一种深海水声综合定位系统及其对水下潜器的定位与导航方法
【专利摘要】深海水声综合定位系统及采用该系统实现对水下潜器的定位与导航方法，属于水声定位声纳设备领域。本发明包括：声学换能器收发基阵安装在基阵升降杆末端，声学换能器收发基阵的输入/输出端连接跟踪标定处理机的输出/输入端，跟踪标定处理机连接操作显示平台，深水耐压壳体内侧腔体为测距与定位电子舱，深水耐压换能器和测距与定位电子舱通过耐压水密电缆实现电气连接，深水耐压壳体内侧为应答释放管理电子舱，电池组固定在应答释放管理电子舱内，释放机构固定在深水耐压壳体的外侧尾部，深水耐压换能器固定在深水耐压壳体外侧顶端。本发明实现水面对水下目标位置进行实时监测，在全海深下定位精度同比现有设备提高了4倍以上。
【专利说明】一种深海水声综合定位系统及其对水下潜器的定位与导航
方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水声定位声纳设备领域，涉及一种深海水声综合定位系统及其对水下潜器的定位与导航方法。
【背景技术】
[0002]21世纪是“海洋世纪”，海洋这一蕴藏巨大资源的宝库，越来越受到各国的重视。近20年来，争夺海洋主权和海底矿产资源的“圈海运动”兴起，促使我国的海洋事业进入快速发展阶段，也促使与海洋开发相关的技术和装备进入发展的快车道。声学定位是海洋科学考察、海洋资源勘探、海洋资源开发、深海空间站建设等工程的必备手段，它能够提供海底勘查设备如ROV和AUV等重要的定位、导航和通信支撑。通过在水面船只、水下载体以及作业海底上加装和布放声学定位设备，可实现水面对水下目标位置的实时监控、水面与水下平台的信息交互乃至实现海洋的透明化、数字化、信息化。传统的水下定位系统采用超短基线或者长基线定位原理。超短基线定位系统仅能在百余米左右海深上保持较高定位精度，随着海深的增加，其定位误差与斜距成正比，满足不了精密大洋考察的要求；长基线系统定位精度在接近水面的深度上精度变差，需要精确、复杂的海底阵形校准，且难于在较短的工作周期内实现水面与水下同时对潜器定位。本发明基于该作业需求，克服了原有定位系统单一功能，扩展了自身设备之间的融合技术，实现了多方位灵活地实时监控与导航跟踪，可以保证提供具有充分数据冗余的全海深米级定位精度，将会大大改善未来水下作业定位服务效果。
[0003]现有的水下定位系统存在在全海深下对水下目标提供高精度定位精度低的问题。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决现有的水下定位系统存在在全海深下对水下目标提供高精度定位精度低的问题，而提出了一种深海水声综合定位系统。本发明的目的还在于提供一种采用该系统实现对水下潜器的定位与导航方法。
[0005]深海水声综合定位系统，它包括水面跟踪与标定子系统、潜器测距与定位子系统和多个水声综合应答器子系统，
[0006]水面跟踪与标定子系统安装在水面大洋调查作业船只上，潜器测距与定位子系统安装在深海潜器上，多个水声综合应答器布放于海底，
[0007]所述水面跟踪与标定子系统包括声学换能器收发基阵、基阵升降杆、跟踪标定处理机、操作显示平台，
[0008]声学换能器收发基阵安装在基阵升降杆的末端，声学换能器收发基阵的驱动信号输入端与跟踪标定处理机的驱动信号输出端连接，声学换能器收发基阵的反馈信号输出端与跟踪标定处理机的反馈信号输入端连接，跟踪标定处理机通过数据总线与操作显示平台连接；[0009]所述潜器测距与定位子系统包括第一深水耐压换能器、深水耐压壳体和耐压水密电缆，
[0010]深水耐压壳体内侧腔体为测距与定位电子舱，深水耐压换能器和测距与定位电子舱内的电信号交互通过耐压水密电缆实现电气连接，测距与定位电子舱内设置有信号驱动模块和信号解析模块，所述信号驱动模块的驱动信号输出端连接深水耐压换能器的驱动信号输入端，所述信号解析模块的反馈信号输入端连接深水耐压换能器的反馈信号输出端，
[0011]所述水声综合应答器子系统包括第二深水耐压换能器、深水耐压壳体、应答释放管理电子舱、电池组、释放机构，
[0012]深水耐压壳体内侧腔体为应答释放管理电子舱，电池组固定在该应答释放管理电子舱内，释放机构固定在深水耐压壳体的外侧尾部，深水耐压换能器固定在深水耐压壳体外侧顶端，应答释放管理电子舱内设置有信号驱动模块、信号解析模块和释放管理模块，所述信号驱动模块的驱动信号输出端连接深水耐压换能器的驱动信号输入端，所述信号解析模块的反馈信号输入端连接深水耐压换能器的反馈信号输出端，所述释放管理模块的释放信号输出端与释放机构相连。
[0013]水声综合应答器子系统固定排列于水底构成应答器基阵。
