CN108562872B - 一种超短基线水下声学定位校准时异常值探测的方法 - Google Patents

一种超短基线水下声学定位校准时异常值探测的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超短基线水下声学定位校准时异常值探测的方法，属于海洋资源探测技术领域，本发明一种超短基线水下声学定位校准时异常值探测的方法，具有普适特性，应用该方法可以探测超短基线校准声学坐标异常值，既考虑了校准时船以近似圆形轨迹行驶，又结合了最小二乘法所具有的稳健统计数学特征，能较好的探测声学坐标异常值，是一种声学坐标异常值的稳定性探测方法。

Description

一种超短基线水下声学定位校准时异常值探测的方法
技术领域
本发明属于海洋资源探测技术领域，具体涉及一种超短基线水下声学定位校准时异常值探测的方法。
背景技术
近年来，随着海洋科学研究和海洋勘探开发活动对数据的精度要求越来越高，需要对水下工作的拖体(声纳拖鱼、水下机器人等)进行精确定位。当前主要采用两种手段进行水下定位，一种是LAYBACK方式，方法较简单，但定位效果不理想，主要由于拖体与GPS天线的方位和距离偏差受船速、航向和流速等因素影响较大；另一种是利用水声技术进行水下定位，可以达到较高的精度要求。高精度水下声学定位***是许多高新技术的集成，根据基线长度的不同以及工作原理和作用范围的区别，可以分为长基线(long base line)、短基线(short base line)和超短基线(ultra short base line，简称USBL)3种定位技术。长基线方法定位精度高，但设备庞大，布放过程复杂；短基线定位方法的设备和布放较简单，但精度不高；超短基线水声定位***以其成本低、便携性强、灵活性高和操作简单等优点，在海洋工程、海洋矿产资源、水下考古、海洋国防建设等领域中得到了广泛的应用。由于超短基线定位存在一定的偏差而影响水下目标定位的精度，因此，开展超短基线水下定位***定位数据的校正和处理，对于提高水下目标定位的精度具有重要的意义。
影响超短基线定位精度的因素是多方面的，主要有：电罗经测定船艏向的误差、船载GPS定位误差、超短基线测角误差、换能器安装时存在的***误差，声速测定误差以及由此导致的测距误差。除此而外，信号在水中传播会受到海洋环境的干扰，波浪引起的船姿态的偏差，也会导致误差的出现。
而换能器安装时存在的***误差，主要由于水声传感器、姿态传感器和GPS传感器的坐标***不重合，它们之间存在平移和旋转等***偏差，这些***偏差是导致超短基线定位误差的一个重要原因。因此，在使用超短基线定位前，需要对超短基线定位***进行有效地校准，以提高定位精度。然而，由于多种环境的影响，导致超短基线水下声学定位数据可能存在各种误差，特别是一些异常值的出现，可能导致许多校准算法失效，从而难以提高校准精度。在校准过程中，对于异常值的出现，可以利用超短基线安装误差校准观测方程的系数矩阵计算奇异值的特征矩阵，从奇异特征矩阵中提取出奇异值的特征值，据此判断特征值对应的数据是否存在奇异。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种超短基线水下声学定位校准时异常值探测的方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超短基线水下声学定位校准时异常值探测的方法，包括以下步骤：
步骤1：计算船坐标系下的应答器坐标
假设航向偏移量Δα、纵摇偏移量Δβ和横滚偏移量Δγ均为0的前提下，根据换能器坐标系与船坐标系之间的转换矩阵，计算应答器在船坐标系下的坐标P船；
Figure GDA0002413595940000021
Figure GDA0002413595940000022
Figure GDA0002413595940000023
P船＝TΔα·TΔβ·TΔγ·P换 (4)；
