CN116840830A - 一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***及跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***及跟踪方法，涉及水下合成孔径观测，采用一个固定探测器和一个可收放悬浮探测器作为主要探测装置，水下海床基通过释放缆绞盘控制可收放悬浮探测器的释放距离，释放缆上分段固定姿态传感器，利用耦合信号传输实现两个探测器和多个固定姿态传感器同步采样，通过多传感器融合技术确认可收放水听器位置姿态，最终融合可收放探测器、固定探测器、姿态传感器的信息实现可收放探测器的精准定位，扩大水下目标探测***探测孔径。本发明体积小，功耗低，实现了对悬浮探测器的高精度定位，通信可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及水下合成孔径观测领域，尤其是一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***及跟踪方法。
背景技术
用于水下目标探测的单点式海床基为获得较大的探测孔径，通常可采取阵列式或分体式设计方案，通过分布配置的探头协同感知目标状态。
固定在水下的单点式海床基***在水下目标探测方面具有明显的优点和缺点。优点是单点式海床基体积小、耗能少、布放方便、自身位置精度高，探测器本***置姿态稳定，探测结果变换坐标系为定值矩阵；缺点是单点式探测孔径小，探测精度低，易受局部环境影响。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***及跟踪方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***，包括硬件部分及软件部分，所述硬件部分包括坐底式海床基、悬浮探测器、释放缆，所述释放缆一端与坐底式海床基连接，另一端与悬浮探测器连接，所述悬浮探测器内部设置有惯性导航仪及探测器探头，所述释放缆上设置有卡扣式分段姿态传感器，所述卡扣式分段姿态传感器内集成耦合通信器，所述耦合通信器通过释放缆与其他传感器及坐底式海床基耦合通信；
所述软件部分包括耦合通信***、惯性导航***、方位推演***、采样触发***、方位融合***，所述耦合通信***实现释放缆上传感器的采样控制和数据通信；所述惯性导航***用于估算当前探测器的位置及姿态；所述方位推演***以缆线上分段姿态传感器同步采样数据为基础，通过末端定位算法计算，完成悬浮探测器位置估算；所述采样触发***用于控制释放缆上传感器与惯性导航***同步采样；所述方位融合***用于提供精确可靠的悬浮探测器位置数据，用于探测器的孔径合成。
上述的一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***，所述坐底式海床基包括固定探测器、主控舱、释放缆绞盘、基座，布放后其固定探测器位置、姿态为已知信息，释放绞盘缆线出口与固定探测器相对位置确定；所述释放缆盘于释放缆绞盘上，所述释放缆一端与释放缆绞盘滑环连接，另一端与悬浮探测器连接，所述耦合通信器与主控舱耦合通信。
上述的一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***，所述惯性导航***置于悬浮探测器用于测量悬浮探测器的位置和姿态，当前探测器位置通过惯导***中惯性测量单元的时间积分获得观测值；获得的当前探测器位置观测值传输至方位融合***，获得的当前位置观测值差分数据传输至方位推演***。
上述的一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***，所述方位推演***以释放缆上分段姿态传感器同步采样数据为基础，通过末端定位算法计算，完成悬浮探测器位置估算；所述方位推演***误差由分段姿态传感器***误差叠加而成，误差可通过惯性导航***差分数据进行校正；所述方位推演***输出的末端定位数据结果传输至方位融合***。
上述的一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***，所述采样触发***以主控舱信号或探测器探头阈值报警信号为输入，以采样同步信号为输出；当探测器探头检测到信号源时，给采样触发***发送报警信号，采样触发***根据采样需求，通过耦合通信***向惯性导航***和方位推演***发送采样信号，控制两者进行同步采样；信号源消失后，同样由采样触发***发送结束信号，然后各个传感器向主控舱传输采样数据；当主控舱认为探测器定位数据需要校正时，采样触发***同样会发送采样同步信号，采样数据同样通过耦合通信***汇入方位推演***和方位融合***实现误差校正。
