CN106526598A - 侧扫声纳水下高精度定位***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种侧扫声纳水下高精度定位***及方法，该***包括测量船、拖鱼和超短基线定位模块，所述测量船上设有GPS单元和控制单元，所述控制单元分别连接所述GPS单元和超短基线定位模块；所述超短基线定位模块用以确定所述拖鱼或其上特定部件相对于所述测量船的相对三维位置坐标；所述控制单元用以：利用所述GPS单元确定所述测量船的位置坐标；依据所述相对三维位置坐标和测量船的位置坐标，对所述拖鱼进行定位，得到定位信息。

Description

侧扫声纳水下高精度定位***及方法
技术领域
本发明涉及水下定位领域，尤其涉及一种侧扫声纳水下高精度定位***及方法。
背景技术
侧扫声呐具有高分辨率及实时图像显示功能，能较准确地判别海底目标特征，探明障碍物的形状、大小、出露高度、大致性质和海底底质类型概况,其在施工检测方面扮演着非常重要的角色。
目前，用于水下目标扫测的侧扫声纳多采用船尾拖曳式，拖曳绳索的长度根据水深的不同有5m、20m、50m也可能更长，这种作业方式无法实时获取水下拖鱼的动态位置，多通过与GPS天线的相对关系采用经验性的简单估算来确定侧扫声纳水下拖鱼的位置，这种方式所扫测的水下目标的定位精度不可能很高，加之受风浪、水流作用，用于侧扫作业的拖鱼会在水中做无规则的运动，最终导致测量定位的精度要在1米或数米以上，无法满足实际的生产需要，往往还需要采用其它的测量技术手段进一步确认，这就会造成经济与时间成本的浪费，如何提高拖鱼的定位精度是一个难点。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种侧扫声纳水下高精度定位***，包括测量船、拖鱼和超短基线定位模块，所述测量船上设有GPS单元和控制单元，所述控制单元分别连接所述GPS单元和超短基线定位模块；
所述超短基线定位模块用以确定所述拖鱼或其上特定部件相对于所述测量船的相对三维位置坐标；
所述控制单元用以：
利用所述GPS单元确定所述测量船的位置坐标；
依据所述相对三维位置坐标和测量船的位置坐标，对所述拖鱼进行定位，得到定位信息。
可选的，所述超短基线定位模块包括设于所述测量船的发射接收单元以及设于所述拖鱼上的水下应答信标；
所述发射接收单元与水下应答信标通讯，进而：
所述发射接收单元用以：
发出声波信号，并接收所述水下应答信标反馈的回声信号；
通过所述回声信号确定所述水下应答信标相对所述发射接收单元的斜距值，进而得到所述水下应答信标相对于所述发射接收单元的所述相对三维坐标位置；
所述控制单元还用以：
依据所述相对三维坐标位置和测量船的位置坐标，确定所述水下应答信标的位置，进而对所述拖鱼进行定位，得到定位信息。
可选的，所述发射接收单元包括声波发射模块、声波接收模块，分别用以发射声波至所述水下定位信标，以及接收自所述水下定位信标反馈而来的回声信号。
可选的，所述发射接收单元还包括用以确定自身方向信息的磁罗盘和确定自身姿态信息的姿态传感器，所述水下应答信标相对于所述发射接收单元的相对三维坐标位置依据所述自身方向信息、自身姿态信息以及所述斜距值得到。
可选的，所述水下应答信标设于所述拖鱼的中心位置。
可选的，所述拖鱼上设有连杆结构，所述测量船与连杆结构之间通过拖缆连接，且使得所述水下应答信标能够绕所述拖鱼的中心转动，其中，转动角度不超出预设值的范围。
本发明还提供了一种侧扫声纳水下高精度定位方法，包括如下步骤：
S0：提供测量船、拖鱼以及超短基线定位模块，所述测量船上设有GPS单元；
S1：利用所述超短基线定位模块确定所述拖鱼或拖鱼上特定部件相对所述测量船的相对三维坐标位置；
