专利名称：基于超短基线的深海信标绝对位置精确定位方法
技术领域：
本发明属于水声定位领域，主要涉及海底信标的定位方法。
背景技术：
信标机工作在水下时，由于只是独立的周期性发射声脉冲，水面定位系统仅能获得目标的方位信息，而没有距离信息，因此定位精度较高的长基线方法失效。只能采用纯方 位的定位方法。现有的纯方位定位方法，多是集中于利用目标二维水平方位对目标进行定 位的研究。中国学术文献网络出版总库CNKI中，可以检索到的与本发明申请有关的公开报 道主要包括1、水声主被动定位系统声信标设计(中国学位论文/哈尔滨工程大学/2008/ 许志恒)。该文献介绍了水声信标系统的设计方案，并非信标的定位方法；2、深海水声应答 器定位导航技术研究(中国学位论文/哈尔滨工程大学/2008/兰华林)。该文献给出了基 于超短基线的海底应答器纯方位定位方法，与本发明申请相关度较大。但是该文献中并未 给出测点的选取方法，并未详细介绍声线弯曲修正的方法；3、一种基于超短基线的声信标 定位方法(高技术通讯2009年第5期/李想)。该文献给出了一种仅用目标方位信息来确 定信标位置的方法。通过多次测量得到方位信息，建立了方位信息和目标位置的关系式，利 用最小二乘方法获得信标在大地坐标系下的位置。但是没给出声线弯曲修正。针对深海海底信标的精确定位，现有纯方位定位方法至少有两点不足一是信标 的位置未知，而测点的位置直接影响信标定位的精度，现有方法并未给出测量点位置的选 取方法；二是当利用声信号的三维方位对信标定位时，虽然在浅海声速分布对定位精度影 响小的情形可以直接求解，而在声速分布对定位精度影响较大的深海情形不再适用。针对 现有技术的不足，需要一种对深海海底应答器绝对位置精确校准的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现对深海海底应答器绝对位置精确校准的基 于超短基线的深海信标绝对位置精确定位方法。本发明的目的是这样实现的(1)超短基线声学基阵在一测量点分别接收信标信号，测得信标方位；(2)根据上次所得方位和接收信号改变测点位置，得到方位差别较大的测点；(3)利用GPS测得测量点的绝对位置；(4)重复步骤(2)和步骤(3)得到足够多的测点数据；(5)在信标位置附近海域现场测量声速分布；(6)根据测点位置和水平方位解算出信标的水平坐标；(7)根据解算得到的信标水平坐标、声速剖面和各测点声信号俯仰方位解算出信 标的深度。为实现本发明的目的，需要利用超短基线对信标声信号检测，测定声信号在大地坐标系下的方位。为实现本发明的目的，需要利用当前测点的信标水平方位值，引导水面船的航向 选择下一个测点。为实现本发明的目的，需要用GPS测定测量点的绝对大地坐标并用声速剖面仪在 信标位置附近海域对声速分布进行现场测量。为实现本发明的目的，需要将声信号的方位分解为水平方位和俯仰方位，水平方 位交汇可以解算出信标的水平坐标。为实现本发明的目的，需要根据测点和信标的水平坐标、声信号的俯仰方位进行 声线弯曲修正，求得信标的深度坐标。本发明的特点是在利用水面船的船载超短基线对深海信标进行精确定位，通过超短基线的引导确定测点位置，由声线弯曲修正获得高精度的深海信标绝对位置坐标。该方 法在深海条件下的黑匣子搜救和水下信标导航方面都有广泛的应用前景。
图1是深海信标精确定位的几何配置示意图。图2是深海信标精确定位测点选择俯视图。图3是两侧点水平方位交汇原理示意图。图4是基于超短基线的深海信标绝对位置精确定位方法实现流程图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述本发明中，如图1，信标1锚定于海底，位置为Xb ；以时间间隔T周期性发射声脉冲 信号；超短基线声学基阵2安装于水面船上，高精度GPS3安装于船上。超短基线声学基阵 在不同的测点位置Xei检测信标的声信号并对其测向，结合超短基线安装误差校准结果和 该测点的船姿数据得到信标在大地坐标系下的方位 6 =以,约)，其中θ i定义为第i测点 测得信标声信号水平方向与正北方向夹角；灼定义为第i测点测得信标声信号的掠射角。