WO2021139022A1 - 一种水声定位与授时浮标及水下定位方法 - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to the field of underwater acoustic positioning, in particular to an underwater acoustic positioning and timing buoy and an underwater positioning method.
  • Location information and time information are essential basic information for marine scientific research, seabed resource exploration, offshore structure construction, and marine information network construction.
  • the availability, accuracy and economy of positioning, navigation and timing in the marine field determine high-level marine science The normal conduct or construction of research, high-yield ocean investment and high-quality ocean intelligence network.
  • a commonly used underwater positioning method is the underwater acoustic positioning method that uses underwater acoustic ranging. This method uses the timing of sound wave transmission to measure the distance between certain spatial entities, and calculates the position by methods such as geometry or least squares. Specifically, the underwater acoustic positioning method is mainly divided into three forms: install a receiving/transmitting transducer on the carrier, and install the transmitting/receiving transducers with known positions at several distant points in the space.
  • An underwater acoustic positioning and timing buoy including a multi-antenna GNSS receiver, an inertial measurement unit, an underwater acoustic positioning device, a satellite communication machine, an underwater communication device, a battery and a controller;
  • the inertial measurement unit is used to measure the angular velocity and acceleration information of the buoy, and continuously calculate the position, velocity and posture at any time thereafter based on the starting position, velocity and posture information of a group of buoys with additional errors;
  • the battery is used to provide power to the buoy
  • the controller is used to receive data, locate, send results and control other devices.
  • An underwater positioning method for underwater acoustic positioning and timing buoys using the above-mentioned underwater acoustic positioning and timing buoys, the positioning and timing of underwater targets includes the following steps:
