CN105388457B - 一种基于等效声速梯度的长基线水声定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等效声速梯度的长基线水声定位方法，属于水声定位导航领域，采用长基线水声定位***，该***由搭载在目标物上的收发换能器发射定位信号，布设在海底的应答器基阵接收并返回应答信号，测量声信号从发射到返回的传播时间，由安装在收发换能器和海底应答器上的微型声速仪实时测量声速值；根据等效声速剖面原理，利用历史声速剖面计算初始值搜索等效声速梯度，当换能器到应答器、应答器到换能器往返传播距离相等时，确定等效声速梯度值，并计算出目标的准确位置。本发明不需要准确的声速剖面，甚至不需要声速剖面，有效消除了声速剖面代表性误差的影响，提高了水下目标定位的精度。

Description

一种基于等效声速梯度的长基线水声定位方法

技术领域

本发明属于水声定位导航领域，具体涉及一种基于等效声速梯度的长基线水声定位方法。

背景技术

长基线水声定位***跟踪范围大，定位精度高，已经在海洋资源开发、海洋工程建设、水下考古、海洋国防建设等多方面得到了广泛应用。目前已研发的长基线水声定位***多采用距离交会的定位方法，距离测量的精度直接影响到长基线***的定位精度，因此根据实测声速剖面进行声线改正非常重要，但声速剖面难以实时获取，声速剖面代表性误差难以避免，因此有必要研究一种能够有效消除声速剖面代表性误差影响的长基线水声定位***。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于等效声速梯度的长基线水声定位方法，设计合理，克服了现有技术的不足，消除了声速剖面的误差影响，提高了精度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于等效声速梯度的长基线水声定位方法，采用长基线水声定位***，其包括安装在水面船只的处理及控制单元、安装在水面船只或水下机器人上的收发换能器以及布设在海底的由多个应答器组成的应答器基阵，所述收发换能器和应答器基阵上都安装有微型声速仪；

所述的基于等效声速梯度的长基线水声定位方法按照如下步骤进行：

步骤1：对布设在海底的应答器基阵进行绝对位置校准；

步骤2：通过处理及控制单元控制收发换能器和应答器基阵测量声波传播的往返时间t_i，通过处理及控制单元控制微型声速仪测量收发换能器的声速C₀和应答器的声速C′_0i；

步骤3：计算收发换能器到各个应答器的近似距离和目标近似坐标以及各个应答器到收发换能器的近似距离和目标近似坐标；

步骤4：计算出准确的目标位置。

优选地，在步骤3中，具体包括：

步骤3.1：利用历史声速剖面计算近似等效声速梯度g₀，设置搜索步长Δg，搜索等效声速梯度g_ij：

g_ij＝g₀+j·Δg (9)

式中，i为声线序号，j为搜索次数。

步骤3.2：利用g_ij以及测量得到的收发换能器的声速C₀、声波往返时间t_i，计算收发换能器到各个应答器的近似距离L_ij及目标近似坐标P_j(X_j,Y_j,Z_j)；

步骤3.3：根据声速剖面积分面积相等原则，通过公式(10)计算应答器到收发换能器的等效声速梯度g′_ij：

g′_ij＝g_ij-2(C′_0i-C₀)/(Z_i-Z_j) (10)

其中，C₀、C′_0i分别为通过微型声速仪测量得到的收发换能器和应答器的声速值，Z_i为应答器的深度值，Z_j为步骤3.2计算得到的目标近似坐标P_j(X_j,Y_j,Z_j)的深度值；

步骤3.4：利用计算得到的g′_ij以及测量得到的应答器的声速C′_0i、声波往返时间t_i，计算各个应答器到收发换能器的近似距离L′_ij及目标近似坐标P′_j(X′_j,Y′_j,Z′_j)。

