CN117741572B - 一种快速进行海洋潜标锚定点水下定位的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种快速进行海洋潜标锚定点水下定位的方法及系统，涉及水下定位技术领域，获取位于海面的三个测量点中每一测量点对应的经纬度、水深和斜距，根据测量点对应的水深和斜距计算得到测量点对应的距离，根据所有测量点对应的经纬度和距离确定海洋潜标锚定点在海面的投影点对应的经纬度，根据所有测量点对应的水深和斜距确定海洋潜标锚定点对应的水深，无需在海洋潜标上增加任何额外的仪器设备便可完成海洋潜标锚定点的水下定位，从而可在不改变海洋潜标的结构和设备功能的前提下，快速完成海洋潜标锚定点的水下定位。

Description

一种快速进行海洋潜标锚定点水下定位的方法及系统

技术领域

本发明涉及水下定位技术领域，特别是涉及一种快速进行海洋潜标锚定点水下定位的方法及系统。

背景技术

海洋潜标是一种针对特定海域的研究需要，采用底部重块锚定，自下而上根据需要系挂仪器设备以进行数据采集的观测方式，其是海洋探测系统的重要组成部分，在海洋科学研究、发展海洋经济、海洋军事侦察等方面发挥着重要作用。海洋潜标的布放方式是通过向海洋里抛投锚定重块，来固定住系挂在锚定重块上的一整串仪器设备，使得仪器设备可以在水中工作，而锚定重块在海水中下降的过程中，会受到不同层次的水流的冲刷，以及其上系挂的仪器设备的受水阻力的影响，最终导致锚定重块落在海底的最终锚定点（即海洋潜标锚定点）不确定。

针对特定海洋潜标，在不增加额外的水下定位观测仪器设备的前提下，目前没有办法实现海洋潜标锚定点的水下定位（包括经纬度和水深），这是因为海洋潜标投放方式的随机性，导致真实锚定位置不确定，也就无法对海洋潜标锚定点进行定位，便无法确定海洋潜标锚定点的经纬度；且对于指定的地理位置点，可以在该地理位置点使用单波束或者多波束测深仪来实现该地理位置点的水深的声学测量，但是对于不确定真实锚定位置的海洋潜标，由于不确定真实锚定位置，也就无法使用测深仪来进行水深测量，便无法得出海洋潜标锚定点的水深信息。如果通过多波束测深仪对海洋潜标锚定点所在的整片海域进行测深，然后圈划出可能的水深范围，误差就会很大，无法准确得出海洋潜标锚定点的水深信息。

针对特定海洋潜标，在增加额外的水下定位观测仪器设备的前提下，就必须在原先的海洋潜标上额外安装一个水听器设备，然后在海面的作业船上安装一套超短基线设备，通过水听器设备和超短基线设备的声信号通讯及计算，确定海洋潜标锚定点的水深及定位信息。但这就意味，需要改变原本的海洋潜标结构，另外也加设水听器设备和超短基线设备，而水听器设备和超短基线设备花费巨大，而且只能进口。

基于此，亟需一种在不改变海洋潜标的结构和设备功能的前提下，能快速简便完成海洋潜标锚定点的水下定位的技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速进行海洋潜标锚定点水下定位的方法及系统，可在不改变海洋潜标的结构和设备功能的前提下，快速完成海洋潜标锚定点的水下定位。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种快速进行海洋潜标锚定点水下定位的方法，包括：

获取位于海面的三个测量点中每一所述测量点对应的经纬度、水深和斜距；所述斜距为所述测量点至海洋潜标锚定点的距离；所述海洋潜标锚定点为海洋潜标落在海底的位置点；

对于每一所述测量点，根据所述测量点对应的水深和斜距计算所述测量点在海底的投影点至所述海洋潜标锚定点的距离，得到所述测量点对应的距离；

根据所有所述测量点对应的经纬度和距离确定所述海洋潜标锚定点在海面的投影点对应的经纬度；根据所有所述测量点对应的水深和斜距确定所述海洋潜标锚定点对应的水深；所述海洋潜标锚定点在海面的投影点对应的经纬度和所述海洋潜标锚定点对应的水深组成所述海洋潜标锚定点的水下定位结果。

在一些实施例中，获取位于海面的三个测量点中每一所述测量点对应的经纬度、水深和斜距，具体包括：

在海面上随机选取三个测量点；

对于每一所述测量点，对所述测量点的经纬度进行测量，得到所述测量点对应的经纬度；通过测深仪对所述测量点的水深进行测量，得到所述测量点对应的水深；通过所述测量点处布置的信号发射器和海洋潜标处布置的声学释放器之间的信号交互，确定所述测量点对应的斜距。