  • Figure 2 is a flowchart of the underwater target positioning and timing method using underwater acoustic positioning and timing buoys.
  • the controller is used to receive data, locate, send results and control other devices.
  • the disadvantage of using multi-antenna GNSS technology alone is that the GNSS data update frequency is low, resulting in low time density of attitude and position information; the combination of multi-antenna GNSS technology and IMU can better ensure high-precision, high-frequency buoy positions , Posture and clock error information update;
  • the sea surface buoy is used instead of the commonly used submarine sinking mark.
  • the submarine sinking mark is difficult to place, needs to be more accurate before use, power consumption is limited, it is unable to provide high-precision timing, and it is difficult to replenish energy.
  • the surface buoy can directly pass various types of ships. Even the aircraft is placed on the sea surface, and its autonomous positioning and orientation process does not require manual intervention, the power consumption limit is loose, it is easy to replace the battery to supplement energy, and it can also install solar panels and thermoelectric generators as power sources, which overcomes the submarine sinking standard. The above-mentioned defects.
  • At least four hydroacoustic positioning and timing buoys should be placed on the water surface to ensure that the buoys float upward on the water surface;

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Abstract

一种水声定位与授时浮标及水下定位方法，涉及水声定位领域。浮标包括多天线GNSS接收机、惯性测量单元、水声定位设备、卫星通讯机、水声通讯设备、电池和控制器；多天线GNSS接收机用于测量主天线的精确坐标和各天线相对于主天线的坐标增量值，得到浮标的地固坐标系坐标和浮标的姿态信息；惯性测量单元用于测量浮标的角速度和加速度信息，并根据一组浮标的起始位置、速度和姿态信息，附加误差的连续计算出之后任意时刻的位置、速度和姿态；水声定位设备用于向水下发射连续的声学信号，水下载体接收声学信号并测得相对于LBL设备的信号传播时间；卫星通讯机用于从卫星获取实时的精密改正信息；控制器用于接收数据、定位、发送结果和控制其他设备。

Description

一种水声定位与授时浮标及水下定位方法 技术领域
本发明涉及水声定位领域，具体涉及一种水声定位与授时浮标及水下定位方法。
背景技术
位置信息和时间信息对于海洋科考、海底资源勘探、海工结构建设、海洋情报网建设等是必要的基础信息，海洋领域定位、导航和授时的可用性、精度和经济性决定了高层次海洋科学研究、高收益的海洋投资和高质量的海洋情报网的正常进行或建设。