测点的选取方式如图2，假设测点1位置为Xei，测得信标的水平方位θ工；然后选 取水面船的航向为9^60°，航行一定的距离后停止，进行第2点测量，得到信标水平方位 θ 2;然后选取水面船的航向为θ2-60°，航行距离^后停止，进行第3点测量，得到信标水 平方位θ 3;依次类推，得到N个测量点及相应的测量结果。此法利用了超短基线的测向能 力对水面船进行方位引导，并能保证测点位置与海底信标的距离越来越近。假设信标坐标Xb = (xb, yb，zb)，测点位置坐标Xei = (xGi, yGi, zGi)，那么有如下关 系
{xh - xri = r. cos θ‘ “ ‘ (1) In -yGi =Cin6>, 式中
_0] rai = ^(xb-xGif + (yb-yGi)2(2) 表示各测点与信标位置的水平距离。图3给出了以两侧点为例的水平方位交汇示意图。方程(1)是非线性方程，采用牛顿法求解出信标的水平坐标，将结果回代到式(2) 中得到各测点与信标的水平距离rai。由于超短基线声学基阵的水深已知，根据水平距离、掠射角和声速分布可以求得信标位置的深度坐标。有两种实现的方法。第一种方法。对于每个测点，从掠射角约出发进行声线跟踪，当水平距离为rai时 停止，此时对应的深度即为信标的深度估计毛。然后对多个测点的深度估计式求平均，得到 信标的最终深度估计f <formula>formula see original document page 6</formula>(3)该方法由于每个测点都需要进行一次声线跟踪，计算量大，在测点多的情况下尤 为如此。第二种方法。对任意一个测点，由第一种方法得到信标深度初值。在深度一定、 声速分布一定的条件下，声传播的水平距离与掠射角有固定的函数关系，如下式
r=f()⑷其中r是斜距，f ( ·)是由海深及相应声速分布确定的函数，可以根据snell定律 通过数值计算进行逼近求解。P是声信号在超短基线声学基阵位置处的掠射角。根据各测点的声传播时延可以求得各测点与信标的水平距离rai(1)。定义误差e <formula>formula see original document page 6</formula>(5)改变深度￡ 进行搜索，当e足够小时对应的信标深度即为信标深度估计。搜索的 方法可以采用二分法。
权利要求
一种基于超短基线的深海信标绝对位置精确定位方法，其特征是(1)超短基线声学基阵在一测量点分别接收信标信号，测得信标方位；(2)利用GPS测得测量点的绝对位置；(3)根据上次所得方位和接收信号改变测点位置，得到方位差别较大的测点；(4)重复步骤(2)(3)得到足够多的测点数据；(5)在信标位置附近海域现场测量声速分布；(6)根据测点位置和水平方位解算出信标的水平坐标；(7)根据解算得到的信标水平坐标、声速剖面和各测点声信号俯仰方位解算出信标的深度。
2.根据权利要求1所述的基于超短基线的深海信标绝对位置精确定位方法，其特征 是所述测得信标方位的方法为信标锚定于海底，位置为Xb ；以时间间隔T周期性发射声脉 冲信号；超短基线声学基阵安装于水面船上，高精度GPS安装于船上；超短基线声学基阵在 不同的测点位置Xei检测信标的声信号并对其测向，结合超短基线安装误差校准结果和该 测点的船姿数据得到信标在大地坐标系下的方位Θλ = (0,,约)，其中θ i为第i测点测得信 标声信号水平方向与正北方向夹角；灼为第i测点测得信标声信号的掠射角。
3.根据权利要求1或2所述的基于超短基线的深海信标绝对位置精确定位方法，其 特征是所述得到足够多的测点数据的方法为，第一测点位置为Xei，测得信标的水平方位 θ 1;然后选取水面船的航向为θ 1-60°，航行一定的距离后停止，进行第二测点测量，得到 信标水平方位θ 2;然后选取水面船的航向为θ2-60°，航行距离A后停止，进行第三测点 测量，得到信标水平方位θ 3 ；依次类推，得到N个测量点及相应的测量结果。
