CN117420504B

CN117420504B - 一种混合基线水声定位***

Info

Publication number: CN117420504B
Application number: CN202311739705.0A
Authority: CN
Inventors: 张德津; 李建; 刘维; 刘国辉
Original assignee: Shenzhen University
Current assignee: Shenzhen University
Priority date: 2023-12-18
Filing date: 2023-12-18
Publication date: 2024-03-19
Anticipated expiration: 2043-12-18
Also published as: CN117420504A

Abstract

本申请公开了一种混合基线水声定位***，属于水下定位领域，该***包括：发射换能器用于对应答器发送问询声信号；应答器放置在水下待定位目标上，应答器用于在接收到发射换能器发送的问询声信号的情况下，发射与问询声信号对应的应答声信号；超短基线阵列包括多个接收水听器，多个接收水听器与发射换能器分开布放，超短基线阵列用于接收应答器回复的应答声信号，根据接收到的应答声信号，解算出应答器的第一位置信息；短基线阵列包括多个超短基线阵列，短基线阵列用于接收应答器回复的应答声信号，根据接收到的应答声信号，解算出应答器的第二位置信息；短基线阵列用于对第一位置信息和第二位置信息进行融合，解算得到应答器的最终位置信息。

Description

一种混合基线水声定位***

技术领域

本申请属于水下定位领域，具体涉及一种混合基线水声定位***。

背景技术

水下惯性导航定位、多普勒（Doppler Velocity Log，DVL）测速定位、水声定位（超短基线（Ultra-Short Baseline，USBL）、短基线（Short Baseline，SBL）、长基线（LongBaseline，LBL））等技术在水下定位领域各自有其优势，也各存在一些局限性。

水下惯性导航定位由于测量误差和积分误差的累积，随着时间的推移，惯导***的定位精度会逐渐减小。这是惯导***面临的主要挑战之一，特别是在长时间的水下任务中。

尽管DVL测速定位在水下导航中具有很高的实用性，但其定位范围通常受到水体条件和水流速度的限制。在一些情况下，DVL可能需要与其他定位***结合使用，以弥补其在某些方面的局限性。

对于水声定位技术，常规USBL***在水面节点上通常将发射换能器和接收水听器集成在一起，接收基阵尺寸小，降低了定位的准确性；而SBL***则在基线长度增大的同时，其阵型布置、校准难度加大；LBL***涉及在水下和水面上布置水声发射换能器和接收水听器，以及安装浮标或固定设备，这可能需要复杂的作业，其次，较长的基线可能增加水下设备之间的相对位置变化，这可能在某些情况下降低定位的稳定性。

综上所述所述，相关的水下定位技术难以实现水下长时间、高精度的实时定位要求。

发明内容

本申请实施例提供一种混合基线水声定位***，能够解决水下定位技术难以实现水下长时间、高精度的实时定位要求的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种混合基线水声定位***，该***包括：发射换能器、应答器、超短基线阵列和短基线阵列；所述发射换能器用于对所述应答器发送问询声信号；所述应答器放置在水下待定位目标上，所述应答器用于在接收到所述发射换能器发送的问询声信号的情况下，发射与所述问询声信号对应的应答声信号；所述超短基线阵列包括多个接收水听器，多个所述接收水听器与所述发射换能器分开布放，所述超短基线阵列用于接收所述应答器回复的应答声信号，根据接收到的应答声信号，解算出所述应答器的第一位置信息；所述短基线阵列包括多个所述超短基线阵列，所述短基线阵列用于接收所述应答器回复的应答声信号，根据接收到的应答声信号，解算出所述应答器的第二位置信息；所述短基线阵列用于对所述第一位置信息和所述第二位置信息进行融合，解算得到所述应答器的最终位置信息。

在本申请实施例中，混合基线水声定位***包括：发射换能器、应答器、超短基线阵列和短基线阵列；发射换能器用于对应答器发送问询声信号；应答器放置在水下待定位目标上，应答器用于在接收到发射换能器发送的问询声信号的情况下，发射与问询声信号对应的应答声信号；超短基线阵列包括多个接收水听器，多个接收水听器与发射换能器分开布放，使得超短基线阵列的规模较大，提高了定位准确性，超短基线阵列用于接收应答器回复的应答声信号，根据接收到的应答声信号，解算出应答器的第一位置信息；短基线阵列包括多个超短基线阵列，短基线阵列用于接收应答器回复的应答声信号，根据接收到的应答声信号，解算出应答器的第二位置信息；短基线阵列用于对第一位置信息和第二位置信息进行融合，解算得到应答器的最终位置信息，对通过超短基线阵列解算出的应答器的第一位置信息和短基线阵列解算出的应答器第二位置信息进行数据融合，可以减少时延、相位等各测量环节误差对定位结果的影响，提高了定位可靠性和精度，得到定位最优的最终位置信息。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种混合基线水声定位***的总体组成示意图；

图2是本申请实施例提供的一种混合基线水声定位***的定位流程示意图；

图3是本申请实施例提供的一种超短基线阵列的接收水听器分布示意图；

图4是本申请实施例提供的一种短基线阵列示意图。

附图标记说明：

10-发射换能器、11-应答器、12-超短基线阵列、13-短基线阵列、14-接收水听器、15-水下应答器阵列。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的一种混合基线水声定位***进行详细地说明。

