CN107505597A - 一种基于深度信息的超短基线定位***及方法 - Google Patents

一种基于深度信息的超短基线定位***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于深度信息的超短基线定位***及方法，该***包括超短基线平面阵、水下应答器、捷联惯导***和多普勒计程仪；超短基线平面阵为五元十字阵，安装在母船船底或者水面浮标底部，由四个接收水听器和一个发射换能器组成；水下应答器安装在水下移动目标载体上；超短基线平面阵和水下应答器均集成有压力传感器。***利用深度差信息代替传统的斜距信息求解水下应答器的空间位置，并结合复杂宽带编码的多普勒补偿与快速相关技术、基于多源信息融合的动态快速定位技术等，使得超短基线定位***在工作过程中无需时间同步，无需询问，大大简化了水下移动目标的定位过程，满足定位***低功耗、小型化、更新速率快的要求。

Description

一种基于深度信息的超短基线定位***及方法
技术领域
本发明涉及水声定位技术领域，尤其涉及一种基于深度信息的超短基线定位***及方法。
背景技术
海洋声学技术在水下目标探测、ROV导航、AUV作业、拖曳跟踪、资源勘探等领域一直发挥着重要作用，并且声波是水下设备进行远距离通信、定位、导航的唯一介质。水下声学定位***及方法的研究是海洋装备开发不可逾越的障碍，现有的声学定位***主要有长基线定位***、短基线定位***、超短基线定位***三种。长基线和短基线定位***相对于超短基线定位***来说，虽然定位精度高，但是布放和校正复杂、耗时多、缺乏灵活性。超短基线定位***的特点则是安装方便、操作简单、成本低廉、精度高，非常适用于水下目标的定位、跟踪、导航和通信。传统的超短基线定位***一般都是通过测量信号往返时间，获得斜距信息，最后给出待测目标的位置信息。但是在传统的超短基线定位方法中其询问应答的工作方式使得位置信息更新率低，并且往返时间的测量也会给定位精度带来一定的误差。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种免询问实时的基于深度信息的超短基线定位***及方法。
本发明的目的是采用实施以下技术方案实现的：一种基于深度信息的超短基线定位***，该***包括超短基线平面阵、水下应答器、捷联惯导***SINS和多普勒计程仪DVL；所述超短基线平面阵为五元十字阵，安装在母船船底或者水面浮标底部，由四个接收水听器和一个发射换能器组成，发射换能器位于平面十字阵的原点处，每条轴上以原点为中心对称安装两个接收水听器，所有接收水听器到原点距离相等；所述水下应答器安装在水下移动目标载体(包括水下ROV、AUV、UUV)上；所述超短基线平面阵和水下应答器均集成有压力传感器；所述四个接收水听器到原点的位置可任意扩展，以满足不同频率的接收信号；所述捷联惯导***SINS安装在水下移动目标载体上，获得速度、姿态(含航向角、纵倾角、横摇角)等信息；所述多普勒计程仪DVL安装在水下移动目标载体上，获得水下载体相对于海底的速度信息。
一种基于深度信息的超短基线定位方法，该方法包括以下步骤：
(1)在5000m作用距离、1000m深度范围内，水下应答器接收一次声学信号唤醒之后按预先设定的时间间隔发射声信号；水下应答器发射的信号为复杂宽带编码信号；
(2)超短基线平面阵上的四个接收水听器接收所述水下应答器发射的复杂宽带编码信号，通过宽带编码信号的多普勒补偿与快速相关技术，计算同轴的两个接收水听器接收到信号的时间差；根据时间差获得水下应答器的方位角；
(3)分别根据压力传感器获得超短基线平面阵和水下应答器的深度信息，从而得到超短基线平面阵和水下应答器的深度差信息；
(4)根据步骤(2)获得的方位角信息和步骤(3)获得的深度差信息，通过几何关系获得所述水下应答器的相对位置信息，实现免询问快速定位功能；
(5)根据水下移动目标载体上的捷联惯导***SINS获得速度、姿态(含航向角、纵倾角、横摇角)信息；
(6)根据水下移动目标载体上的多普勒计程仪DVL获得水下载体相对于海底的速度信息；
(7)利用卡尔曼滤波器融合步骤(4)获得的相对位置信息、步骤(5)获得的速度及姿态信息、步骤(6)获得的相对速度信息，然后经过航位推算实现水下移动目标载体的精确定位，并且其预期定位精度可以达到斜距的0.25％。
进一步地，所述步骤(4)得到水下应答器的相对位置信息后，还包括对相对位置信息进行修正的步骤，以提高超短基线在复杂浅海环境中的水下定位精度：
a)根据海洋环境效应分析结果及其环境自适应处理技术，抑制声波在传播过程中因折射、反射、散射等现象引起的不良影响；
b)根据复杂宽带编码信号进行多途信道估计；
c)根据RAKE接收、时间反转原理提高超短基线的水声信道适应能力。
本发明的有益效果在于：本发明在超短基线平面阵和水下应答器上都集成了压力传感器，利用压力传感器给出的深度信息代替传统的根据测量往返时间得到的斜距信息。该***还结合了复杂宽带编码的多普勒补偿与快速相关技术、基于多源信息融合的动态快速定位技术、基于多传感器协同的免校准技术，使得超短基线定位***在工作过程中无需时间同步，无需询问，大大简化了水下移动目标的定位过程，可以满足定位***低功耗、小型化、更新速率快的要求。
附图说明
图1为本发明的***总体框图；
图2为本发明的声学定位解算几何关系示意图；