在一些实施例中，所述测量点至海洋潜标投放点的距离小于预设距离；所述海洋潜标投放点为位于海面的投放海洋潜标的位置点。

在一些实施例中，根据所述测量点对应的水深和斜距计算所述测量点在海底的投影点至所述海洋潜标锚定点的距离，得到所述测量点对应的距离，具体包括：以所述测量点对应的水深和斜距作为输入，利用距离计算公式计算所述测量点在海底的投影点至所述海洋潜标锚定点的距离，得到所述测量点对应的距离；

所述距离计算公式为：

；

其中，s为测量点对应的距离；l为测量点对应的斜距；h为测量点对应的水深。

在一些实施例中，根据所有所述测量点对应的经纬度和距离确定所述海洋潜标锚定点在海面的投影点对应的经纬度，具体包括：

对于每一所述测量点，对所述测量点对应的经纬度进行投影变换，得到所述测量点对应的二维位置坐标；以所述测量点对应的二维位置坐标为圆心，以所述测量点对应的距离为半径，确定所述测量点对应的圆；

确定所有所述测量点对应的圆的交点的二维位置坐标，得到所述海洋潜标锚定点在海面的投影点对应的二维位置坐标；

对所述海洋潜标锚定点在海面的投影点对应的二维位置坐标进行投影变换，得到所述海洋潜标锚定点在海面的投影点对应的经纬度。

在一些实施例中，根据所有所述测量点对应的水深和斜距确定所述海洋潜标锚定点对应的水深，具体包括：以所有所述测量点对应的水深和斜距作为输入，利用反距离权重插值法确定所述海洋潜标锚定点对应的水深。

一种计算机系统，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现上述一种快速进行海洋潜标锚定点水下定位的方法的步骤。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种快速进行海洋潜标锚定点水下定位的方法及系统，获取位于海面的三个测量点中每一测量点对应的经纬度、水深和斜距，根据测量点对应的水深和斜距计算得到测量点对应的距离，根据所有测量点对应的经纬度和距离确定海洋潜标锚定点在海面的投影点对应的经纬度，根据所有测量点对应的水深和斜距确定海洋潜标锚定点对应的水深，无需在海洋潜标上增加任何额外的仪器设备便可完成海洋潜标锚定点的水下定位，从而可在不改变海洋潜标的结构和设备功能的前提下，快速完成海洋潜标锚定点的水下定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1所提供的一种快速进行海洋潜标锚定点水下定位的方法的方法流程图；

图2为本发明实施例1所提供的测量点对应的距离的计算原理示意图；

图3为本发明实施例1所提供的海洋潜标锚定点在海面的投影点对应的二维位置坐标的计算原理示意图；

图4为本发明实施例1所提供的海洋潜标锚定点在海面的投影点的位置示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种快速进行海洋潜标锚定点水下定位的方法及系统，可在不改变海洋潜标的结构和设备功能的前提下，快速完成海洋潜标锚定点的水下定位，解决现有技术在不增加额外设备的前提下，无法实现海洋潜标锚定点的水下定位的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

本实施例用于提供一种快速进行海洋潜标锚定点水下定位的方法，如图1所示，包括：

S1：获取位于海面的三个测量点中每一所述测量点对应的经纬度、水深和斜距；所述斜距为所述测量点至海洋潜标锚定点的距离；所述海洋潜标锚定点为海洋潜标落在海底的位置点。

本实施例中，获取位于海面的三个测量点中每一测量点对应的经纬度、水深和斜距，可以包括：在海面上随机选取三个测量点；对于每一测量点，对该测量点的经纬度进行测量，得到该测量点对应的经纬度；通过测深仪对该测量点的水深进行测量，得到该测量点对应的水深；通过该测量点处布置的信号发射器和海洋潜标处布置的声学释放器之间的信号交互，确定该测量点对应的斜距。

本实施例可以在海面上随机选取3个位置点作为测量点。优选的，为了便于后续的快速计算，所选取的每一测量点至海洋潜标投放点的距离均小于预设距离，预设距离可为10km，其中，海洋潜标投放点为位于海面的投放海洋潜标的位置点。即本实施例先在海洋潜标投放点位置附近，另外选取3个测量点。