图1示出本申请实施例提供的一种混合基线水声定位***的总体组成示意图，如图1所示，混合基线水声定位***包括发射换能器10、应答器11、超短基线阵列12和短基线阵列13；所述发射换能器10用于对所述应答器11发送问询声信号；所述应答器11放置在水下待定位目标上，所述应答器11用于在接收到所述发射换能器10发送的问询声信号的情况下，发射与所述问询声信号对应的应答声信号；所述超短基线阵列12包括多个接收水听器14，多个所述接收水听器14与所述发射换能器10分开布放，所述超短基线阵列12用于接收所述应答器11回复的应答声信号，根据接收到的应答声信号，解算出所述应答器11的第一位置信息；所述短基线阵列13包括多个所述超短基线阵列12，所述短基线阵列13用于接收所述应答器11回复的应答声信号，根据接收到的应答声信号，解算出所述应答器11的第二位置信息；所述短基线阵列13用于对所述第一位置信息和所述第二位置信息进行融合，解算得到所述应答器11的最终位置信息。

具体的，混合基线水声定位***由若干发射换能器10、应答器11、接收水听器14组成。发射换能器10一般安装在水面以下几米处，主动发射问询声信号，对水下待定位的应答器11发起问询。应答器11布放在水下待定位目标上，应答器11接收问询声信号，判断是否应该予以应答，并根据协议发射相应的应答声信号。接收水听器14布放在水面以下几米处，一般与发射换能器10在同一位置，接收水下应答器11发射的应答声信号，并在声头处解算出水下应答器11的位置信息。

如图1所示，区别于常规超短基线，本申请实施例中将USBL声头的发射换能器10和接收水听器14分开布放，将发射换能器10单独布置，多个接收水听器14组成的超短基线阵列12在水面附近互相间隔一定距离布放，组成短基线阵列13。多个接收水听器14与发射换能器10分开布放，使得超短基线阵列12的规模较大，提高了定位准确性。

在本申请实施例中，同一个超短基线阵列12的多个接收水听器14在目标轴方向上处于不同的深度。即上述的超短基线阵列12，其特点是多个水听器在z轴处于不同的深度上，能够增大***的工作开角。

在本申请实施例中，应答器11的数量可以为一个或者多个，在应答器11的数量为多个的情况下，多个应答器11按照预设几何图形布置在水下待定位目标上，如图1所示，多个应答器11可以组成水下应答器阵列。每个应答器11分配不同的专属应答声信号，该几何图形可以是长方形或者正方形，在此不对上述几何图形进行具体限定，每个应答器11均分配不同的专属应答声信号，用以区分不同的应答器11。

在本申请实施例中，超短基线阵列12用于根据超短基线定位算法和接收到的应答声信号解算应答器11的第一位置信息。短基线阵列13用于根据短基线定位算法和接收到的应答声信号解算应答器11的第二位置信息。短基线阵列13用于根据应答器11对应的几何位置关系约束对第一位置信息和第二位置信息进行融合，得到最终目标位置信息。

具体的，如图2所示的混合基线水声定位***的定位流程示意图，该混合基线水声定位***的定位流程包括：

发送换能器发送问询声信号，水下应答器接收问询声信号。各水下应答器发送应答声信号。各接收水听器接收应答声信号。各接收水听器阵列解算水下应答器位置。分别进行USBL定位和SBL定位得到水下各应答器位置。根据各应答器几何位置关系约束对水下各应答器位置进行数据融合，进而得到定位最优解，得到最终目标位置信息。

具体的，解算最终目标位置信息的算法步骤如下：

第一步：水面各接收水听器组成的超短基线阵列基于USBL定位原理，解算出水下各应答器的第一位置信息。

第二步：基于多个超短基线阵列组成的短基线阵列，应用SBL定位算法解算水下各应答器的第二位置信息。

第三步：在水下各应答器几何位置关系的约束下，对第一步和第二步解算出的应答器位置估计结果进行数据融合，减少时延、相位等各测量环节误差对定位结果的影响，提高可靠性和精度，得到定位最优的最终目标位置信息。

具体的，本申请实施例所针对的具体场景为水下定位。假定超短基线阵列的水面单元（接收水听器）数量为M（M大于2），应答器单元数量为N（可以为1）。一个发射换能器，M个水面接收水听器，N个应答器。

相对水面坐标中心，各水下单元的位置为（/>，/>，/>），/>……各超短基线的坐标中心/>，/>……相对水面绝对坐标系水面姿态角度为（，/>，/>），/>……各水下单元位置为（/>，/>，/>）/>……/>……相对水下坐标中心/>，各水下应答器的位置为（/>，/>，/>），……相对水下绝对坐标系水下姿态角为（/>，/>，/>）/>……/>和/>只存在平移，水面和水下绝对坐标系定义时不存在旋转。