优选地，在步骤4中，具体包括：

步骤4.1：根据计算出的收发换能器到各个应答器的距离L_ij以及各个应答器到收发换能器的距离L′_ij，令ΔL_ij＝|L_ij-L'_ij|；

步骤4.2：根据往返距离相等的原则，当ΔL_ij取最小值时的g_ij值即为实际等效声速梯度g_i值，即g_i＝g_ij，采用最小二乘法计算出准确的目标位置P(X,Y,Z)。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明提出一种基于等效声速梯度的长基线水声定位方法，与现有技术相比，可以不需要准确的声速剖面，甚至不需要声速剖面，消除了声速剖面代表性误差对定位计算精度的影响，提高了长基线水声定位***的定位精度。

附图说明

图1为本发明基于等效声速梯度的长基线水声定位方法中长基线水声定位***的原理图。

图2为本发明基于等效声速梯度的长基线水声定位方法的流程框图。

图3为本发明中等效声速梯度的计算示意图。

图4为本发明中等效声速梯度与距离较差关系图。

图5为本发明中海底应答器基阵及目标位置示意图。

图6为本发明中搜索声速梯度变化与距离较差关系图。

图7为本发明方法与其他方法定位误差比较图。

其中，1-处理及控制单元；2-收发换能器；3-应答器；4-微型声速仪。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，长基线水声定位***包括安装在水面船只的处理及控制单元1、安装在船只或水下机器人上的收发换能器2、布放在海底的由多个应答器3组成的应答器基阵，所述收发换能器2和应答器3上都安装有微型声速仪4。

处理及控制单元1负责测量数据的存储和计算，并控制整个***的运行。

处理及控制单元1控制收发换能器和应答器基阵测量声波传播的往返时间t_i，并控制微型声速仪测量收发换能器的声速C₀和应答器的声速C′_0i，之后将测量的数据t_i、C₀以及C′_0i存储到处理及控制单元1中。

由于海水为非均匀介质体，海水中的声速随着温度、盐度和压力的变化而变化，声波在海水中的传播路径是一条连续的曲线，按照等效声速剖面法原理，可将实际声速剖面用一个常梯度等效声速剖面来代替。根据射线声学的理论，声线在常梯度层中的轨迹为圆弧，圆弧半径为：

R＝1/|pg| (1)

式中，g为常梯度层中的声速梯度值，p为snell常数。

g＝(C_r-C₀)/(Z_r-Z₀) (2)

p＝sinθ₀/C₀＝sinθ_r/C_r (3)

式中，C₀为初始声速值，可以通过安装在换能器上的微型声速仪测量得到；C_r为终止声速值，在声速梯度g已知的情况下由公式(2)计算得到；Z₀为换能器入水深度，Z_r为应答器处水深；θ₀、θ_r分别为声波的初始入射角和终止入射角，θ₀可由公式(4)通过牛顿迭代公式计算得到，θ_r可由公式(5)计算得到：

tan[arcsin(C_r sinθ₀/C₀)/2]-e^tg/2tan(θ₀/2)＝0 (4)

θ_r＝2arctan(e^tg/2tan(θ₀/2)) (5)

式中，t为测量得到的声波往返时间，g为等效声速梯度值。

声波传播的垂向距Δz、侧向距Δx计算公式如下：

公式(6)即为声线折射改正公式，经过改正后的距离可表示为：

假设存在4个海底应答器，则可利用L_i采用最小二乘方法进行定位解算：

式中，P(X,Y,Z)为收发换能器的坐标，P_i(X_i,Y_i,Z_i),(i＝1,2,3,4)为海底声基阵中已校准的应答器的坐标。

在实际等效声速梯度g_i,(i＝1,2,3,4)已知的情况下，利用公式(1)～(8)通过迭代计算即可得到目标换能器坐标。但由于实时声速剖面难以获得，通常只能利用历史声速剖面计算出由换能器到应答器的近似等效声速梯度g₀，若直接用g₀进行计算，必然引入声速剖面代表性误差。

本发明利用近似等效声速梯度g₀，设置搜索步长Δg，搜索等效声速梯度g_ij：

g_ij＝g₀+j·Δg (9)