对于海面以上一般载体的定位、导航与授时，通常可以使用GPS、北斗等GNSS技术来实现，并且其定位、导航与授时的精度、可用性和隐蔽性等均较佳。而水面以下的定位与授时一直缺少有效的解决方案。一种常用的水下定位方法是使用水声测距来实现的水声定位方法。该方法使用对声波传递进行计时来测量某些空间实体间的距离，通过几何或最小二乘等方法进行位置的解算。具体来说，水声定位方法主要分为三种形式：在载体上安装一台接收/发射换能器，在空间中相隔较远的几个点安装位置已知的发射/接收换能器，并测量发射换能器发射的信号到接收换能器的传播时间，称之为长基线(LBL)系统；在空间中某一已知点安装一台发射换能器，在载体上安装多台接收换能器并测量发射换能器发射的信号到他们各自的传播时间，或该信号到主接收换能器的传播时间以及在接收换能器之间的时间差，称之为短基线(SBL)系统；在空间中某一已知点安装一台发射换能器，在载体上安装多台接收换能器并测量发射换能器发射的信号到主接收换能器的传播时间和信号在接收换能器之间的相位差，称之为超短基线(USBL)系统。
一般而言，由于水声定位要求空间中存在位置已知的换能器，因此通常通过固定于海底的沉标或者使用GNSS方法进行定位的海面浮标或其他载体来搭载换能器。这两种方法中，海底沉标虽然可以兼顾地壳形变监测等用途，但具有布放 和校准困难、功耗受限、无法对载体精确授时等缺点。海面浮标则相反。
在常规的LBL海面浮标方法中，浮标上通常只搭载单天线的GNSS接收机和LBL水声定位设备，并且GNSS定位算法使用的是精度较低的SPP(标准单点定位)算法。这一通用设计存在如下几点问题：(1)浮标自身仅使用单个GNSS天线进行定位，而未考虑浮标的姿态(航向、横滚角、俯仰角)，这导致在由GNSS天线位置推算浮标底部LBL的参考位置时无法考虑姿态的影响，这对于定位精度的进一步提高不利；(2)SPP定位算法的精度、可靠性等均较差，会限制水声定位的精度和可靠性。
从前述内容可知，目前常用的基于海面浮标的水声定位方式主要存在两类问题：(1)浮标姿态信息的缺失引入了系统性的观测误差；(2)使用SPP算法限制了系统定位、授时精度和可靠性的进一步提高。
发明概述
技术问题
问题的解决方案
技术解决方案
本发明的目的是针对上述不足，提出了一种集成了多天线GNSS接收机、IMU和LBL设备的水声定位用海面浮标，通过多天线GNSS与IMU组合，可以实现浮标位置、姿态和钟差的同时估计。
本发明具体采用如下技术方案：
一种水声定位与授时浮标，包括多天线GNSS接收机、惯性测量单元、水声定位设备、卫星通讯机、水声通讯设备、电池和控制器；
多天线GNSS接收机用于测量主天线的精确坐标和各天线相对于主天线的坐标增量值，得到浮标的地固坐标系坐标和浮标的姿态信息；
惯性测量单元用于测量浮标的角速度和加速度信息，并根据一组浮标的起始位置、速度和姿态信息，附加误差的连续计算出之后任意时刻的位置、速度和姿态；
水声定位设备用于向水下发射连续的声学信号，水下载体接收声学信号并测得相对于LBL设备的信号传播时间；
卫星通讯机用于从卫星获取实时的精密改正信息；
电池用于为浮标提供电能；
控制器用于接收数据、定位、发送结果和控制其他设备。
优选地，多天线GNSS接收机为单个多天线GNSS接收机或多个单天线GNSS接收机。
一种水声定位与授时浮标的水下定位方法，采用如上所述的水声定位与授时浮标，在进行水下目标定位与授时，包括以下步骤：
(1)在载体上安装水声定位设备，用于被动接收浮标定位信号测量时间差；
(2)在水面上安放至少四部水声定位与授时浮标，保证浮标正面向上漂浮在水面上；
(3)浮标从多天线GNSS接收机、惯性测量单元和卫星通讯机的天线分别接收GNSS观测数据、IMU观测数据以及精密改正信息；
(4)浮标根据接收的GNSS观测数据、GNSS精密改正信息和IMU观测数据，进行高精度PPP/INS组合导航定位，得到高精度的浮标位置、钟差和姿态信息；
(5)浮标的水声定位设备向水下载体发送信号，并在信号上调制浮标自身位置、钟差信息；
(6)水下载体使用水声定位设备接收到信号；
(7)水下载体根据信号得到至少四个斜距观测值和浮标各自的位置、钟差信息，进行距离交会定位，完成定位与授时。
发明的有益效果
有益效果
本发明具有如下有益效果：
水声定位与授时浮标使用多天线GNSS技术和IMU组合的方式来提供浮标的姿态信息，代替了传统方法中的单天线GNSS接收机与IMU组合的方法。使用单天线GNSS接收机与IMU来估计浮标的姿态的主要缺陷在于浮标的运动特征决定了其航向的可观测性较差，从而容易因航向不准确导致定位效果不好。同时，单独使用多天线GNSS技术的缺点在于GNSS数据更新频率较低，导致提供的姿态和位置信息时间密度低；多天线GNSS技术和IMU的组合能够更好地保证高精度 、高频率的浮标位置、姿态和钟差信息更新；
使用GNSS领域的PPP定位算法代替传统的SPP定位算法，SPP算法逻辑和模型简单，但定位的精度和抗差性等均一般。本专利使用的PPP算法使用卫星实时播发的卫星轨道和钟差等实时改正信息、更加全面的系统误差模型、卡尔曼滤波数据处理方法、GNSS载波相位模糊度固定方法等，提高浮标定位的精度和抗差能力等。
采用了海面浮标的形式，代替了常用的海底沉标形式，海底沉标安放困难、需要较准才能使用、功耗受限、无法高精度授时、难以补充能源，海面浮标可直接通过各类船只甚至飞机投放于海面，并且其自主定位、定向过程无需人工干预，功耗限制较松，易于更换电池补充能源，更可以加装太阳能电池板和温差发电机等作为电力来源，克服了海底沉标的上述缺陷。
对附图的简要说明
附图说明
图1为水声定位与授时浮标的硬件结构框图；
图2为利用水声定位与授时浮标进行水下目标定位与授时方法流程图。
发明实施例
本发明的实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