其中，TΔγ为应答器在换能器坐标系下的坐标绕X换轴旋转Δγ角的转换矩阵，TΔβ为应答器在换能器坐标系下的坐标绕Y换轴旋转Δβ角的转换矩阵，TΔα为应答器在换能器坐标系下的坐标绕Z换轴旋转Δα角的转换矩阵；P船为应答器在船坐标系下的坐标，
Figure GDA0002413595940000024
P换为应答器在换能器坐标系下的坐标，
Figure GDA0002413595940000025
步骤2：计算大地坐标系下的应答器坐标
根据姿态传感器获取的航向角α、纵摇角β和横滚角γ三轴姿态参数，利用船坐标系与大地坐标系之间的转换矩阵，计算应答器在大地坐标系下的坐标；
Figure GDA0002413595940000026
Figure GDA0002413595940000031
Figure GDA0002413595940000032
P地＝Tα·Tβ·Tγ·P船 (8)；
其中，Tγ为应答器在船坐标系下的坐标绕X船轴旋转γ角的转换矩阵，Tβ为应答器在船坐标系下的坐标绕Y船轴旋转β角的转换矩阵，Tα为应答器在船坐标系下的坐标绕Z船轴旋转α角的转换矩阵；P船为应答器在船坐标系下的坐标，
Figure GDA0002413595940000033
P地为应答器在大地坐标系下的坐标，
Figure GDA0002413595940000034
步骤3：将应答器在大地坐标系下的坐标和船运行轨迹的GPS大地坐标通过高斯变换，转换为高斯平面直角坐标系下的坐标；
步骤4：平移船运行轨迹的GPS大地坐标
求取应答器在高斯平面直角坐标系下的坐标的平均值，将应答器在高斯平面直角坐标系下的坐标的平均值作为应答器的实际坐标，以应答器在高斯平面直角坐标系下的坐标的平均值作为新的坐标系原点，将船运行轨迹的GPS大地坐标分别沿x、y和z轴平移，得到以应答器的实际坐标为圆心的近似圆；
步骤5：求取船运行轨迹的半径
通过步骤3中的高斯平面直角坐标系下的坐标，利用最小二乘法，拟合船轨迹，得到拟合圆的圆心和半径；
步骤6：求距离误差的标准差
根据船的平面位置坐标计算与拟合圆的圆心的平面距离，计算该平面距离与拟合圆的半径之间的差值，并利用这些差值求取标准差，船轨迹各点到拟合圆的圆心的距离与拟合圆的半径的距离差超过2倍标准差时，船在该点的声学测量值为无效值，视为粗差被剔除；然后执行步骤7；
步骤7：将粗差作为异常值剔除后，重新组成新的船运行轨迹，重复步骤5-6，直到不存在异常值为止。
本发明所带来的有益技术效果：
本发明一种超短基线水下声学定位校准时异常值探测的方法，具有普适特性，应用该方法可以探测超短基线校准声学坐标异常值，既考虑了校准时船以近似圆形轨迹行驶，又结合了最小二乘法所具有的稳健统计数学特征，能较好的探测声学坐标异常值，是一种声学坐标异常值的稳定性探测方法。
附图说明
图1为应答器、船轨迹高斯平面直角坐标示意图。
图2为被平移后的船轨迹与应答器的实际位置示意图。
图3为船轨迹与应答器实际位置的距离及拟合半径示意图。
图4为船轨迹与应答器实际位置的距离与拟合半径差值的概率分布示意图。
图5为去除异常值后应答器、船轨迹高斯平面直角坐标示意图。
图6为去除异常值后被平移后的船轨迹与应答器的实际位置示意图。
图7为去除异常值后船轨迹与应答器实际位置的距离及拟合半径示意图。
图8为去除异常值后船轨迹与应答器实际位置的距离与拟合半径差值的概率分布示意图。
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：
一种超短基线水下声学定位校准时异常值探测的方法，包括以下步骤：
步骤1：计算船坐标系下的应答器坐标
假设航向偏移量Δα、纵摇偏移量Δβ和横滚偏移量Δγ均为0的前提下，根据换能器坐标系与船坐标系之间的转换矩阵，计算应答器在船坐标系下的坐标P船；
Figure GDA0002413595940000041
Figure GDA0002413595940000042
Figure GDA0002413595940000043
P船＝TΔα·TΔβ·TΔγ·P换 (4)；
