CN105738869B - 一种适用于单水听器的深水信标搜索定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于单水听器的深水信标搜索定位方法，该方法采用单基元水听器接收水下信标发出的信号；包括：计算接收点由A₁运动到A₂的时间段内，信标回波信号的脉冲间隔的变化量这一时间段内的声传播距离；计算接收点由A₁运动到A₃的时间段内，信标回波信号的脉冲间隔的变化量这一时间段内的声传播距离；计算水下信标的位置。

Description

一种适用于单水听器的深水信标搜索定位方法

技术领域

本发明涉及水下信标搜索定位技术，特别涉及一种适用于单水听器的深水信标搜索定位方法。

背景技术

近年来，随着世界民用航空规模的日益增长，民航飞机的空难事故频次不断增多。为调查空难原因，空难后搜寻、打捞记录着重要航行数据和语音信息的“黑匣子”是一项极其关键工作。飞机在海上失事后，“黑匣子”配置的水声信标遇水会自动开启，不断发射固定间隔的脉冲信号，水声信标启动后可连续工作30天，之后声源级会不断降低最终不能发声。如何利用信标信号在有效期内快速搜寻定位“黑匣子”，是搜救任务的重要内容。

为提高探测效率，需要采用深拖技术使接收换能器穿过跃变层，尽量的接近海底以提高探测距离。常规的水下信标定位技术(包括基于长基线定位、短基线定位以及超短基线定位)，由于需要辅助姿态测量设备在这种条件下并不适用。此外，基于矢量传感器的矢量定位技术需要定点测量，搜索效率低下；基于阵列指向性的纯方位式交汇技术，由于指向性的影响搜索面积小，影响探测效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的水下信标定位技术搜索效率低、搜索面积小等缺陷，从而提供一种利用单个无指向性水听器实现深水条件下的水下信标搜索定位的方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种适用于单水听器的深水信标搜索定位方法，该方法采用单基元水听器接收水下信标发出的信号；该方法包括：

步骤1)、计算接收点由A₁运动到A₂的时间段内，信标回波信号的脉冲间隔的变化量这一时间段内的声传播距离；其中，A₁、A₂为带有接收换能器的航行器的一条航迹中的任意两个点；

步骤2)、计算接收点由A₁运动到A₃的时间段内，信标回波信号的脉冲间隔的变化量这一时间段内的声传播距离；其中，A₃为带有接收换能器的航行器的一条航迹中的不同于A₁、A₂的其他任意一个点；

步骤3)、结合步骤1)和步骤2)的计算结果，计算水下信标的位置。

上述技术方案中，所述步骤1)进一步包括：

步骤1-1)、记录接收点由A₁运动到A₂的总耗时，记为t_s；

步骤1-2)、记录接收点由A₁运动到A₂的时间段内，持续接收到信标回波的个数n，进一步计算接收到的信标回波的脉冲间隔T′为：T′＝t_s/n；

步骤1-3)、计算接收点由A₁运动到A₂的时间段内，信标回波信号的脉冲间隔的变化量Δt₁₂：Δt₁₂＝T′-T；其中，T为声信标发射信号的脉冲间隔，该值为已知量；

步骤1-4)、计算接收点由A₁运动到A₂的时间段内，信标回波信号的脉冲间隔的变化量Δt₁₂这一时间段内的声传播距离Δt₁₂c；其中，c表示信标回波信号在水中的传播速度。

上述技术方案中，所述步骤3)进一步包括：

步骤3-1)、根据几何原理，时间差Δt₁₂内声传播的距离为信标到两个接收点A₁A₂的距离差，满足如下方程：

其中，该公式中x₁、y₁为A₁的横、纵坐标；x₂、y₂为A₂的横、纵坐标；

步骤3-2)、时间差Δt₁₃内声传播的距离为信标到两个接收点A₁A₃的距离差，满足如下方程：

其中，Δt₁₃为由A₁运动到A₃的时间段内，信标回波信号的脉冲间隔的变化量，x₃、y₃为A₃的横、纵坐标；

步骤3-3)、联立步骤3-1)与步骤3-2)所得到的两个方程，计算出水下信标的位置(x,y)。

本发明的优点在于：

1)利用单基元水听器实现定位，而且不需要姿态辅助测量设备，***实现简单，体积小、重量轻，易于实现大深度拖曳；

2)采用无指向水听器，搜索面积广、效率高。

附图说明

图1是水下信标与接收点之间位置关系的示意图；

图2是采用本发明的水下信标搜索定位方法的实测图；

图3是本发明方法经过误差传递曲线分析所得到的定位精度空间分布规律，其中图3(a)为X定位误差的空间分布示意图，图3(b)为X定位误差的空间分布示意图；

图4是本发明方法的流程图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本领域的技术人员知道：信标的发射信号的脉冲间隔是固定的，但是在走航式测量中，两个接收点之间接收到的发射信号的脉冲间隔会发生变化，这个变化量可以反映接收点与信标之间位置的变化。根据这一原理，本发明的水下信标搜索定位方法利用信标发射周期信号的特点，通过接收水听器的运动，利用不同接收点之间接收到的信号时间差实现目标位置解算。

下面结合附图对本发明的方法做详细说明。

如图1所示，图中的点M表示水下信标，图中的点A₁、A₂、A₃为带有接收换能器的航行器的一条航迹中的任意三个点。

参考图4，本发明的水下信标搜索定位方法采用如下步骤实现对水下信标M的定位：

步骤1)、计算接收点由A₁运动到A₂的时间段内，信标回波信号的脉冲间隔的变化量这一时间段内的声传播距离。

该步骤可进一步包括：

步骤1-1)、记录接收点由A₁运动到A₂的总耗时，记为t_s；在本步骤中，为了保证时间计算的精度，在记录航行器到达接收点的时间时可采用GPS时间或导航***时间；