图3(a)为本发明的X轴方位角解算的示意图；
图3(b)为本发明的Y轴方位角解算的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的一种基于深度信息的超短基线定位***，该***包括超短基线平面阵、水下应答器、捷联惯导***SINS和多普勒计程仪DVL；所述超短基线平面阵为五元十字阵，安装在母船船底或者水面浮标底部，由四个接收水听器和一个发射换能器组成，发射换能器位于平面十字阵的原点处，每条轴上以原点为中心对称安装两个接收水听器，所有接收水听器到原点距离相等；所述水下应答器安装在水下移动目标载体(包括水下ROV、AUV、UUV)上；所述超短基线平面阵和水下应答器均集成有压力传感器；所述四个接收水听器到原点的位置可任意扩展，以满足不同频率的接收信号；所述捷联惯导***SINS安装在水下移动目标载体上，获得速度、姿态(含航向角、纵倾角、横摇角)信息；所述多普勒计程仪DVL安装在水下移动目标载体上，获得水下载体相对于海底的速度信息。
一种基于深度信息的超短基线定位方法，该方法包括以下步骤：
(1)在5000m作用距离、1000m深度范围内，水下应答器接收一次声学信号唤醒之后按预先设定的时间间隔发射声信号；水下应答器发射的信号为复杂宽带编码信号；
(2)超短基线平面阵上的四个接收水听器接收所述水下应答器发射的复杂宽带编码信号，通过宽带编码信号的多普勒补偿与快速相关技术，计算同轴的两个接收水听器接收到信号的时间差；根据时间差获得水下应答器的方位角；
(3)分别根据压力传感器获得超短基线平面阵和水下应答器的深度信息，从而得到超短基线平面阵和水下应答器的深度差信息；
(4)根据步骤(2)获得的方位角信息和步骤(3)获得的深度差信息，通过几何关系获得所述水下应答器的相对位置信息，实现免询问快速定位功能；
(5)根据水下移动目标载体上的捷联惯导***SINS获得速度、姿态(含航向角、纵倾角、横摇角)信息；
(6)根据水下移动目标载体上的多普勒计程仪DVL获得水下载体相对于海底的速度信息；
(7)利用卡尔曼滤波器融合步骤(4)获得的相对位置信息、步骤(5)获得的速度及姿态信息、步骤(6)获得的相对速度信息，然后经过航位推算实现水下移动目标载体的精确定位，并且其预期定位精度可以达到斜距的0.25％。
进一步地，所述步骤(4)得到水下应答器的相对位置信息后，还包括对相对位置信息进行修正的步骤，以提高超短基线在复杂浅海环境中的水下定位精度：
a)根据海洋环境效应分析结果及其环境自适应处理技术，抑制声波在传播过程中因折射、反射等现象引起的不良影响；
b)根据复杂宽带编码信号进行多途信道估计；
c)根据RAKE、时间反转原理提高超短基线的水声信道适应能力。
如图1所示，在本实施例中，采用捷联惯导与多普勒计程仪的组合定位导航方法，捷联惯导测量获得的速度、姿态(含航向角、纵倾角、横摇角等)等信息与多普勒计程仪测量获得的水下载体与海底相对速度信息通过卡尔曼滤波器有机融合，为水下载体提供精确定位导航。并采用基于深度信息的超短基线定位方法为水下载体提供低功耗免询问定位导航技术。超短基线利用其自身获得方位信息并融合捷联惯导获得的精确姿态信息，通过动态滤波处理精确水下载体的位置。在此基础上，在本实施例中，还应用海洋环境效应分析结果及其环境自适应技术、复杂宽带编码信号的多普勒补偿及快速相关技术、多途信道估计技术，可显著提高对水下载体的定位精度。在本实施例中，水下载体的定位导航主要涉及到卫星导航、惯性导航与超短基线声学导航，卫星导航为水下载体提供水面初始位置，水下定位导航主要依靠超短基线与惯性导航，惯性导航使用高精度陀螺仪、加速度计与磁强计测量数据，通过姿态矩阵求解得到水下载体运动速度与航向姿态，然后通过卡尔曼滤波器联合超短基线的声学导航定位信息进行数据融合完成对水下载体的航位推算。
如图2所示，本实施例中，四个接收水听器分别位于1、2、3、4这四个位置。1号水听器和2号水听器的连线在X轴上，X轴的正方向由2号水听器指向1号水听器。3号水听器和4号水听器的连线在Y轴上，Y轴的正方向由3号水听器指向4号水听器。超短基线声阵坐标系的Z轴垂直于XY平面，方向向下。水下应答器位于6，为超短基线定位***的待定位点，假设其坐标为(x,y,z)。
声阵坐标系原点与水下应答器之间的连线为斜距R，斜距R与X轴之间的夹角为α，斜距R与Y轴之间的夹角为β，斜距R与Z轴之间的夹角为γ，它们之间的关系有：
cos2α+cos2β+cos2γ＝1
在声阵坐标系中，水下应答器在X轴方向的位置可以表示如下：
x＝Rcosα
在声阵坐标系中，水下应答器在Y轴方向的位置可以表示如下：
y＝Rcosβ
在声阵坐标系中，水下应答器在Z轴方向的位置可以表示如下：
z＝h＝H1-H2
其中，H1为水下应答器的深度信息，由水下应答器的集成压力传感器提供；H2为超短基线声阵的深度信息，由超短基线声阵的集成压力传感器提供。
由图2的几何关系可知：
假设，水下应答器发射的声信号在远场是以平面波的形式扩散，因此超短基线声阵中各水听器接收到的声信号可认为是平行入射。
在图3(a)***用于测量方位角的示意图中，由几何关系可知：
其中，c为水中声速，τ12为水声信号到达1号水听器和2号水听器的时间差，d为两水听器之间的间距。同理：
其中，c为水中声速，τ34为水声信号到达3号水听器和4号水听器的时间差，d为两水听器之间的间距。