上述的一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***，所述方位融合***融合两组数据估计探测器的前一时段历史悬浮轨迹，结合悬浮探测器与固定探测器探头的信号差对信号源方位状态信息进行反演，从而精确的获取信号源的方位轨迹信息。
上述的一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***的跟踪方法，包括如下步骤：
步骤1，固定探测器处于探测状态，探测信号有采样触发***分析，当发现范围内有目标信号源存在时，设定采样周期并通过耦合通信***传输控制信号；收到控制信号的悬浮探测器和分段姿态传感器开机工作，按照采样触发***的要求进行同步采样；
步骤2，悬浮探测器与固定探测器对目标信号采样期间或采样结束后，惯性导航***及卡扣式分段姿态传感器通过耦合通信***传输采样数据；
步骤3，判断惯性导航***初始位置是否已知，若惯性导航***初始位置已知，则可直接利用初始位置、惯性导航数据对整个采样过程悬浮探测器的空间坐标进行解算；若惯性导航***初始位置未知，则通过卡扣式多段姿态传感器对悬浮探测器空间坐标进行解算；
步骤4，通过方位融合***对惯性导航***的惯性导航数据与方位推演***数据进行融合；向探测数据分析模块发送各采样时刻悬浮体的位置。
上述的一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***的跟踪方法，所述步骤3中惯性导航***初始位置未知时，具体解算方法包括：以固定传感器为原点，通过距离最近的姿态传感器n的状态信息，获得起始段释放缆的状态，其中/>为等效缆线与水平面夹角；为缆线在水平面投影与x轴的夹角；/>为等效缆段长度，/>的初始值取两个分段姿态传感器n与n-1之间的缆长，通过多次采样对/>的值进行拟合。
上述的一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***的跟踪方法，所述具体拟合方法如下：将每个姿态传感器前后缆线都等效为一个直线段，可以获得一条有n-1个拐点n段线段首尾相接的折线。最靠近固定传感器的拐点坐标设为/>，其计算公式为：
;
其中，拐点坐标表示等效拐点坐标估计值；如果令/>代替/>，/>代替/>即得到靠近固定探测器第二个等效拐点坐标估计值，即第n-1个卡扣式分段姿态传感器等效缆线末端坐标估计值；依此类推，可以得到第1个等效拐点坐标，即悬浮探测器位置坐标估计值/>；在采样同步前提下，各个时刻悬浮探测器位置均可以通过末端定位算法求出估计值。
上述的一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***的跟踪方法，所述拟合时需要消除每段卡扣式姿态传感器误差的影响，所述误差分为***误差和随机误差，所述***误差通过多次采样后矩阵拟合进行修正；所述随机误差通过以下三个条件限制取值范围：
条件1，，/>为释放缆某一扭矩下的形变角；
条件2，，L表示释放缆总长度；
条件3，惯性导航仪差分信息精度高于卡扣式分段姿态传感器累积结果。
本发明的有益效果是，(1)结构上与单点式水下海床基探测***相比具有更大的探测孔径，与垂直阵列海床基探测***相比体积更小，功耗更低；(2)定位过程中使用惯性导航仪和多段姿态方位融合的算法，实现了对悬浮探测器的高精度定位；(3)水下使用耦合通信实现多传感器之间的同步采样和数据传输，维持了释放缆线整体结构，通信可靠性高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明定位跟踪***硬件部分示意图；
图2为本发明定位跟踪***原理图；
图3为本发明定位跟踪方法流程图；
图4为本发明方位推演***系数校正原理图；
图5为本发明方位融合***采用卡尔曼滤波获取悬浮探测器位置信息示意图。
图中，1.悬浮探测器，2.分段姿态传感器，3.释放缆，4.基座，5.释放缆绞盘，6.主控舱，7.固定探测器。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
如图1所示，本实施例公开了一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***，该***硬件部分包括：坐底式海床基，悬浮探测器1，释放缆3，惯性导航仪INS，分段姿态传感器IMU2，耦合通信器。