S2：依据所述相对三维位置坐标以及所述GPS单元确定所述测量船的位置坐标，对所述拖鱼进行定位，得到定位信息。
可选的，所述超短基线定位模块包括设于所述测量船的发射接收单元以及设于所述拖鱼上的水下应答信标；步骤S1具体包括：
S11：所述发射接收单元发出声波信号，并接收所述水下应答信标反馈的回声信号；
S12：通过所述回声信号确定所述水下应答信标相对所述发射接收单元的斜距值，进而得到所述水下应答信标相对于所述发射接收单元的所述相对三维坐标位置。
可选的，在所述步骤S3后，还包括：将步骤S2定位的结果与RTK测量***的定位结果相比对，验证定位精度。
可选的，在所述步骤S3后，还包括：将所得到的定位信息进行坐标转换，以得到符合施工要求的坐标数据。
本发明创新性地提出将超短基线接入侧扫声纳，两种***有效集成，可实时测量水下拖鱼的动态位置。侧扫作业时，将信标直接固定在拖鱼上，通过超短基线发射接收单元接受固定在拖鱼中心信标的定位信息，从而为拖鱼提供的精确定位信息。目标的坐标位置不再直接由GPS提供，而是利用超短基线测量来提供，测量位置的精度主要取决于超短基线的测量精度。
附图说明
图1是现有技术中侧扫声纳定位的示意图；
图2是本发明一可选实施例中侧扫声纳水下高精度定位***的示意图；
图3是本发明一可选实施例中水下应答信标的安装示意图；
图4是本发明可选实施例中定位结果与现有技术中定位结果的比较示意图；
图中，1-测量船；2-拖鱼；3-GPS单元；4-发射接收单元；5-水下应答信标；6-。
具体实施方式
以下将结合图1至图3对本发明提供的侧扫声纳水下高精度定位***进行详细的描述，其为本发明可选的实施例，可以认为，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。
请参考图1至图3，本发明提供了一种侧扫声纳水下高精度定位***，包括测量船1、拖鱼2和超短基线定位模块，所述测量船1上设有GPS单元3和控制单元，所述控制单元分别连接所述GPS单元3和超短基线定位模块；
所述超短基线定位模块用以确定所述拖鱼2或其上特定部件相对于所述测量船1的相对三维位置坐标；
所述控制单元用以：
利用所述GPS单元3确定所述测量船1的位置坐标；
依据所述相对三维位置坐标和测量船1的位置坐标，对所述拖鱼2进行定位，得到定位信息。
有关所述超短基线定位模块：
所述超短基线定位模块包括设于所述测量船1的发射接收单元4以及设于所述拖鱼2上的水下应答信标5；
所述发射接收单元4与水下应答信标5通讯，进而：
所述发射接收单元4用以：
发出声波信号，并接收所述水下应答信标5反馈的回声信号；
通过所述回声信号确定所述水下应答信标5相对所述发射接收单元4的斜距值，进而得到所述水下应答信标5相对于所述发射接收单元4的所述相对三维坐标位置；也可描述为：发射接收单元4接收来自水下应答信标5发出的信号，测出发射接收单元4与信标的斜距值，通过相应的短基线解算关系获得信标相对基阵的三维位置坐标。
在超短基线定位模块的安装中，重点是对发射接收单元4的探头的安装，由于其作用是信号的发射接收，探头的安装要牢固、稳定，在距离发动机较远、噪声较小的地方。安装好后，接收固定在拖鱼2上的信标所发出的回声信号进行定位。
所述控制单元还用以：
依据所述相对三维坐标位置和测量船1的位置坐标，确定所述水下应答信标5的位置，进而对所述拖鱼2进行定位，得到定位信息。
所述发射接收单元4包括声波发射模块、声波接收模块，分别用以发射声波至所述水下定位信标，以及接收自所述水下定位信标反馈而来的回声信号。
本发明可选的实施例中，，所述发射接收单元4还包括用以确定自身方向信息的磁罗盘和确定自身姿态信息的姿态传感器，所述水下应答信标5相对于所述发射接收单元4的相对三维坐标位置依据所述自身方向信息、自身姿态信息以及所述斜距值得到。内置了磁罗盘和姿态传感器.
