海底声呐基准信标定位方法、装置以及海底定位系统

摘要

本发明适用声呐技术领域，提供海底声呐基准信标定位方法、装置及海底定位系统，包括：根据测量船姿态数据、杠杆臂信息及GNSS天线坐标，确定换能器坐标并进行历元匹配处理；根据声速剖面数据及声学测时数据，确定换能器声信号发射时刻与接收时刻和海底基准信标之间的往返声速声径距离；根据换能器坐标、海底声呐基准信标概略坐标及声速剖面数据，对往返声速声径距离进行声线弯曲修正处理；根据换能器坐标、海底声呐基准信标概略坐标及往返声速声径距离，构建双程声径模型定位海底声呐基准信标。本发明通过对多源数据进行预处理控制数据质量，顾及声信号传播过程中换能器位置的变化，通过声线跟踪进行声线弯曲修正，削弱误差影响，提高定位精度。

说明书

技术领域

本发明属于声呐技术领域，尤其涉及一种海底声呐基准信标定位方法、装置以及海底定位系统。

背景技术

随着GNSS技术的发展，陆地上的大地基准网布设较为完善；但因为卫星发射的电磁波在水中衰减明显，无法穿透较深水层，传统卫星定位手段无法直接用来进行海底大地基准网的构建。海底大地基准网是由一组布设在海底的声学基准站组成，组建类似GNSS星座的定位系统。海底大地基准网的布设和构建离不开对各个海底基准站的高精度定位，海底基准站配备有声呐基准信标，确切地讲，离不开对各个海底声呐基准信标的准确定位。

目前，海底声呐基准信标定位主要采用测量船围绕海底声呐基准信标按照圆测线或往复折线等设计测线在海面上走航。利用搭载的换能器对海底声呐基准信标发送声学询问信号，待海底海底声呐基准信标接收后再反馈回声学信号，再被换能器接收，可以确定出声信号传播时间，从而完成一个声学观测测回。换能器各时刻的位置都可以由高精度GNSS技术确定，通常为了简便，认为声学换能器在信号发射和接收时刻位置不变。声信号单程传播时间和声速可以确定出单程声径距离，采用多个测回的声径距离进行距离交会，可确定出海底声呐基准信标的位置，目前这种定位方法应用最为广泛。但是这种方法基于声学观测的时间的单程距离解算，忽略了测量船持续走航引起的换能器在声脉冲信号传播过程中的位置移动，进而会限制海底声呐基准信标定位精度，不能满足高精度水下定位需求。

由此可见，现有的海底声呐基准信标定位方法存在对海底声呐基准信标定位精度低，不能满足高精度水下定位需求的问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种海底声呐基准信标定位方法，旨在解决现有的海底声呐基准信标定位方法存在对海底声呐基准信标定位精度低，不能满足高精度水下定位需求的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种海底声呐基准信标定位方法，包括：

获取多源数据包括测量船姿态数据、杠杆臂信息、GNSS天线坐标、海底声呐基准信标概略坐标、声学测时数据以及声速剖面数据；

根据所述测量船姿态数据、杠杆臂信息以及GNSS天线坐标，确定换能器声信号发射时刻与接收时刻下的换能器坐标，并对所述换能器坐标进行历元匹配处理，得历元匹配处理后的换能器坐标；

根据所述声速剖面数据以及声学测时数据，确定换能器声信号发射时刻与接收时刻和海底基准信标之间的往返声速声径距离；

根据所述历元匹配处理后的换能器坐标、海底声呐基准信标概略坐标以及声速剖面数据，对所述往返声速声径距离进行声线弯曲修正处理；

根据所述换能器声信号发射时刻与接收时刻下的换能器坐标、海底声呐基准信标概略坐标以及声线弯曲修正处理后的往返声速声径距离，构建双程声径模型；

对所述双程声径模型进行求解，确定所述海底声呐基准信标的位置坐标。

本发明实施例的另一目的在于一种海底声呐基准信标定位系统，包括：

多源数据采集单元，用于获取多源数据，所述多源数据包括测量船姿态数据、杠杆臂信息、GNSS天线坐标、海底声呐基准信标概略坐标、声学测时数据以及声速剖面数据；

换能器坐标确定单元，用于根据所述测量船姿态数据、杠杆臂信息以及GNSS天线坐标，确定换能器声信号发射时刻与接收时刻下的换能器坐标，并对所述换能器坐标进行历元匹配处理，得历元匹配处理后的换能器坐标；