结合图1，一种水声定位与授时浮标，包括多天线GNSS接收机、惯性测量单元、水声定位设备、卫星通讯机、水声通讯设备、电池和控制器，多天线GNSS接收机为单个多天线GNSS接收机或多个单天线GNSS接收机。
多天线GNSS接收机用于测量主天线的精确坐标和各天线相对于主天线的坐标增量值，得到浮标的地固坐标系坐标和浮标的姿态信息；
惯性测量单元用于测量浮标的角速度和加速度信息，并根据一组浮标的起始位置、速度和姿态信息，附加误差的连续计算出之后任意时刻的位置、速度和姿态；
水声定位设备用于向水下发射连续的声学信号，水下载体接收声学信号并测得相对于LBL设备的信号传播时间；
卫星通讯机用于从卫星获取实时的精密改正信息；
电池用于为浮标提供电能；
控制器用于接收数据、定位、发送结果和控制其他设备。
水声定位与授时浮标使用多天线GNSS技术和IMU组合的方式来提供浮标的姿态信息，代替了传统方法中的单天线GNSS接收机与IMU组合的方法。使用单天线GNSS接收机与IMU来估计浮标的姿态的主要缺陷在于浮标的运动特征决定了其航向的可观测性较差，从而容易因航向不准确导致定位效果不好。同时，单独使用多天线GNSS技术的缺点在于GNSS数据更新频率较低，导致提供的姿态和位置信息时间密度低；多天线GNSS技术和IMU的组合能够更好地保证高精度、高频率的浮标位置、姿态和钟差信息更新；
使用GNSS领域的PPP定位算法代替传统的SPP定位算法，SPP算法逻辑和模型简单，但定位的精度和抗差性等均一般。本专利使用的PPP算法使用卫星实时播发的卫星轨道和钟差等实时改正信息、更加全面的系统误差模型、卡尔曼滤波数据处理方法、GNSS载波相位模糊度固定方法等，提高浮标定位的精度和抗差能力等。
采用了海面浮标的形式，代替了常用的海底沉标形式，海底沉标安放困难、需要较准才能使用、功耗受限、无法高精度授时、难以补充能源，海面浮标可直接通过各类船只甚至飞机投放于海面，并且其自主定位、定向过程无需人工干预，功耗限制较松，易于更换电池补充能源，更可以加装太阳能电池板和温差发电机等作为电力来源，克服了海底沉标的上述缺陷。
结合图2，一种水声定位与授时浮标的水下定位方法，采用如上所述的水声定位与授时浮标，在进行水下目标定位与授时，包括以下步骤：
(1)在载体上安装水声定位设备，用于被动接收浮标定位信号测量时间差；
(2)在水面上安放至少四部水声定位与授时浮标，保证浮标正面向上漂浮在水面上；
(3)浮标从多天线GNSS接收机、惯性测量单元和卫星通讯机的天线分别接收GNSS观测数据、IMU观测数据以及精密改正信息；
(4)浮标根据接收的GNSS观测数据、GNSS精密改正信息和IMU观测数据， 进行高精度PPP/INS组合导航定位，得到高精度的浮标位置、钟差和姿态信息；
(5)浮标的水声定位设备向水下载体发送信号，并在信号上调制浮标自身位置、钟差信息；
(6)水下载体使用水声定位设备接收到信号；
(7)水下载体根据信号得到至少四个斜距观测值和浮标各自的位置、钟差信息，进行距离交会定位，完成定位与授时。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

  1. 一种水声定位与授时浮标，其特征在于，包括多天线GNSS接收机、惯性测量单元、水声定位设备、卫星通讯机、水声通讯设备、电池和控制器；
    多天线GNSS接收机用于测量主天线的精确坐标和各天线相对于主天线的坐标增量值，得到浮标的地固坐标系坐标和浮标的姿态信息；
    惯性测量单元用于测量浮标的角速度和加速度信息，并根据一组浮标的起始位置、速度和姿态信息，附加误差的连续计算出之后任意时刻的位置、速度和姿态；
    水声定位设备用于向水下发射连续的声学信号，水下载体接收声学信号并测得相对于LBL设备的信号传播时间；
    卫星通讯机用于从卫星获取实时的精密改正信息；
    电池用于为浮标提供电能；
    控制器用于接收数据、定位、发送结果和控制其他设备。
  2. 如权利要求1所述的一种水声定位与授时浮标，其特征在于，多天线GNSS接收机为单个多天线GNSS接收机或多个单天线GNSS接收机。
  3. 一种水声定位与授时浮标的水下定位方法，采用如权利要求1或2所述的水声定位与授时浮标，其特征在于，在进行水下目标定位与授时，包括以下步骤：
    (1)在载体上安装水声定位设备，用于被动接收浮标定位信号测量时间差；
    (2)在水面上安放至少四部水声定位与授时浮标，保证浮标正面向上漂浮在水面上；
    (3)浮标从多天线GNSS接收机、惯性测量单元和卫星通讯机的天线分别接收GNSS观测数据、IMU观测数据以及精密改正信息；
    (4)浮标根据接收的GNSS观测数据、GNSS精密改正信息和IMU 观测数据，进行高精度PPP/INS组合导航定位，得到高精度的浮标位置、钟差和姿态信息；
    (5)浮标的水声定位设备向水下载体发送信号，并在信号上调制浮标自身位置、钟差信息；
    (6)水下载体使用水声定位设备接收到信号；
    (7)水下载体根据信号得到至少四个斜距观测值和浮标各自的位置、钟差信息，进行距离交会定位，完成定位与授时。
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