根据超短基线与短基线组合定位，可以获得坐标***中，各水下应答器单元的位置估计/>，/>，/>。

以下算法步骤均以超短基线阵列的接收水听器数量M=4、水下应答器数量N=4、以第一个水下应答器单元为例。具体展开如下：

1、超短基线（USBL）阵元设计：

如图3所示超短基线阵列中各接收水听器（、/>、/>、/>）之间的间距均为b，阵元，/>，/>，/>各自的坐标分别为：

；

可得：

，/>，。

2、USBL水下定位解算：

每个超短基线阵列中各单元分布方式如图3所示，各超短基线的坐标中心，……相对水面绝对坐标系水面姿态角度为（/>，/>，/>），……

目标的坐标可以表示为。

其中为超短基线发射源与目标连接直线与x轴的夹角，/>为超短基线发射源与目标连接直线与z轴的夹角，S为超短基线发射源与目标连接直线的长度。以超短基线/>为例，坐标中心/>，坐标系水面姿态角度为（/>，/>，/>）。可得：

=/>+/>+（/>（1）

=/>+（/>）/>（2）

=/>+/>+（/>（3）

由于，/>，/>均已知，超短基线阵列中各接收水听器的间距b已知，则可根据上式求得/>，/>。可得水下应答器单元的位置为（/>，/>，/>）即：

（4）

（5）

（6）

每个超短基线阵列的水面接收水听器数量为4。根据上述公式，对于每一个水下应答器单元，4个超短基线可求得4个位置（，/>，/>），（/>，/>，/>），（/>，/>，），（/>，/>，/>）。

将超短基线阵列测得的位置建模为。对于超短基线阵列测得的四个位置坐标：

（，/>，/>），（/>，/>，/>），（/>，/>，/>），（/>，/>，/>）可得如下四个方程：

（7）

（8）

（9）

（10）

将这些方程整理成矩阵形式，得到：

（11）

其中，Z=，X=/>，/>，/>；

然后通过最小二乘法求解这个线性***，即最小化残差平方和可以得到最优参数/>：

（12）

在求解完后，使用最终的参数/>得到拟合后的最终位置结果，即上述第一位置系信息。

（13）

式中，为拟合后的最终位置结果，即上述的第一位置信息，/>是最小二乘求解得到的参数。

3、SBL水下定位解算：

SBL阵列如图4所示，由上述求相位差公式，可得目标位置为：

（14）

（15）

（16）

可得x，y的位置为：

（17）

（18）

（19）

式中，由四个超短基线深度值加权平均求得，最终的/>由超短基线最小二乘拟合结果求得，即：

（20）

4、对USBL与SBL水下定位结果进行融合：

对超短基线坐标，/>求得的位置（/>，/>，/>）经过坐标变换，/>转换成/>下的坐标（/>，/>，/>）。

最终，由超短基线求得的四个目标位置与短基线求得的目标位置求和取平均，即得到最终目标位置（，/>，/>）。

（21）

（22）

（23）

本申请实施例提供的混合基线水声定位***，在水面上，将USBL的发射换能器与接收水听器组成的阵列分离，多个接收水听器与发射换能器分开布放，使得超短基线阵列的规模较大，提高了定位准确性。对USBL的接收水听器组成的阵列进行优化设计，其中4阵元的z轴坐标各不相同，增加垂直方向的孔径，提高垂向分辨率，精确捕捉水声信号在垂向的差异，提高水下应答器的定位精度。采用USBL和SBL的混合基线定位方法，对于接收水听器组成的阵列接收数据，基于USBL与SBL原理进行定位解算，并将解算得到的水下应答器位置信息在应答器几何位置关系约束下进行数据融合（以最小二乘法为例），能够提高定位精度。

Claims

1.一种混合基线水声定位***，其特征在于，包括发射换能器、应答器、超短基线阵列和短基线阵列；

所述发射换能器用于对所述应答器发送问询声信号；

所述应答器放置在水下待定位目标上，所述应答器用于在接收到所述发射换能器发送的问询声信号的情况下，发射与所述问询声信号对应的应答声信号；

所述超短基线阵列包括多个接收水听器，多个所述接收水听器与所述发射换能器分开布放，所述超短基线阵列用于接收所述应答器回复的应答声信号，根据接收到的应答声信号，解算出所述应答器的第一位置信息；

所述短基线阵列包括多个所述超短基线阵列，所述短基线阵列用于接收所述应答器回复的应答声信号，根据接收到的应答声信号，解算出所述应答器的第二位置信息；

所述短基线阵列用于对所述第一位置信息和所述第二位置信息进行融合，解算得到所述应答器的最终位置信息；

同一个超短基线阵列的多个接收水听器在目标轴方向上处于不同的深度；

所述应答器的数量为多个，多个所述应答器按照预设几何图形布置在水下待定位目标上，每个所述应答器分配不同的专属应答声信号；

所述超短基线阵列用于根据超短基线定位算法和接收到的应答声信号解算所述应答器的第一位置信息；

所述短基线阵列用于根据短基线定位算法和接收到的应答声信号解算所述应答器的第二位置信息。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述短基线阵列用于根据所述应答器对应的几何位置关系约束对所述第一位置信息和所述第二位置信息进行融合，得到最终目标位置信息。