其中坐底式海床基由基座4、固定探测器7、释放缆绞盘5、主控舱6组成。布放后其固定探测器位置（经纬度坐标、深度）、姿态（俯仰角、方位角、滚动角）为已知信息，释放绞盘缆线出口与固定探测器相对位置确定。释放缆盘于释放绞盘上，首端与绞盘滑环连接，末端与悬浮探测器连接。悬浮探测器内装有INS与探测器探头，其各时刻相对位置与绝对姿态为已知信息/>。释放缆上每隔一定距离装有卡扣式IMU用于采样测量每段释放缆姿态/>，该传感器卡扣内集成耦合通信器可扣紧于释放缆，并通过释放缆与其他传感器和主控舱进行耦合通信，从而实现同步采样。
该定位跟踪***软件部分包含耦合通信***、惯性导航***、方位推演***、采样触发***、方位融合***五个子***。
耦合通信***集成于分段姿态传感器卡扣中和主控舱板卡上，***利用释放缆作为传输介质，实现缆线上传感器的采样控制和数据通信。多个耦合传感器接收采样触发信号，实现同步采样，采样数据通过时分复用的方式由耦合缆传输至海床基。
惯性导航***置于悬浮探测器内通过***内惯性测量单元的时间积分估算当前探测器位置，该位置信息与初始位置有关，且误差会随时间积累导致方位漂移。获得的积分数据即当前探测器位置观测值传输至方位融合***，获得的当前位置观测值差分数据传输至方位推演***。
方位推演***是以缆线上分段姿态传感器同步采样数据为基础，通过末端定位算法计算，完成悬浮探测器位置估算的***。该******误差由分段姿态传感器***误差叠加而成，该误差可通过惯性导航***差分数据进行校正。该***输出的末端定位数据结果传输至方位融合***。
采样触发***是以主控舱信号或探测器探头阈值报警信号为输入，以采样同步信号为输出的***。当探测器探头检测到信号源时，会给采样触发***发送报警信号，此时***会根据采样需求，通过耦合通信***向惯性导航***和方位推演***发送采样信号，控制两者进行同步采样；信号源消失后，同样由采样触发***发送结束信号，然后各个传感器向主控舱传输采样数据。当主控舱认为探测器定位数据需要校正时，采样触发***同样会发送采样同步信号，采样数据同样通过耦合通信***汇入方位推演***和方位融合***实现误差校正。
方位融合***用于向探测数据分析模块提供精确可靠的悬浮探测器位置数据，用于探测器的孔径合成，采用信息滤波器等算法，融合两组数据估计探测器的前一时段历史悬浮轨迹，由此可以结合悬浮探测器与固定探测器探头的信号差对信号源方位状态信息进行反演，从而精确的获取信号源的方位轨迹信息。
本专利***内部模块内在关联如图2原理图所示，整个***对接收到的外部信号源通过悬浮探测器和固定探测器内的探头进行记录。由采样触发***对悬浮探测器内的INS，释放缆上的IMU进行同步采样，与此同时实现悬浮探测器和固定探测器的时间同步。同步过程通过耦合通信的方式实现，避免水下电路接插的问题。同步采样数据用于方位推演***，获取悬浮探测器各时刻的空间累加位置，该位置与INS数据进行融合，从而帮助INS获取初始时刻方位信息，进而获得悬浮探测器各时刻的精确方位。
基于上述定位跟踪***，本实施例还公开了一种定位跟踪方法，如图3所示，具体包括：
步骤1：海床基工作时，悬浮探测器为正浮力舱***于海床基上方，对地坐标位置未知，必须通过定位手段获取探测器位置，才可以使用其探测数据。整个探测过程中悬浮探测器的位置在不停变化，需要跟踪其漂浮路径，辅助探测数据处理。起始悬浮探测器和分段姿态传感器都处于低功耗状态，仅对释放缆上的耦合载波信号进行侦听。
步骤2：固定探测器处于探测状态，探测信号由采样触发***进行分析，当发现范围内有目标存在时，设定采样周期并通过耦合通信***传输控制信号。收到控制信号的悬浮探测器和分段姿态传感器开机工作，按照采样触发***的要求进行同步采样。
步骤3：悬浮探测器与固定探测器对目标信号采样结束后，悬浮探测器内置INS惯导给出一条悬浮路径，该路径起始点的位置决定了整条路径对地坐标是否精确。
如果已知初始位置可直接利用初始位置、惯导数据进行解算，设初始位置，其中，/>表示悬浮探测器初始时刻相对于固定探测器的空间坐标位置，/>分别表示以固定探测器为原点，以正东、正南、竖直方向为轴的坐标系中悬浮体的三维坐标值。采样初始时刻/>至采样结束时刻/>期间悬浮探测器的空间坐标都可以通过惯导数据获得。
如果初始位置未知，需要通过多段姿态传感器解算悬浮传感器位置。如图4所示，由固定传感器为原点，通过距离最近的分段姿态传感器n状态信息（n为已释放缆线探测器数量）获得起始段缆绳状态，其中/>为等效缆线与水平面夹角；/>为缆线在水平面投影与正东轴（x轴）的夹角，两者由姿态传感器n该时刻数据解算获得；/>为等效缆段长度，/>的初始值取两个分段姿态传感器n与n-1之间的缆长，通过多次采样对/>的值进行拟合。利用下式表示该等效缆线与下段等效缆线拐点坐标。