本实施例在对这3个测量点的经纬度进行测量时，可以直接使用作业船自带的GPS数据，即驱动作业船至测量点，此时作业船的GPS数据即为该测量点对应的经纬度。

由于测量点的经纬度已知，则本实施例可直接在测量点处使用单波束测深仪或者多波束测深仪来进行声学测量，得到测量点对应的水深，水深是指水体的自由断面到其河床面的垂直距离，在本实施例中，水深是指从海面至海底且经过该测量点的垂直距离。

声学释放器是一种高可靠性和紧凑的声学释放仪器，它能够通过声学信号，远程传输控制和多功能命令来操控水下系统，比如可以控制释放机构做脱钩动作，并对锚定重块进行释放，从而让浮体带着仪器设备上浮，其可以应用于所有的海洋领域，不论是浅海还是深海。声学释放器的释放机制是通过换能器发出特定指令意义的声学信号，声学释放器接收到该声学信号后，由内部的控制系统将该声学信号转换为电信号，驱动马达来实现脱钩动作，一般从发出指令到触发释放，只需要几秒钟的时间就可以完成，这种快速的释放机制能够让工作人员在有效的工作时间内回收很多水下仪器设备。声学释放器释放的负载从几十公斤到几吨，控制的动作类型包括唤醒、释放、钩子归位等。同时，声学释放器一般具有测距功能，这是由于声学释放器接收到位于水面位置的信号发射器发射出的声信号后，也会回馈一个确认声信号给位于水面位置的信号发射器，因为声信号在海水中的传播速度基本是一个稳定的值，所以通过速度×时间/2，就可以计算得到位于水面位置的信号发射器到位于水下的声学释放器的距离，这个距离基本上是一个倾斜状态的距离，所以也叫做斜距。

本实施例则基于上述海洋潜标原本就有的声学释放器来确定测量点对应的斜距，在测量点处设置信号发射器，通过其与海洋潜标上自带的声学释放器的通信过程来确定斜距，具体的，信号发射器发射声信号，声学释放器接收到该声信号后，会向信号发射器反馈一个声信号，计算从信号发射器发送声信号至信号发射器接收到声学释放器反馈的声信号的时间间隔，计算该时间间隔与声信号在海洋中的传播速度的乘积，再除以2，即可得到该测量点对应的斜距。

通过上述过程，本实施例即可得到三个测量点的经纬度、水深和斜距信息。

S2：对于每一所述测量点，根据所述测量点对应的水深和斜距计算所述测量点在海底的投影点至所述海洋潜标锚定点的距离，得到所述测量点对应的距离。

本实施例先对经纬度投影和反投影进行介绍，如下：

经纬度投影：地球上的任何物体的位置信息，都可以用经纬度来标识，但是地球是一个球体，经纬度不能直接用来做运算。所以，地理学上又产生了很多投影方法，例如高斯克吕克投影、墨卡托投影等，其本质就是将球面的经纬度，展开并转化成平面坐标（x，y），以便于计算。

反投影：将平面坐标逆向转化成经纬度。

基于上述经纬度投影的介绍，为了便于后续计算，本实施例可先将三个测量点的经纬度，通过地图投影（即经纬度投影），转换成xy坐标位置信息（即二维位置坐标），所以，本实施例的已知信息包括：三个测量点的二维位置坐标A(x1，y1)、B(x2，y2)、C(x3，y3)，三个测量点的水深h1、h2、h3以及三个测量点的斜距l1、l2、l3，其中，A代表第一个测量点，B代表第二个测量点，C代表第三个测量点，(x1，y1)为第一个测量点的二维位置坐标，(x2，y2)为第二个测量点的二维位置坐标，(x3，y3)为第三个测量点的二维位置坐标，x1、y1、h1、l1分别为第一个测量点的x坐标、y坐标、水深和斜距，x2、y2、h2、l2分别为第二个测量点的x坐标、y坐标、水深和斜距，x3、y3、h3、l3分别为第三个测量点的x坐标、y坐标、水深和斜距。需要说明的是，斜距l1、l2、l3也代表所求海洋潜标锚定点的二维位置坐标O’(x，y)分别到A、B、C三个测量点的距离。