往返声速声径距离确定单元，用于根据所述声速剖面数据以及声学测时数据，确定换能器声信号发射时刻与接收时刻和海底基准信标之间的往返声速声径距离；

声线弯曲修正处理单元，用于根据所述历元匹配处理后的换能器坐标、海底声呐基准信标概略坐标以及声速剖面数据，对所述往返声速声径距离进行声线弯曲修正处理；

双程声径模型构建单元，用于根据所述换能器声信号发射时刻与接收时刻下的换能器坐标、海底声呐基准信标概略坐标以及声线弯曲修正处理后的往返声速声径距离，构建双程声径模型；以及

位置坐标确定单元，用于对所述双程声径模型进行求解，确定所述海底声呐基准信标的位置坐标。

本发明实施例的另一目的在于一种海底定位系统，所述海底定位系统包括所述的海底声呐基准信标定位装置。

本发明实施例提供的海底声呐基准信标定位方法，通过对多源数据进行预处理控制数据质量，剔除粗差，同时，顾及声信号传播过程中换能器位置的变化，在观测方程中考虑声信号发射时刻和接收时刻下的换能器坐标，以通过进行声线跟踪进行声线弯曲修正处理，建立与实际情况相符的水下定位双程声径模型，削弱误差影响，提高海底声呐基准信标定位的精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的海底声呐基准信标定位方法的应用环境图；

图2为本发明实施例提供的一种海底声呐基准信标定位方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的另一种海底声呐基准信标定位方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的又一种海底声呐基准信标定位方法的流程图；

图5为本发明实施例提供的再一种海底声呐基准信标定位方法的流程图；

图6为本发明实施例提供的还一种海底声呐基准信标定位方法的流程图；

图7为本发明实施例提供的一种海底声呐基准信标定位装置的结构框图；

图8为本发明实施例提供的一种海底声呐基准信标定位装置中的声线弯曲修正处理单元的结构框图；

图9为本发明实施例提供的仿真实验测试结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但除非特别说明，这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一xx脚本称为第二xx脚本，且类似地，可将第二xx脚本称为第一xx脚本。

本发明实施例为了解决现有的海底声呐基准信标定位方法存在对海底声呐基准信标定位精度低，不能满足高精度水下定位需求的问题，提供了一种海底声呐基准信标定位方法，通过对多源数据进行预处理控制数据质量，剔除粗差，同时，顾及声信号传播过程中换能器位置的变化，在观测方程中考虑声信号发射时刻和接收时刻下的换能器坐标，以通过进行声线跟踪进行声线弯曲修正处理，建立与实际情况相符的水下定位双程声径模型，削弱误差影响，提高海底声呐基准信标定位的精度。

图1为本发明实施例提供的海底声呐基准信标定位方法的应用环境图，即顾及双程声径的水下定位示意图，如图1所示，在该应用环境中，包括GNSS天线、GNSS卫星、换能器以及海底声呐基准信标。

如图2所示，在一个实施例中，提出了一种海底声呐基准信标定位方法，具体可以包括以下步骤：

步骤S201，获取多源数据，所述多源数据包括测量船姿态数据、杠杆臂信息、GNSS天线坐标、海底声呐基准信标概略坐标、声学测时数据以及声速剖面数据。

在本发明实施例中，海面测量船围绕海底基准信标在海面上持续走航，搭载的GNSS接收机和姿态传感器可采集GNSS天线坐标及船姿态数据；其中，所述船姿态数据包括航向角、俯仰角以及横摇角。而杠杆臂信息为GNSS天线与换能器之间的基线向量信息，一般为在测量船走航之前进行测量获取。