式中，i为声线序号，j为搜索次数。

利用g_ij以及测量得到的收发换能器的声速C₀、声波往返时间t_i，可迭代计算出收发换能器到各个应答器的近似距离L_ij及目标近似坐标P_j(X_j,Y_j,Z_j)；

结合图3所示，根据声速剖面积分面积相等的原则，由换能器到应答器的等效声速梯度g_ij，反算应答器到换能器的等效声速梯度g′_ij：

g′_ij＝g_ij-2(C′_0i-C₀)/(Z_i-Z_j) (10)

其中，C₀、C′_0i分别为通过微型声速仪测量得到的收发换能器和应答器的声速值，Z_i为应答器的深度值，Z_j为目标近似坐标P_j(X_j,Y_j,Z_j)中的水深值；

同理，利用g′_ij以及测量得到的应答器的声速C′_0i、声波往返时间t_i，可迭代计算各个应答器到换能器的近似距离L′_ij、近似坐标P′_j(X′_j,Y′_j,Z′_j)。

根据往返距离相等的原则，L_ij和L′_ij应该是相等的，即距离较差ΔL_ij＝|L_ij-L′_ij|＝0，但如果搜索的等效声速梯度g_ij存在误差，则ΔL_ij≠0，且g_ij误差越大，距离较差ΔL_ij越大。如图4所示，等效声速梯度与距离较差关系图，当搜索等效声速梯度达到0.05时，即搜索等效声速梯度与实际等效声速梯度相等，此时ΔL_ij＝0。

据此特性，则可通过搜索的方法得到换能器到各应答器的等效声速梯度g_i，再由公式(1)～(8)计算出准确的目标位置P(X,Y,Z)。

本发明一种基于等效声速梯度的长基线水声定位方法(如图2所示)，按照如下步骤进行：

步骤1：对布设在海底的应答器基阵进行绝对位置校准，通过处理及控制单元控制收发换能器和应答器基阵测量声波传播的往返时间t_i，通过处理及控制单元控制微型声速仪测量收发换能器的声速C₀和应答器的声速C′_0i，同时利用GNSS测量收发换能器的位置坐标；其中对收发换能器与应答器之间的距离L_i的声线改正方法，与对目标物实施定位时的方法一致；

步骤2：通过处理及控制单元控制收发换能器和应答器基阵测量声波传播的往返时间t_i，通过处理及控制单元控制微型声速仪测量收发换能器的声速C₀和应答器的声速C′_0i；

步骤3：利用历史声速剖面计算近似等效声速梯度g₀，在一定范围内搜索换能器到应答器的等效声速梯度g_ij，计算换能器到各应答器的距离L_ij、目标近似坐标P_j(X_j,Y_j,Z_j)，反算应答器到换能器的等效声速梯度g′_ij，计算应答器到换能器的距离L′_ij及目标近似坐标P′_j(X′_j,Y′_j,Z′_j)；

步骤4：根据计算出的收发换能器到各个应答器的距离L_ij以及各个应答器到收发换能器的距离L′_ij，令ΔL_ij＝|L_ij-L'_ij|；根据往返距离相等的原则，判断ΔL_ij＝|L_ij-L'_ij|是否可以取到最小值；

若：判断结果是ΔL_ij＝|L_ij-L'_ij|可以取到最小值，则当ΔL_ij取最小值时的g_ij值即为实际等效声速梯度g_i值，即g_i＝g_ij，采用最小二乘法计算出准确的目标位置P(X,Y,Z)；

或判断结果是ΔL_ij＝|L_ij-L'_ij|取不到最小值，则执行步骤3。

对本发明的方法进行计算机仿真，结合图5所示，在水深为500m的某海域内，按边长为500m的正方形网形布设海底声基阵，目标所在深度为100m，声速为1500m/s，目标到四个应答器的等效声速梯度分别为0.04、0.05、0.06、0.07，微型声速仪测量精度为0.02m/s，应答器基阵校准精度为平面方向20cm、垂直方向20cm。假设利用历史声速剖面计算得到的等效声速梯度为0.04，测区测量一个声速剖面，其等效声速梯度为0.05。采用本发明方法对水下目标进行定位计算，同时，分别采用历史声速剖面、实际测量声速剖面进行定位计算，并对三种方法的定位精度进行比较分析。