Claims (3)

1.一种基于深度信息的超短基线定位***，其特征在于，该***包括超短基线平面阵、水下应答器、捷联惯导***SINS和多普勒计程仪DVL；所述超短基线平面阵为五元十字阵，安装在母船船底或者水面浮标底部，由四个接收水听器和一个发射换能器组成，发射换能器位于平面十字阵的原点处，每条轴上以原点为中心对称安装两个接收水听器，所有接收水听器到原点距离相等；所述水下应答器安装在水下移动目标载体上；所述超短基线平面阵和水下应答器均集成有压力传感器；所述捷联惯导***SINS安装在水下移动目标载体上，获得速度、姿态信息；所述多普勒计程仪DVL安装在水下移动目标载体上，获得水下载体相对于海底的速度信息。
2.一种应用权利要求1所述***的超短基线定位方法，其特征在于，包括：
(1)在5000m作用距离、1000m深度范围内，水下应答器接收一次声学信号唤醒之后按预先设定的时间间隔发射声信号；水下应答器发射的信号为复杂宽带编码信号；
(2)超短基线平面阵上的四个接收水听器接收所述水下应答器发射的复杂宽带编码信号，通过宽带编码信号的多普勒补偿与快速相关技术，计算同轴的两个接收水听器接收到信号的时间差；根据时间差获得水下应答器的方位角；
(3)分别根据压力传感器获得超短基线平面阵和水下应答器的深度信息，从而得到超短基线平面阵和水下应答器的深度差信息；
(4)根据步骤(2)获得的方位角信息和步骤(3)获得的深度差信息，通过几何关系获得所述水下应答器的相对位置信息，实现免询问快速定位功能；
(5)根据水下移动目标载体上的捷联惯导***SINS获得速度、姿态信息；
(6)根据水下移动目标载体上的多普勒计程仪DVL获得水下载体相对于海底的速度信息；
(7)利用卡尔曼滤波器融合步骤(4)获得的相对位置信息、步骤(5)获得的速度及姿态信息、步骤(6)获得的相对速度信息，然后经过航位推算实现水下移动目标载体的精确定位。
3.根据权利要求2所述的超短基线定位方法，其特征在于，所述步骤(4)得到水下应答器的相对位置信息后，还包括对相对位置信息进行修正的步骤，以提高超短基线在复杂浅海环境中的水下定位精度：
a)根据海洋环境效应分析结果及其环境自适应处理技术，抑制折射、反射、散射等现象引起的不良影响；
b)根据复杂宽带编码信号进行多途信道估计；
c)根据RAKE接收、时间反转原理提高超短基线的水声信道适应能力。
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