在本发明实施例中，测量船走航过程中对海底声呐基准信标实施声学观测，采集声学测时数据和声速剖面数据；其中，所述声学测时数据为对不同观测时刻下换能器声脉冲信号发射与接收的传播时间数据。

步骤S202，根据所述测量船姿态数据、杠杆臂信息以及GNSS天线坐标，确定换能器声信号发射时刻与接收时刻下的换能器坐标，并对所述换能器坐标进行历元匹配处理，得历元匹配处理后的换能器坐标。

在本发明实施例中，基于采集的姿态数据(航向角h，俯仰角p，横摇角r)和杠杆臂信息DX＝(dx，dy，dz)，将GNSS天线坐标X

X

式中，R

在本发明实施例中，换能器坐标采用UTC时间系统的时间标签和声学数据采用的北京时间系统的时间标签按照以下公式(2)进行历元匹配处理：

T

式中，Δt＝8，单位为小时。

步骤S203，根据所述声速剖面数据以及声学测时数据，确定换能器声信号发射时刻与接收时刻和海底基准信标之间的往返声速声径距离。

在本发明实施例中，如图3所示，所述步骤S203，包括：

步骤S301，对所述声学测时数据进行野值剔除处理，得野值剔除处理后的声学测时数据。

在本发明实施例中，对声学测时数据按照拉依达准则(即3σ准则)进行野值剔除，即声学测时数据满足下式(3)则予以剔除：

式中，t为声学测时序列数据，

步骤S302，根据所述声速剖面数据以及野值剔除处理后的声学测时数据，确定换能器声信号发射时刻与接收时刻和海底基准信标之间的往返声速声径距离。

在本发明实施例中，根据声速剖面数据计算平均声速

具体可以为，根据声速剖面数据，计算加权平均声速；船载换能器向海底声呐基准信标发射声脉冲信号，海底声呐基准信标接收到声脉冲信号后，记录接收时间并立即回复一个声脉冲信号，船载换能器接收到回复信号后，记录接收时间，这样就可以获得船载换能器声脉冲信号发射和接收的时间，根据时间和声速信息，各个历元下换能器声脉冲信号发射与接收时刻和海底声呐基准信标之间往返声速声径距离：

s

式中，c为加权平均声速，即为上述平均声速

步骤S204，根据所述历元匹配处理后的换能器坐标、海底声呐基准信标概略坐标以及声速剖面数据，对所述往返声速声径距离进行声线弯曲修正处理。

在本发明实施例中，如图4所示，所述步骤S204，包括：

步骤S401，根据历元匹配处理后的换能器坐标、海底声呐基准信标概略坐标以及声速剖面数据，确定声线跟踪所得声径距离。

在本发明实施例中，根据换能器坐标X

式中，p为snell常数，c

步骤S402，根据所述声线跟踪所得声径距离以及往返声速声径距离，确定声径修正量，以根据所述声径修正量对所述往返声速声径距离进行声线弯曲修正处理。

在本发明实施例中，按照下式(6)，根据声线跟踪所得声径距离和往返声速声径距离计算声径修正量Δd，从而对往返声速声径距离进行初始修正，即声线弯曲改正。

步骤S205，根据所述换能器声信号发射时刻与接收时刻下的换能器坐标、海底声呐基准信标概略坐标以及声线弯曲修正处理后的往返声速声径距离，构建双程声径模型。

在本发明实施例中，如图5所示，所述步骤S205，包括：

步骤S501，根据所述换能器声信号发射时刻与接收时刻下的换能器坐标以及海底声呐基准信标概略坐标，确定所述换能器声信号发射时刻与接收时刻下分别与海底声呐基准信标之间的几何距离。

步骤S502，根据所述换能器声信号发射时刻与接收时刻下分别与海底声呐基准信标之间的几何距离以及声线弯曲修正处理后的往返声速声径距离，构建双程声径模型。

在本发明实施例中，将海底声呐基准信标的位置坐标设为待求参数，由船载换能器和海底声呐基准信标之间声脉冲信号发射和接收时刻几何距离与计算的声线弯曲修正处理后的往返声速声径距离构建双程声径模型(声学测距观测方程)，具体见下式(7)：