步骤1-2)、记录接收点由A₁运动到A₂的时间段内，持续接收到信标回波的个数n，进一步计算接收到的信标回波的脉冲间隔T′为：T′＝t_s/n；

步骤1-3)、计算接收点由A₁运动到A₂的时间段内，信标回波信号的脉冲间隔的变化量Δt₁₂；

脉冲间隔的变化量的计算公式为：Δt₁₂＝T′-T；其中，T为声信标发射信号的脉冲间隔，该值为已知量，可根据信标的型号具体查询；

步骤1-4)、计算接收点由A₁运动到A₂的时间段内，信标回波信号的脉冲间隔的变化量Δt₁₂这一时间段内的声传播距离Δt₁₂c；其中，c表示信标回波信号在水中的传播速度。

步骤2)、计算接收点由A₁运动到A₃的时间段内，信标回波信号的脉冲间隔的变化量这一时间段内的声传播距离；

参考步骤1)的具体实现步骤，可计算出接收点由A₁运动到A₃的时间段内，信标回波信号的脉冲间隔的变化量Δt₁₃这一时间段内的声传播距离Δt₁₃c。

步骤3)、由步骤1)得到的接收点由A₁运动到A₂的时间段内，信标回波信号的脉冲间隔的变化量这一时间段内的声传播距离，以及步骤2)得到的接收点由A₁运动到A₃的时间段内，信标回波信号的脉冲间隔的变化量这一时间段内的声传播距离，计算水下信标的位置。

根据几何原理，时间差Δt₁₂内声传播的距离为信标到两个接收点A₁A₂的距离差，满足如下方程：

其中，该公式中x₁、y₁为A₁的横、纵坐标；x₂、y₂为A₂的横、纵坐标。

类似的，时间差Δt₁₃内声传播的距离为信标到两个接收点A₁A₃的距离差，满足如下方程：

其中，x₃、y₃为A₃的横、纵坐标。

由于Δt₁₂c与Δt₁₃c的大小在之前的步骤1)和步骤2)中已经得到，x₁、y₁、x₂、y₂、x₃、y₃可通过诸如卫星定位的方式得到，因此通过联立上述两个方程可以完整计算出水下信标的位置(x,y)。

图2为采用本发明的水下信标搜索定位方法的实测图。在实测中，测量点坐标分别为(0，0)、(0，3000)、(0，6000)；信标位于(1500，1000)。当位置坐标误差0.1m，测时误差0.1s时，多次定位结果如图2所示。从该图中可以看出，测量结果与实际结果十分符合。

图3为本发明方法经过误差传递曲线分析所得到的定位精度空间分布规律，其中图3(a)为X定位误差的空间分布示意图，图3(b)为X定位误差的空间分布示意图。从图中可以看出在600m范围内，定位精度小于600m。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种适用于单水听器的深水信标搜索定位方法，该方法采用单基元水听器接收水下信标发出的信号；该方法包括：

步骤1)、计算接收点由A₁运动到A₂的时间段内，信标回波信号的脉冲间隔的变化量Δt₁₂这一时间段内的声传播距离；其中，A₁、A₂为带有所述单基元水听器的航行器的一条航迹中的任意两个点；Δt₁₂＝T′-T；其中，T为所述水下信标发射信号的脉冲间隔，该值为已知量；T’为信标回波的脉冲间隔；

步骤2)、计算接收点由A₁运动到A₃的时间段内，信标回波信号的脉冲间隔的变化量这一时间段内的声传播距离；其中，A₃为带有所述单基元水听器的航行器的一条航迹中的不同于A₁、A₂的其他任意一个点；

步骤3)、结合步骤1)和步骤2)的计算结果，计算水下信标的位置。

2.根据权利要求1所述的适用于单水听器的深水信标搜索定位方法，其特征在于，所述步骤1)进一步包括：

步骤1-1)、记录接收点由A₁运动到A₂的总耗时，记为t_s；

步骤1-2)、记录接收点由A₁运动到A₂的时间段内，持续接收到信标回波的个数n，进一步计算接收到的信标回波的脉冲间隔T′为：T′＝t_s/n；

步骤1-3)、计算接收点由A₁运动到A₂的时间段内，信标回波信号的脉冲间隔的变化量Δt₁₂：Δt₁₂＝T′-T；其中，T为所述水下信标发射信号的脉冲间隔，该值为已知量；

步骤1-4)、计算接收点由A₁运动到A₂的时间段内，信标回波信号的脉冲间隔的变化量Δt₁₂这一时间段内的声传播距离Δt₁₂c；其中，c表示信标回波信号在水中的传播速度。

3.根据权利要求2所述的适用于单水听器的深水信标搜索定位方法，其特征在于，所述步骤3)进一步包括：

步骤3-1)、根据几何原理，Δt₁₂内声传播的距离为水下信标到两个接收点A₁A₂的距离差，满足如下方程：

<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;t</mi> <mn>12</mn> </msub> <mi>c</mi> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>y</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>-</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>;</mo> </mrow>

其中，该公式中x₁、y₁为A₁的横、纵坐标；x₂、y₂为A₂的横、纵坐标；

步骤3-2)、Δt₁₃内声传播的距离为水下信标到两个接收点A₁A₃的距离差，满足如下方程：

<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;t</mi> <mn>13</mn> </msub> <mi>c</mi> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>y</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>-</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>-</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>y</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>-</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>;</mo> </mrow>

其中，Δt₁₃为由A₁运动到A₃的时间段内，水下信标回波信号的脉冲间隔的变化量，x₃、y₃为A₃的横、纵坐标；

步骤3-3)、联立步骤3-1)与步骤3-2)所得到的两个方程，计算出水下信标的位置(x,y)。