本发明优选的实施例中，所述水下应答信标5设于所述拖鱼2的中心位置。进一步可选的方案中，所述拖鱼上设有连杆结构，所述测量船1与连杆结构之间通过拖缆6连接，且使得所述水下应答信标5能够绕所述拖鱼2的中心转动，其中，转动角度不超出预设值的范围。具体来说，为不影响侧扫拖鱼测量时的姿态并保证定位数据信息充分反映拖鱼的真实位置，水下信标采用活节固定方式安装在拖鱼与拖缆相连杆上，侧扫作业时，将信标随连杆直接固定在沿拖鱼中心位置小幅转动，可实时准确反映出拖鱼的实际位置。
请参考图3，所述连杆结构包括拖缆连接部7、旋转部8、以及基础部9，所述基础部9固定设于所述拖鱼2，所述拖缆连接部7连接所述拖缆6，所述拖缆连接部7通过所述旋转部8绕所述基础部9旋转，所述水下应答信标5安装于所述拖缆连接部7。
再进一步可选的实施例中，所述旋转部8的一端绕所述基础部9旋转，所述基础部9上设有旋转限位件(图未示)，进而使得所述旋转部8的旋转角度不超出预设值的范围。具体的限位手段，本领域以及相近领域中存在诸多可选方案，故而即使不做具体展开，也不存在公开不充分的情况。
本发明还提供了一种侧扫声纳水下高精度定位方法，包括如下步骤：
S0：提供测量船1、拖鱼2以及超短基线定位模块，所述测量船1上设有GPS单元3；
S1：利用所述超短基线定位模块确定所述拖鱼2或拖鱼2上特定部件相对所述测量船1的相对三维坐标位置；
本发明进一步可选的实施例中，所述超短基线定位模块包括设于所述测量船1的发射接收单元4以及设于所述拖鱼2上的水下应答信标5；步骤S1具体包括：
S11：所述发射接收单元4发出声波信号，并接收所述水下应答信标5反馈的回声信号；
S12：通过所述回声信号确定所述水下应答信标5相对所述发射接收单元4的斜距值，进而得到所述水下应答信标5相对于所述发射接收单元4的所述相对三维坐标位置。
S2：依据所述相对三维位置坐标以及所述GPS单元3确定所述测量船1的位置坐标，对所述拖鱼2进行定位，得到定位信息。
可选的，在所述步骤S3后，还包括：将步骤S2定位的结果与RTK测量***的定位结果相比对，验证定位精度。具体来说，可以进行相应的坐标比对工作，利用超短基线测量***、RTK-DGPS测量***同步测量同一个信标点的坐标，比较两者互差，验证接入超短基线后的侧扫定位精度。
可选的，在所述步骤S3后，还包括：将所得到的定位信息进行坐标转换，以得到符合施工要求的坐标数据。即，可将测量定位信息输入到侧扫软件控制***中，***将数据进行坐标转换形成符合施工要求的坐标数据。
此外，还需指出，为提高水下信标定位数据与侧扫声呐的集成应用，开发了数据筛选、平滑拟合及格式转换软件，确保为侧扫提供最可靠的水下目标数据，通过现场测试验证，数据的稳定性和可靠性较高，没有出现因水中杂质影响而产生虚假定位信息通过超短基线发射接收机接受固定在拖鱼中心信标的定位信息，从而为拖鱼提供的精确定位信息。
换言之，在所述步骤S11、S12以及S2中，还可分别包括对所测得数据以及得到的数据进行筛选的过程，其可排除非正常数据，比如超出理论可能值的数据，然后以筛选后的数据进入后续步骤，在所述步骤S3中，还包括依据定位信息得到轨迹曲线，并对轨迹曲线进行平滑拟合的过程。
在具体实施过程中，可沿该计划线进行往返测量各一次。在测量过程中，由测量人员以人工RTK测量的方式，进行码头桩基数据的采集。通过处理获取码头桩基的位置坐标，与相同测量部位的人工RTK定位数据进行比对，比对差值均在20cm左右；而不接入超短基线，采用传统拖拽GPS定位方式，获得的码头桩基位置坐标与人工RTK测量数据比对，差值在1.8m左右，证明该***有效提高探明水下障物的定位精度。
在另一具体实施的过程中，分别采用传统拖拽方式和接入超短基线定位，沿着水下齿形构件扫测，选取沿同一条测线、相同航向的测线文件的数据成果，进行比对，比对共计点数41个。
采用传统拖拽方式和GPS定位的数据与齿形构件实际坐标比较，差值较大，最大达3m，而采用超短基线定位方式测得的数据与齿形构件实际坐标比较，差值不超过0.4m。