;
其中，拐点位置表示该等效拐点坐标估计值；如果令/>代替，/>代替/>即得到靠近固定探测器第二个等效拐点坐标估计值，即第n-1个卡扣式分段姿态传感器等效缆线末端坐标估计值；依此类推，可以得到第1个等效拐点坐标，即悬浮探测器位置坐标估计值/>；在采样同步前提下，各个时刻悬浮探测器位置均可以通过末端定位算法求出估计值。
上述估计方法需要消除每段IMU姿态传感器误差值影响。该误差值分为***误差和随机误差。利用图5所示，多次采样通过矩阵拟合，修正每段等效缆线长度的***误差。利用以下三个条件限制随机误差取值范围：
条件1，自由悬浮体缆线释放过程中会卸掉扭矩，因此成立。该式表示每一段等效缆线方向角误差绝对值，都不超过一个很小的常数/>，/>为缆线在一定轴向扭矩下的形变角。
条件2：探测过程中释放海缆总长度L为一定值，因此成立。该式表示等效缆计算后的探测器位置距离海床基底座不能大于缆长。
条件3：INS差分信息精度高于分段IMU传感器累积结果，令采样周期为T，下式成立。该式表示真实位置差分数值可由惯导INS测量差分数据直接解算获得，可以作为分段IMU累加估计的参考值。
。
上述消除误差的方法需要多于n次采样数据直至参数过拟合，因此需要足够多的分段姿态传感器和惯导差分采样数据。如图3所示，初始状态未知时，需要判断校准数据是否足够，如果不够需要反馈采样触发装置继续进行传感器同步采样。分段姿态传感器的***误差来源于缆线在水中的形态和运动状态，当海流稳定时缆线形态和运动状态基本稳定，当海流不稳定时采样时间T取值要尽可能小才能获得更好的估计结果。
步骤4：如图5所示，利用多传感器融合算法对多段姿态传感器的模拟路径和惯导采集的悬浮路径信息做数据融合，以获得更可靠的悬浮探测器路径信息。
方法如下：
k时刻真实位置，分段姿态传感器参数确定后估计位置，初始位置确定后惯导累积观测位置/>，三者存在关系：
；
其中A为姿态传感器权重矩阵，B为惯导权重矩阵。依此类推k+1,……,k+m时刻组成一系列方程组，由于观测数据量远大于矩阵维数可以采用信息滤波器方法求取权重矩阵。
不过并非所有采样数据都为有效数据，可以按照前述三个条件对k~k+m时刻所有的真实位置进行筛滤，筛滤原则：惯导观测符合三条件的话使用惯导数据做真值；惯导观测结果不符合条件的选取分段传感器数据做真值；都不符合三条件的话分别对惯导结果和分段传感器结果取阈值作为真值。筛滤后的数据再采用信息滤波器的方法估算悬浮探测器真实方位。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***，其特征在于：包括硬件部分及软件部分，所述硬件部分包括坐底式海床基、悬浮探测器、释放缆，所述释放缆一端与坐底式海床基连接，另一端与悬浮探测器连接，所述悬浮探测器内部设置有惯性导航仪及探测器探头，所述释放缆上设置有卡扣式分段姿态传感器，所述卡扣式分段姿态传感器内集成耦合通信器，所述耦合通信器通过释放缆与其他传感器及坐底式海床基耦合通信；
所述软件部分包括耦合通信***、惯性导航***、方位推演***、采样触发***、方位融合***，所述耦合通信***实现释放缆上传感器的采样控制和数据通信；所述惯性导航***用于估算当前探测器的位置及姿态；所述方位推演***以缆线上分段姿态传感器同步采样数据为基础，通过末端定位算法计算，完成悬浮探测器位置估算；所述采样触发***用于控制释放缆上传感器与惯性导航***同步采样；所述方位融合***用于提供精确可靠的悬浮探测器位置数据，用于探测器的孔径合成。
2.根据权利要求1所述的一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***，其特征在于，所述坐底式海床基包括固定探测器、主控舱、释放缆绞盘、基座，布放后其固定探测器位置、姿态为已知信息，释放绞盘缆线出口与固定探测器相对位置确定；所述释放缆盘于释放缆绞盘上，所述释放缆一端与释放缆绞盘滑环连接，另一端与悬浮探测器连接，所述耦合通信器与主控舱耦合通信。
3.根据权利要求1所述的一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***，其特征在于，所述惯性导航***置于悬浮探测器用于测量悬浮探测器的位置和姿态，当前探测器位置通过惯导***中惯性测量单元的时间积分获得观测值；获得的当前探测器位置观测值传输至方位融合***，获得的当前位置观测值差分数据传输至方位推演***。