本实施例首先提出一个重要的近似假设：由于海洋潜标投放点和三个测量点所涉及的区域范围，相对于整个地球表面来说，尺度很小，所以在海洋潜标投放点和三个测量点所涉及的区域范围内的海面，可以近似为一个水平面（非曲面），可称为海表水平面，同理，在海洋潜标投放点和三个测量点所涉及的区域范围内的海底，也可以近似为一个水平面，可称为海底投影水平面，进而便可以确定2个平面，即海表水平面和海底投影水平面，这2个平面是投影对应关系，即存在第一个测量点A在海表水平面的二维位置坐标A(x1，y1)=第一个测量点A在海底投影水平面的投影点A’的二维位置坐标A’(x1，y1)，第二个测量点B在海表水平面的二维位置坐标B(x2，y2)=第二个测量点B在海底投影水平面的投影点B’的二维位置坐标B’(x2，y2)，第三个测量点C在海表水平面的二维位置坐标C(x3，y3)=第三个测量点C在海底投影水平面的投影点C’的二维位置坐标C’(x3，y3)，且海洋潜标锚定点O’在海底投影水平面的二维位置坐标O’（x，y）=海洋潜标锚定点O’在海表水平面的投影点O的二维位置坐标O（x，y）。

选取海底水平投影面作为主计算平面，基于上述近似假设，对于每一测量点，该测量点沿着深度的垂向剖面均满足直角三角形的特性，如图2所示，以第一个测量点A为例，由第一个测量点A、第一个测量点A在海底水平投影面的投影点A’和海洋潜标锚定点O’作为顶点所构成的三角形为直角三角形，基于勾股定理即可以求得线段A’O’的长度，该长度即为斜距在海底投影水平面上的投影长度，也即第一个测量点A对应的距离，第一个测量点A对应的距离，同理可得，第二个测量点B对应的距离/>，第三个测量点C对应的距离/>。

则根据测量点对应的水深和斜距计算测量点在海底的投影点至海洋潜标锚定点的距离，得到测量点对应的距离，可以包括：以测量点对应的水深和斜距作为输入，利用距离计算公式计算测量点在海底的投影点至海洋潜标锚定点的距离，得到测量点对应的距离。

距离计算公式为：

；

其中，s为测量点对应的距离；l为测量点对应的斜距；h为测量点对应的水深。

S3：根据所有所述测量点对应的经纬度和距离确定所述海洋潜标锚定点在海面的投影点对应的经纬度；根据所有所述测量点对应的水深和斜距确定所述海洋潜标锚定点对应的水深；所述海洋潜标锚定点在海面的投影点对应的经纬度和所述海洋潜标锚定点对应的水深组成所述海洋潜标锚定点的水下定位结果。

由于A(x1，y1)=A’(x1，y1)，B(x2，y2)=B’(x2，y2)，C(x3，y3)=C’(x3，y3)，则如图3和图4所示，本实施例分别以A、B、C三个测量点为圆心，为半径，作三个圆，根据三圆相交的唯一交点（即真实点唯一性）解析几何规律，确定相交点（也即海洋潜标锚定点O’在海表水平面的投影点O）的二维位置坐标O（x，y），进一步使用反投影方法，便可以计算出海洋潜标锚定点在海面的投影点O的经纬度。由于O’（x，y）=O（x，y），也即确定了海洋潜标锚定点O’的二维位置坐标O’(x，y)。

在确定相交点的坐标时，本实施例可直接通过已知的三个测量点的坐标范围，建立一个局部的平面坐标网格，在平面坐标网格上寻找三圆的相交点，并直接读取相应交点坐标。

本实施例中，根据所有测量点对应的经纬度和距离确定海洋潜标锚定点在海面的投影点对应的经纬度，可以包括：对于每一测量点，对测量点对应的经纬度进行投影变换（即经纬度投影），得到测量点对应的二维位置坐标；以测量点对应的二维位置坐标为圆心，以测量点对应的距离为半径，确定测量点对应的圆，如图3和图4所示，第一个测量点A对应的圆的半径为R1，第二个测量点B对应的圆的半径为R2，第三个测量点C对应的圆的半径为R3；确定所有测量点对应的圆的交点的二维位置坐标，得到海洋潜标锚定点在海面的投影点对应的二维位置坐标，本实施例可根据三个测量点的坐标绘制局部的平面坐标网格，则在绘制出来三个测量点对应的圆后，便可以直接通过局部的平面坐标网格读取三个测量点对应的圆的交点的二维位置坐标；对海洋潜标锚定点在海面的投影点对应的二维位置坐标进行投影变换（即反投影），得到海洋潜标锚定点在海面的投影点对应的经纬度。

本实施例中，根据所有测量点对应的水深和斜距确定海洋潜标锚定点对应的水深，可以包括：以所有测量点对应的水深和斜距作为输入，利用反距离权重插值法确定海洋潜标锚定点对应的水深。