当目标处于不同位置时，利用本发明方法对目标进行定位计算，得到搜索声速梯度变化与距离较差关系如图6所示，最后确定的目标到四个应答器的等效声速梯度分别为0.0395、0.05、0.06、0.07，与已知值最大相差0.0005，可看出采用本发明方法可准确搜索得到等效声速梯度。

结合图7所示，可以看出采用本发明方法定位计算的平面误差和垂向误差均在分米级，其中平面误差平均为0.2m，垂向误差平均为0.1m；采用历史声速剖面进行定位计算时，平面误差平均为1.8m，垂向误差平均为1.3m；采用实际测量声速剖面进行定位计算时，平面误差平均为1.7m，垂向误差平均为0.5m。

因此，与采用历史声速剖面方法相比，采用实际测量声速剖面提高了定位计算的精度，但不能消除声速剖面代表性误差的影响，而本发明提出的长基线水声定位方法可以不需要准确的声速剖面，甚至不需要声速剖面，有效消除了声速剖面代表性误差影响，提高了长基线水声定位的精度。

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 (1)

1.一种基于等效声速梯度的长基线水声定位方法，采用长基线水声定位***，其包括安装在水面船只的处理及控制单元、安装在水面船只或水下机器人上的收发换能器以及布设在海底的由多个应答器组成的应答器基阵，所述收发换能器和应答器基阵上都安装有微型声速仪；

其特征在于：所述的基于等效声速梯度的长基线水声定位方法按照如下步骤进行：

步骤1：对布设在海底的应答器基阵进行绝对位置校准；

步骤2：通过处理及控制单元控制收发换能器和应答器基阵测量声波传播的往返时间t_i，通过处理及控制单元控制微型声速仪测量收发换能器的声速C₀和应答器的声速C′_0i；

步骤3：计算收发换能器到各个应答器的近似距离和目标近似坐标以及各个应答器到收发换能器的近似距离和目标近似坐标；具体包括如下步骤：

步骤3.1：利用历史声速剖面计算近似等效声速梯度g₀，设置搜索步长Δg，搜索等效声速梯度g_ij：

g_ij＝g₀+j·Δg (9)

式中，i为声线序号，j为搜索次数；

步骤3.2：利用g_ij以及测量得到的收发换能器的声速C₀、声波往返时间t_i，计算收发换能器到各个应答器的近似距离L_ij及目标近似坐标P_j(X_j,Y_j,Z_j)；

步骤3.3：根据声速剖面积分面积相等原则，通过公式(10)计算应答器到收发换能器的等效声速梯度g′_ij：

g′_ij＝g_ij-2(C′_0i-C₀)/(Z_i-Z_j) (10)

其中，C₀、C′_0i分别为通过微型声速仪测量得到的收发换能器和应答器的声速值，Z_i为应答器的深度值，Z_j为步骤3.2计算得到的目标近似坐标P_j(X_j,Y_j,Z_j)的深度值；

步骤3.4：利用计算得到的g′_ij以及测量得到的应答器的声速C′_0i、声波往返时间t_i，计算各个应答器到收发换能器的近似距离L′_ij及目标近似坐标P′_j(X′_j,Y′_j,Z′_j)；

步骤4：计算出准确的目标位置；具体包括如下步骤：

步骤4.1：根据计算出的收发换能器到各个应答器的距离L_ij以及各个应答器到收发换能器的距离L′_ij，令ΔL_ij＝|L_ij-L'_ij|；

步骤4.2：根据往返距离相等的原则，当ΔL_ij取最小值时的g_ij值即为实际等效声速梯度g_i值，即g_i＝g_ij，采用最小二乘法计算出准确的目标位置P(X,Y,Z)。