4.根据权利要求1所述的一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***，其特征在于，所述方位推演***以释放缆上分段姿态传感器同步采样数据为基础，通过末端定位算法计算，完成悬浮探测器位置估算；所述方位推演***误差由分段姿态传感器***误差叠加而成，误差可通过惯性导航***差分数据进行校正；所述方位推演***输出的末端定位数据结果传输至方位融合***。
5.根据权利要求1所述的一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***，其特征在于，所述采样触发***以主控舱信号或探测器探头阈值报警信号为输入，以采样同步信号为输出；当探测器探头检测到信号源时，给采样触发***发送报警信号，采样触发***根据采样需求，通过耦合通信***向惯性导航***和方位推演***发送采样信号，控制两者进行同步采样；信号源消失后，同样由采样触发***发送结束信号，然后各个传感器向主控舱传输采样数据；当主控舱认为探测器定位数据需要校正时，采样触发***同样会发送采样同步信号，采样数据同样通过耦合通信***汇入方位推演***和方位融合***实现误差校正。
6.根据权利要求1所述的一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***，其特征在于，所述方位融合***融合两组数据估计探测器的前一时段历史悬浮轨迹，结合悬浮探测器与固定探测器探头的信号差对信号源方位状态信息进行反演，从而精确的获取信号源的方位轨迹信息。
7.基于权利要求1-6任一项所述的一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***的跟踪方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，固定探测器处于探测状态，探测信号有采样触发***分析，当发现范围内有目标信号源存在时，设定采样周期并通过耦合通信***传输控制信号；收到控制信号的悬浮探测器和分段姿态传感器开机工作，按照采样触发***的要求进行同步采样；
步骤2，悬浮探测器与固定探测器对目标信号采样期间或采样结束后，惯性导航***及卡扣式分段姿态传感器通过耦合通信***传输采样数据；
步骤3，判断惯性导航***初始位置是否已知，若惯性导航***初始位置已知，则可直接利用初始位置、惯性导航数据对整个采样过程悬浮探测器的空间坐标进行解算；若惯性导航***初始位置未知，则通过卡扣式多段姿态传感器对悬浮探测器空间坐标进行解算；
步骤4，通过方位融合***对惯性导航***的惯性导航数据与方位推演***数据进行融合；向探测数据分析模块发送各采样时刻悬浮体的位置。
8.根据权利要求7所述的一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***的跟踪方法，其特征在于，所述步骤3中惯性导航***初始位置未知时，具体解算方法包括：以固定传感器为原点，通过距离最近的姿态传感器n的状态信息，获得起始段释放缆的状态，其中/>为等效缆线与水平面夹角；/>为缆线在水平面投影与x轴的夹角；/>为等效缆段长度，/>的初始值取两个分段姿态传感器n与n-1之间的缆长，通过多次采样对/>的值进行拟合。
9.根据权利要求8所述的一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***的跟踪方法，其特征在于，所述具体拟合方法如下：将每个姿态传感器前后缆线都等效为一个直线段，可以获得一条有n-1个拐点n段线段首尾相接的折线，最靠近固定传感器的拐点坐标设为，其计算公式为：
;
其中，拐点坐标表示等效拐点坐标估计值；如果令/>代替/>，代替/>即得到靠近固定探测器第二个等效拐点坐标估计值，即第n-1个卡扣式分段姿态传感器等效缆线末端坐标估计值；依此类推，可以得到第1个等效拐点坐标，即悬浮探测器位置坐标估计值/>；在采样同步前提下，各个时刻悬浮探测器位置均可以通过末端定位算法求出估计值。
10.根据权利要求9所述的一种分体式有缆海床基浮体定位跟踪***的跟踪方法，其特征在于，所述拟合时需要消除每段卡扣式姿态传感器误差的影响，所述误差分为***误差和随机误差，所述***误差通过多次采样后矩阵拟合进行修正；所述随机误差通过以下三个条件限制取值范围：
条件1，，/>为释放缆某一扭矩下的形变角；
条件2，，L表示释放缆总长度；
条件3，惯性导航仪差分信息精度高于卡扣式分段姿态传感器累积结果。
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