其中，TΔγ为应答器在换能器坐标系下的坐标绕X换轴旋转Δγ角的转换矩阵，TΔβ为应答器在换能器坐标系下的坐标绕Y换轴旋转Δβ角的转换矩阵，TΔα为应答器在换能器坐标系下的坐标绕Z换轴旋转Δα角的转换矩阵；P船为应答器在船坐标系下的坐标，
Figure GDA0002413595940000051
P换为应答器在换能器坐标系下的坐标，
Figure GDA0002413595940000052
步骤2：计算大地坐标系下的应答器坐标
根据姿态传感器获取的航向角α、纵摇角β和横滚角γ三轴姿态参数，利用船坐标系与大地坐标系之间的转换矩阵，计算应答器在大地坐标系下的坐标；
Figure GDA0002413595940000053
Figure GDA0002413595940000054
Figure GDA0002413595940000055
P地＝Tα·Tβ·Tγ·P船 (8)；
其中，Tγ为应答器在船坐标系下的坐标绕X船轴旋转γ角的转换矩阵，Tβ为应答器在船坐标系下的坐标绕Y船轴旋转β角的转换矩阵，Tα为应答器在船坐标系下的坐标绕Z船轴旋转α角的转换矩阵；P船为应答器在船坐标系下的坐标，
Figure GDA0002413595940000056
P地为应答器在大地坐标系下的坐标，
Figure GDA0002413595940000057
步骤3：将应答器在大地坐标系下的坐标和船运行轨迹的GPS大地坐标通过高斯变换，转换为高斯平面直角坐标系下的坐标；
步骤4：平移船运行轨迹的GPS大地坐标
求取应答器在高斯平面直角坐标系下的坐标的平均值，将应答器在高斯平面直角坐标系下的坐标的平均值作为应答器的实际坐标，以应答器在高斯平面直角坐标系下的坐标的平均值作为新的坐标系原点，将船运行轨迹的GPS大地坐标分别沿x、y和z轴平移，得到以应答器的实际坐标为圆心的近似圆；
步骤5：求取船运行轨迹的半径
通过步骤3中的高斯平面直角坐标系下的坐标，利用最小二乘法，拟合船轨迹，得到拟合圆的圆心和半径；
步骤6：求距离误差的标准差
根据船的平面位置坐标计算与拟合圆的圆心的平面距离，计算该平面距离与拟合圆的半径之间的差值，并利用这些差值求取标准差，船轨迹各点到拟合圆的圆心的距离与拟合圆的半径的距离差超过2倍标准差时，船在该点的声学测量值为无效值，视为粗差被剔除；然后执行步骤7；
步骤7：将粗差作为异常值剔除后，重新组成新的船运行轨迹，重复步骤5-6，直到不存在异常值为止。
在超短基线校准前，通过将应答器在换能器下坐标通过船坐标系，转换为大地坐标系，将船运行轨迹的GPS大地坐标与应答器在大地坐标系下的坐标通过高斯变换，转换为高斯平面直角坐标系下的坐标，转换结果如图1所示。在图1中，应答器的实际坐标由求取应答器在高斯平面直角坐标系下的坐标的平均值得到，船运行的轨迹近似圆形，而应答器的坐标由于多种误差的综合影响，包括异常值的出现，导致应答器并未均匀地分布在圆心周围，而是散落在船运行轨迹的四周。
以应答器的平均位置作为新的坐标系原点，将船轨迹坐标分别沿x、y和z轴平移，得到以应答器实际位置为圆心的近似圆，利用最小二乘法，拟合船轨迹，得到拟合圆的圆心和半径，如图2所示。
从图2中可以看出，船运行轨迹以离散点的形式散落在拟合圆的内外，距离拟合的圆形轨迹越远，表示可能含有的粗差越大，即可能是异常值。通过计算船轨迹与应答器实际位置的距离，然后求与拟合半径的差值，得到了船轨迹误差的分布情况，如图3所示。
从图3中可以看出，大部分被平移后的船运行轨迹到圆心的距离，是以实际应答器位置为中心均匀分布在左右，但有部分轨迹距离圆心或者很远，或者很近。平移后的船运行轨迹到圆心的距离的概率分布情况如图4所示。
从图4中可以看出，由于部分粗差(异常值)的存在，这些距离并未呈现正态分布，