式中，

步骤S206，对所述双程声径模型进行求解，确定所述海底声呐基准信标的位置坐标。

在本发明实施例中，如图6所示，所述步骤S206，包括：

步骤S601，利用泰勒级数展开法对所述双程声径模型进行线性化处理，得线性化后的观测方程。

在本发明实施例中，利用泰勒级数展开法对上述声学测距观测方程进行线性化处理，具体见下式(8)：

式中，a

在本发明实施例中，如果测量n个观测换能器和海底声呐基准信标之间的往返距离，则观测方程见下式(9)：

Z＝Bx+ε

式中，Z是n维的距离观测向量；B表示n×3的系数矩阵；x是海底声呐基准信标三维未知坐标改正数；ε

步骤S602，基于最小二乘法对所述线性化后的观测方程进行求解，确定所述海底声呐基准信标的位置坐标。

在本发明实施例中，已知观测方程Z＝Bx+ε

令

式中，

ε

由观测方程得顾及双程声径的误差方程见下式(10)：

式中，V为观测量残差，A为设计矩阵(系数矩阵)，x为海底基准信标位置改正数，l为观测向量。

对应的法方程见下式(11)：

式中，P为观测值的权矩阵，这里取单位阵E。

基于最小二乘原理解算海底声呐基准信标位置及观测值改正数：

本发明实施例提供的海底声呐基准信标定位方法，通过对多源数据进行预处理控制数据质量，剔除粗差，同时，顾及声信号传播过程中换能器位置的变化，在观测方程中考虑声信号发射时刻和接收时刻下的换能器坐标，以通过进行声线跟踪进行声线弯曲修正处理，建立与实际情况相符的水下定位双程声径模型，削弱误差影响，提高海底声呐基准信标定位的精度。

如图7所示，在一个实施例中，提供了一种海底声呐基准信标定位装置，具体可以包括多源数据采集单元710、换能器坐标确定单元720、往返声速声径距离确定单元730、声线弯曲修正处理单元740、双程声径模型构建单元750以及位置坐标确定单元760。

多源数据采集单元710，用于获取多源数据，所述多源数据包括测量船姿态数据、杠杆臂信息、GNSS天线坐标、海底声呐基准信标概略坐标、声学测时数据以及声速剖面数据。

在本发明实施例中，海面测量船围绕海底基准信标在海面上持续走航，搭载的GNSS接收机和姿态传感器可采集GNSS天线坐标及船姿态数据；其中，所述船姿态数据包括航向角、俯仰角以及横摇角。而杠杆臂信息为GNSS天线与换能器之间的基线向量信息，一般为在测量船走航之前进行测量获取。

在本发明实施例中，测量船走航过程中对海底声呐基准信标实施声学观测，采集声学测时数据和声速剖面数据；其中，所述声学测时数据为对不同观测时刻下换能器声脉冲信号发射与接收的传播时间数据。

换能器坐标确定单元720，用于根据所述测量船姿态数据、杠杆臂信息以及GNSS天线坐标，确定换能器声信号发射时刻与接收时刻下的换能器坐标，并对所述换能器坐标进行历元匹配处理，得历元匹配处理后的换能器坐标。

在本发明实施例中，基于采集的姿态数据(航向角h，俯仰角p，横摇角r)和杠杆臂信息DX＝(dx，dy，dz)，将GNSS天线坐标X

X

式中，R

在本发明实施例中，换能器坐标采用UTC时间系统的时间标签和声学数据采用的北京时间系统的时间标签按照以下公式(2)进行历元匹配处理：

T

式中，Δt＝8，单位为小时。

往返声速声径距离确定单元730，用于根据所述声速剖面数据以及声学测时数据，确定换能器声信号发射时刻与接收时刻和海底基准信标之间的往返声速声径距离。

在本发明实施例中，对声学测时数据按照拉依达准则(即3σ准则)进行野值剔除，即声学测时数据满足下式(3)则予以剔除：

式中，t为声学测时序列数据，

在本发明实施例中，根据声速剖面数据计算平均声速

具体可以为，根据声速剖面数据，计算加权平均声速；船载换能器向海底声呐基准信标发射声脉冲信号，海底声呐基准信标接收到声脉冲信号后，记录接收时间并立即回复一个声脉冲信号，船载换能器接收到回复信号后，记录接收时间，这样就可以获得船载换能器声脉冲信号发射和接收的时间，根据时间和声速信息，各个历元下换能器声脉冲信号发射与接收时刻和海底声呐基准信标之间往返声速声径距离：