可见，采用基于超短基线水下定位技术的侧扫声呐测量***，比较完整、准确地解决了拖鱼2定位精度问题。
综上所述，本发明创新性地提出将超短基线接入侧扫声纳，两种***有效集成，可实时测量水下拖鱼的动态位置。侧扫作业时，将信标直接固定在拖鱼上，通过超短基线发射接收单元接受固定在拖鱼中心信标的定位信息，从而为拖鱼提供的精确定位信息。目标的坐标位置不再直接由GPS提供，而是利用超短基线测量来提供，测量位置的精度主要取决于超短基线的测量精度。

Claims (10)

1.一种侧扫声纳水下高精度定位***，其特征在于：包括测量船、拖鱼和超短基线定位模块，所述测量船上设有GPS单元和控制单元，所述控制单元分别连接所述GPS单元和超短基线定位模块；
所述超短基线定位模块用以确定所述拖鱼或其上特定部件相对于所述测量船的相对三维位置坐标；
所述控制单元用以：
利用所述GPS单元确定所述测量船的位置坐标；
依据所述相对三维位置坐标和测量船的位置坐标，对所述拖鱼进行定位，得到定位信息。
2.如权利要求1所述的侧扫声纳水下高精度定位***，其特征在于：所述超短基线定位模块包括设于所述测量船的发射接收单元以及设于所述拖鱼上的水下应答信标；
所述发射接收单元与水下应答信标通讯，进而：
所述发射接收单元用以：
发出声波信号，并接收所述水下应答信标反馈的回声信号；
通过所述回声信号确定所述水下应答信标相对所述发射接收单元的斜距值，进而得到所述水下应答信标相对于所述发射接收单元的所述相对三维坐标位置；
所述控制单元还用以：
依据所述相对三维坐标位置和测量船的位置坐标，确定所述水下应答信标的位置，进而对所述拖鱼进行定位，得到定位信息。
3.如权利要求2所述的侧扫声纳水下高精度定位***，其特征在于：所述发射接收单元包括声波发射模块、声波接收模块，分别用以发射声波至所述水下定位信标，以及接收自所述水下定位信标反馈而来的回声信号。
4.如权利要求2或3所述的侧扫声纳水下高精度定位***，其特征在于：所述发射接收单元还包括用以确定自身方向信息的磁罗盘和确定自身姿态信息的姿态传感器，所述水下应答信标相对于所述发射接收单元的相对三维坐标位置依据所述自身方向信息、自身姿态信息以及所述斜距值得到。
5.如权利要求1所述的侧扫声纳水下高精度定位***，其特征在于：所述水下应答信标设于所述拖鱼的中心位置。
6.如权利要求5所述的侧扫声纳水下高精度定位***，其特征在于：所述拖鱼上设有连杆结构，所述测量船与连杆结构之间通过拖缆连接，且使得所述水下应答信标能够绕所述拖鱼的中心转动，其中，转动角度不超出预设值的范围。
7.一种侧扫声纳水下高精度定位方法，其特征在于：包括如下步骤：
S0：提供测量船、拖鱼以及超短基线定位模块，所述测量船上设有GPS单元；
S1：利用所述超短基线定位模块确定所述拖鱼或拖鱼上特定部件相对所述测量船的相对三维坐标位置；
S2：依据所述相对三维位置坐标以及所述GPS单元确定所述测量船的位置坐标，对所述拖鱼进行定位，得到定位信息。
8.如权利要求7所述的侧扫声纳水下高精度定位方法，其特征在于：所述超短基线定位模块包括设于所述测量船的发射接收单元以及设于所述拖鱼上的水下应答信标；步骤S1具体包括：
S11：所述发射接收单元发出声波信号，并接收所述水下应答信标反馈的回声信号；
S12：通过所述回声信号确定所述水下应答信标相对所述发射接收单元的斜距值，进而得到所述水下应答信标相对于所述发射接收单元的所述相对三维坐标位置。
9.如权利要求7所述的侧扫声纳水下高精度定位方法，其特征在于：在所述步骤S3后，还包括：将步骤S2定位的结果与RTK测量***的定位结果相比对，验证定位精度。
10.如权利要求7所述的侧扫声纳水下高精度定位方法，其特征在于：在所述步骤S3后，还包括：将所得到的定位信息进行坐标转换，以得到符合施工要求的坐标数据。
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