依据本发明，对原始声学坐标数据进行了异常值的探测。当去除掉声学坐标的异常值后，得到结果如图5-8所示。从图5中可以看出，去除异常坐标之后，经计算的多个应答器在高斯平面直角坐标系下的平面直角坐标比较均匀地分布在平均应答器坐标附近。以平均应答器坐标为新的坐标系原点，将船运行轨迹在高斯平面直角坐标系下的平面直角坐标进行平移，得到的新的轨迹，由于去除了异常值，该轨迹也比较均匀地分布在被拟合的圆的附近，没有距离拟合圆过远的异常值出现，如图6所示。通过计算船轨迹与实际应答器(新坐标系原点)坐标的差值，求得的平面直线距离与圆半径相比较，去除异常值后，求得的距离与半径相比，差异较小，且分布比较均匀，如图7所示。统计船轨迹的概率分布，如图8所示，基本呈现正态分布，说明异常值去除后，声学坐标数据总体上质量有所提高。通过计算发现，对于原始观测数据，船轨迹与应答器实际位置的距离的均方根误差为7.2672m，而经过本发明探测出异常值并去除后，该距离的均方根误差为3.9325m，精度提高了45％，说明了本发明方法的有效性。
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)

1.一种超短基线水下声学定位校准时异常值探测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：计算船坐标系下的应答器坐标
假设航向偏移量Δα、纵摇偏移量Δβ和横滚偏移量Δγ均为0的前提下，根据换能器坐标系与船坐标系之间的转换矩阵，计算应答器在船坐标系下的坐标P船；
Figure FDA0002413595930000011
Figure FDA0002413595930000012
Figure FDA0002413595930000013
P船＝TΔα·TΔβ·TΔγ·P换 (4)；
其中，TΔγ为应答器在换能器坐标系下的坐标绕X换轴旋转Δγ角的转换矩阵，TΔβ为应答器在换能器坐标系下的坐标绕Y换轴旋转Δβ角的转换矩阵，TΔα为应答器在换能器坐标系下的坐标绕Z换轴旋转Δα角的转换矩阵；P船为应答器在船坐标系下的坐标，
Figure FDA0002413595930000014
P换为应答器在换能器坐标系下的坐标，
Figure FDA0002413595930000015
步骤2：计算大地坐标系下的应答器坐标
根据姿态传感器获取的航向角α、纵摇角β和横滚角γ三轴姿态参数，利用船坐标系与大地坐标系之间的转换矩阵，计算应答器在大地坐标系下的坐标；
Figure FDA0002413595930000016
Figure FDA0002413595930000017
Figure FDA0002413595930000021
P地＝Tα·Tβ·Tγ·P船 (8)；
其中，Tγ为应答器在船坐标系下的坐标绕X船轴旋转γ角的转换矩阵，Tβ为应答器在船坐标系下的坐标绕Y船轴旋转β角的转换矩阵，Tα为应答器在船坐标系下的坐标绕Z船轴旋转α角的转换矩阵；P船为应答器在船坐标系下的坐标，
Figure FDA0002413595930000022
P地为应答器在大地坐标系下的坐标，
Figure FDA0002413595930000023
步骤3：将应答器在大地坐标系下的坐标和船运行轨迹的GPS大地坐标通过高斯变换，转换为高斯平面直角坐标系下的坐标；
步骤4：平移船运行轨迹的GPS大地坐标
求取应答器在高斯平面直角坐标系下的坐标的平均值，将应答器在高斯平面直角坐标系下的坐标的平均值作为应答器的实际坐标，以应答器在高斯平面直角坐标系下的坐标的平均值作为新的坐标系原点，将船运行轨迹的GPS大地坐标分别沿x、y和z轴平移，得到以应答器的实际坐标为圆心的近似圆；
步骤5：求取船运行轨迹的半径
通过步骤3中的高斯平面直角坐标系下的坐标，利用最小二乘法，拟合船轨迹，得到拟合圆的圆心和半径；
步骤6：求距离误差的标准差
根据船的平面位置坐标计算与拟合圆的圆心的平面距离，计算该平面距离与拟合圆的半径之间的差值，并利用这些差值求取标准差，船轨迹各点到拟合圆的圆心的距离与拟合圆的半径的距离差超过2倍标准差时，船在该点的声学测量值为无效值，视为粗差被剔除；然后执行步骤7；
步骤7：将粗差作为异常值剔除后，重新组成新的船运行轨迹，重复步骤5-6，直到不存在异常值为止。
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