海洋潜标锚定点对应的水深的计算公式如下：

；

其中，H为海洋潜标锚定点对应的水深；li为第i个测量点对应的斜距；hi为第i个测量点对应的水深。

基于此，本实施例即可确定海洋潜标锚定点在海面的投影点的经纬度和水深，得到海洋潜标锚定点的水下定位数据（即水下定位结果），需要说明的是，水下定位数据是一个三维的数据信息，包含水下点的深度数据以及水下点在水面投影后的经纬度数据。

本实施例提供一种快速计算海洋潜标锚定点水深及水下定位信息的方法，在不改变海洋潜标的结构和设备功能的前提下，只是通过一系列辅助信息的测量，便可反演计算出海洋潜标的真实锚定点的完整水深及水下定位信息，从而为计算确定海洋潜标的锚定点水深及锚定点经纬度信息提供了一种新型的计算方法，应用本方法，不会改变海洋潜标的原有结构，不会影响海洋潜标原有的潜标结构牢固度；不需要增加额外的科研仪器设备，所以也不会增加额外的科研经费，成本低；可以完整的反演计算海洋潜标锚定点的深度值，以及海洋潜标锚定点的水面投影经纬度，即可以完整的反演计算出海洋潜标锚定点的水下定位数据。

实施例2：

本实施例用于提供一种计算机系统，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现实施例1所述一种快速进行海洋潜标锚定点水下定位的方法的步骤。

本说明书中每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种快速进行海洋潜标锚定点水下定位的方法，其特征在于，包括：

获取位于海面的三个测量点中每一所述测量点对应的经纬度、水深和斜距；所述斜距为所述测量点至海洋潜标锚定点的距离；所述海洋潜标锚定点为海洋潜标落在海底的位置点；

对于每一所述测量点，根据所述测量点对应的水深和斜距计算所述测量点在海底的投影点至所述海洋潜标锚定点的距离，得到所述测量点对应的距离；

根据所有所述测量点对应的经纬度和距离确定所述海洋潜标锚定点在海面的投影点对应的经纬度；根据所有所述测量点对应的水深和斜距确定所述海洋潜标锚定点对应的水深；所述海洋潜标锚定点在海面的投影点对应的经纬度和所述海洋潜标锚定点对应的水深组成所述海洋潜标锚定点的水下定位结果；

获取位于海面的三个测量点中每一所述测量点对应的经纬度、水深和斜距，具体包括：

在海面上随机选取三个测量点；

对于每一所述测量点，对所述测量点的经纬度进行测量，得到所述测量点对应的经纬度；通过测深仪对所述测量点的水深进行测量，得到所述测量点对应的水深；通过所述测量点处布置的信号发射器和海洋潜标处布置的声学释放器之间的信号交互，确定所述测量点对应的斜距；

根据所述测量点对应的水深和斜距计算所述测量点在海底的投影点至所述海洋潜标锚定点的距离，得到所述测量点对应的距离，具体包括：以所述测量点对应的水深和斜距作为输入，利用距离计算公式计算所述测量点在海底的投影点至所述海洋潜标锚定点的距离，得到所述测量点对应的距离；

所述距离计算公式为：

；

其中，s为测量点对应的距离；l为测量点对应的斜距；h为测量点对应的水深；

根据所有所述测量点对应的经纬度和距离确定所述海洋潜标锚定点在海面的投影点对应的经纬度，具体包括：

对于每一所述测量点，对所述测量点对应的经纬度进行投影变换，得到所述测量点对应的二维位置坐标；以所述测量点对应的二维位置坐标为圆心，以所述测量点对应的距离为半径，确定所述测量点对应的圆；

确定所有所述测量点对应的圆的交点的二维位置坐标，得到所述海洋潜标锚定点在海面的投影点对应的二维位置坐标；

对所述海洋潜标锚定点在海面的投影点对应的二维位置坐标进行投影变换，得到所述海洋潜标锚定点在海面的投影点对应的经纬度；

根据所有所述测量点对应的水深和斜距确定所述海洋潜标锚定点对应的水深，具体包括：以所有所述测量点对应的水深和斜距作为输入，利用反距离权重插值法确定所述海洋潜标锚定点对应的水深。

2.根据权利要求1所述的一种快速进行海洋潜标锚定点水下定位的方法，其特征在于，所述测量点至海洋潜标投放点的距离小于预设距离；所述海洋潜标投放点为位于海面的投放海洋潜标的位置点。

3.一种计算机系统，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序以实现权利要求1-2中任一项所述一种快速进行海洋潜标锚定点水下定位的方法的步骤。