
通过下式确定所述待定位信标的LBL定位结果:
其中,c表示所述有效声速,T表示所述传播时延,[xB,yB,zB]表示所述浮标的地理定位信息,[xG,yG,zG]表示所述待定位信标的LBL定位结果,V表示观测残差。
10.一种超短基线定位装置,其特征在于,所述装置适用于浮标,所述浮标包括主控模块、GPS模块和USBL基阵;所述装置包括:
接收模块,用于接收针对待定位信标的定位指令,所述定位指令中携带有所述待定位信标的信标标识;
第一触发模块,用于在预设时间段内触发所述USBL基阵向所述信标标识对应的待定位信标发送定位信号,接收所述待定位信标发送的针对所述定位信号的回传信号,并将所述回传信号携带的所述待定位信标的状态信息,以及所述待定位信标接收所述定位信号的接收时间发送至所述主控模块,所述回传信号还携带有回传信息;
获取模块,用于获取所述GPS模块发送的定位信息;其中,所述GPS模块在接收时间对所述浮标进行定位得到所述定位信息;
第二触发模块,用于如果检测出所述状态信息为动态状态信息,触发所述USBL基阵基于所述回传信息确定所述待定位信标在USBL基阵坐标系下的相对位置信息,并将所述相对位置信息发送至所述主控模块;
确定模块,用于基于所述定位信息和所述相对位置信息确定所述待定位信标的USBL定位结果。
11.一种电子设备,其特征在于,包括:处理器、存储器和总线,所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令,当电子设备运行时,所述处理器与所述存储器之间通过总线通信,所述机器可读指令被所述处理器执行时执行如权利要求1至9任意一项所述的超短基线定位方法的步骤。
12.一种存储介质,其特征在于,该存储介质上存储有计算机程序,该计算机程序被处理器运行时执行如权利要求1至9任意一项所述的超短基线定位方法的步骤。
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