s

式中，c为加权平均声速，即为上述平均声速

声线弯曲修正处理单元740，用于根据所述历元匹配处理后的换能器坐标、海底声呐基准信标概略坐标以及声速剖面数据，对所述往返声速声径距离进行声线弯曲修正处理。

在本发明实施例中，如图8所示，所述声线弯曲修正处理单元740，包括：

声线跟踪所得声径距离确定模块741，用于根据历元匹配处理后的换能器坐标、海底声呐基准信标概略坐标以及声速剖面数据，确定声线跟踪所得声径距离。

在本发明实施例中，根据换能器坐标X

式中，p为snell常数，，c

在本发明实施例中，按照下式(6)，根据声线跟踪所得声径距离和往返声速声径距离计算声径修正量Δd，从而对往返声速声径距离进行初始修正，即声线弯曲改正。

双程声径模型构建单元750，用于根据所述换能器声信号发射时刻与接收时刻下的换能器坐标、海底声呐基准信标概略坐标以及声线弯曲修正处理后的往返声速声径距离，构建双程声径模型。

在本发明实施例中，将海底声呐基准信标的位置坐标设为待求参数，由船载换能器和海底声呐基准信标之间声脉冲信号发射和接收时刻几何距离与计算的声线弯曲修正处理后的往返声速声径距离构建双程声径模型(声学测距观测方程)，具体见下式(7)：

式中，

位置坐标确定单元760，用于对所述双程声径模型进行求解，确定所述海底声呐基准信标的位置坐标。

在本发明实施例中，利用泰勒级数展开法对上述声学测距观测方程进行线性化处理，具体见下式(8)：

式中，a

在本发明实施例中，如果测量n个观测换能器和海底声呐基准信标之间的往返距离，则观测方程见下式(9)：

Z＝Bx

式中，Z是n维的距离观测向量；B表示n×3的系数矩阵；x是海底声呐基准信标三维未知坐标改正数；ε

在本发明实施例中，已知观测方程Z＝Bx+ε

令

式中，

ε

由观测方程得顾及双程声径的误差方程见下式(10)：

式中，V为观测量残差，A为设计矩阵(系数矩阵)，x为海底基准信标位置改正数，l为观测向量。

对应的法方程见下式(11)：

式中，P为观测值的权矩阵，这里取单位阵E。

基于最小二乘原理解算海底声呐基准信标位置及观测值改正数：

本发明实施例提供的海底声呐基准信标定位装置，通过对多源数据进行预处理控制数据质量，剔除粗差，同时，顾及声信号传播过程中换能器位置的变化，在观测方程中考虑声信号发射时刻和接收时刻下的换能器坐标，以通过进行声线跟踪进行声线弯曲修正处理，建立与实际情况相符的水下定位双程声径模型，削弱误差影响，提高海底声呐基准信标定位的精度。

下面结合仿真实验测试对本发明的技术效果作详细的描述。

设计航线，结合500m和1500m水深环境，分别进行走航半径为0.5倍水深、1倍水深、1.5倍水深的圆走航，分别进行500次仿真实验，然后对比了传统单程声径定位方法和本发明海底声呐基准信标定位方法的水下定位精度。

如图9所示，测试结果表明，传统单程声径定位方法和本发明海底声呐基准信标定位方法对应的水下定位精度结果有明显差异。传统方法水下定位精度分别为1.043m、0.397m、0.328m、0.456m、0.317m和0.250m；本发明水下定位精度分别为0.552m、0.319m、0.310m、0.353m、0.307m和0.249m，即定位精度分别提高47.1％、19.6％、5.5％、22.6％、3.2％和0.4％。

应该理解的是，虽然本发明各实施例的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，各实施例中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。