4.根据权利要求1或2所述的基于超短基线的深海信标绝对位置精确定位方法，其特 征是所述根据解算得到的信标水平坐标、声速剖面和各测点声信号俯仰方位解算出信标的 深度的方法为对于每个测点，从掠射角灼出发进行声线跟踪，当水平距离为rai时停止，此 时对应的深度即为信标的深度估计為；然后对多个测点的深度估计之求平均，得到信标的最 终深度估计f <formula>formula see original document page 2</formula>
5.根据权利要求3所述的基于超短基线的深海信标绝对位置精确定位方法，其特征是 所述根据解算得到的信标水平坐标、声速剖面和各测点声信号俯仰方位解算出信标的深度 的方法为对于每个测点，从掠射角灼出发进行声线跟踪，当水平距离为rai时停止，此时对 应的深度即为信标的深度估计之；然后对多个测点的深度估计之求平均，得到信标的最终深度估计f <formula>formula see original document page 2</formula>
6.根据权利要求1或2所述的基于超短基线的深海信标绝对位置精确定位方法，其特 征是所述根据解算得到的信标水平坐标、声速剖面和各测点声信号俯仰方位解算出信标的 深度的方法为在深度一定、声速分布一定的条件下，声传播的水平距离与掠射角有固定的 函数关系，<formula>formula see original document page 3</formula>其中r是斜距，f ( ·)是由海深及相应声速分布确定的函数，可以根据snell定律通过 数值计算进行逼近求解，P是声信号在超短基线声学基阵位置处的掠射角；根据各测点的声传播时延求得各测点与信标的水平距离rai(1)，定义误差e <formula>formula see original document page 3</formula>改变深度乂”进行搜索，当e足够小时对应的信标深度即为信标深度估计，搜索的方法 采用二分法。
7.根据权利要求3所述的基于超短基线的深海信标绝对位置精确定位方法，其特征是 所述根据解算得到的信标水平坐标、声速剖面和各测点声信号俯仰方位解算出信标的深度 的方法为在深度一定、声速分布一定的条件下，声传播的水平距离与掠射角有固定的函数 关系，<formula>formula see original document page 3</formula>其中r是斜距，f ( ·)是由海深及相应声速分布确定的函数，可以根据snell定律通过 数值计算进行逼近求解，P是声信号在超短基线声学基阵位置处的掠射角；根据各测点的声传播时延求得各测点与信标的水平距离rai(1)，定义误差e <formula>formula see original document page 3</formula>改变深度进行搜索，当e足够小时对应的信标深度即为信标深度估计，搜索的方法 采用二分法。
全文摘要
本发明提供的是一种基于超短基线的深海信标绝对位置精确定位方法。(1)超短基线声学基阵在一测量点分别接收信标信号，测得信标方位；(2)利用GPS测得测量点的绝对位置；(3)根据上次所得方位和接收信号改变测点位置，得到方位差别较大的测点；(4)重复步骤(2)和步骤(3)得到足够多的测点数据；(5)在信标位置附近海域现场测量声速分布；(6)根据测点位置和水平方位解算出信标的水平坐标；(7)根据解算得到的信标水平坐标、声速剖面和各测点声信号俯仰方位解算出信标的深度。本发明的方法在深海条件下的黑匣子搜救和水下信标导航方面都有广泛的应用前景。
文档编号G01S5/30GK101806884SQ20101015352
公开日2010年8月18日 申请日期2010年4月23日 优先权日2010年4月23日
发明者兰华林, 卢逢春, 孙大军, 张殿伦, 曹忠义, 滕婷婷 申请人:哈尔滨工程大学