[0014]水声综合应答器子系统至少有三个，水声综合应答器子系统固定排列于水底构成应答器基阵。
[0015]基于深海水声综合定位系统对水下潜器的定位与导航方法，根据潜器测距与定位子系统设定的应答模式，水面大洋调查作业船只对深海潜器的跟踪定位:深海水声综合定位系统在每个定位周期中，先由水面跟踪与标定子系统发射询问指令，由潜器测距与定位子系统内的深水耐压换能器接收该信号后发射应答信号；该应答信号同时作为水声综合应答器子系统的询问指令，水声综合应答器子系统的深水耐压换能器接收信号后发射应答信号；潜器测距与定位子系统接收应答信号利用长基线定位原理完成自身定位导航，同时水面跟踪与标定子系统接收测距与定位子系统的应答信号后利用超短基线定位原理实现水面大洋调查作业船只对深海潜器的跟踪定位。
[0016]基于深海水声综合定位系统对水下潜器的定位与导航方法:
[0017]根据潜器测距与定位子系统设定的自主工作模式，潜器测距与定位子系统完成自身定位导航:在深海潜器下水之前进行水面跟踪与标定子系统与潜器测距与定位子系统对齐时钟，深海水声综合定位系统在每个定位周期中，先由潜器测距与定位子系统发射询问指令，水面跟踪与标定子系统接收该信号后利用超短基线定位原理实现水面大洋调查作业船只对深海潜器的跟踪定位，水声综合应答器子系统接收询问指令后发射应答信号，潜器测距与定位子系统接收应答信号利用长基线定位原理完成自身定位导航。
[0018]水面大洋调查作业船只对深海潜器的跟踪定位之前，首先完成水面跟踪与标定子系统的系统校准来消除声学换能器收发基阵的安装误差:在海底布放一只水声综合应答器系统，水面跟踪与标定子系统在水声综合应答器系统下沉过程中连续与其应答，通过超短基线定位原理监测水声综合应答器子系统下放全过程，待水声综合应答器系统触底并稳定后，水面大洋调查作业船只围绕水声综合应答器子系统航行，航行过程中保持应答，测量并记录水声综合应答器系统的位置，完成水面跟踪与标定子系统的系统校准。
[0019]本发明还包括利用水面跟踪与标定子系统标定水声综合应答器系统的大地坐标，此过程为:由水面大洋调查作业船只布放多只水声综合应答器系统形成应答器基阵，首先利用水面跟踪与标定子系统直接定位应答器基阵中距离最远的两只水声综合应答器子系统的大地坐标，水面跟踪与标定子系统的声学换能器收发基阵向一只水声综合应答器子系统发射测阵指令，该只水声综合应答器子系统启动测阵模式，并向其他水声综合应答器系统发射询问指令，其他水声综合应答器子系统接收询问指令后，向声学换能器收发基阵发射回复信号，操作显示平台记录此过程所有水声综合应答器子系统的时延值，完成后测阵模式中的水声综合应答器子系统自动回到应答模式，直至每只水声综合应答器子系统均进入过测阵模式，跟踪标定处理机利用全部时延值计算各只水声综合应答器子系统的相对距离，并连同已获得的两只水声综合应答器子系统的大地坐标计算应答器基阵中每只水声综合应答器子系统的大地坐标，将此坐标值装订到水面跟踪与标定子系统与潜器测距与定位子系统中。
[0020]本发明的有益效果在于:
[0021]本发明是深海水声综合定位系统通过水面跟踪与标定子系统、潜器测距与定位子系统和水声综合应答器子系统之间发射询问指令，并接收彼此回复的应答信号，实现水面对水下目标位置进行实时监测，在全海深下定位精度同比现有设备提高了 4倍以上。本发明尤其适用于水下定位【技术领域】，更适合在全海深进行定位。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是【具体实施方式】一所述的深海水声综合定位系统的原理示意图；
[0023]图2是深海水声综合定位系统的系统校准原理示意图；
[0024]图3是深海水声综合定位系统的标定原理不意图；
[0025]图4是深海水声综合定位系统的水面大洋调查作业船只发起方式工作示意图；
[0026]图5是深海水声综合定位系统的深海潜器发起方式工作示意图；
[0027]图6是深海水声综合定位系统实现对水下潜器的定位与导航方法。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0029]实施例一、结合图1说明本实施方式，本实施例所述的深海水声综合定位系统，它包括水面跟踪与标定子系统1、潜器测距与定位子系统2和多个水声综合应答器子系统3，
[0030]水面跟踪与标定子系统I安装在水面大洋调查作业船只上，潜器测距与定位子系统2安装在深海潜器上,多个水声综合应答器3布放于海底，
[0031]所述水面跟踪与标定子系统I包括声学换能器收发基阵4、基阵升降杆5、跟踪标定处理机6、操作显示平台7，
[0032]声学换能器收发基阵4安装在基阵升降杆5的末端，声学换能器收发基阵4的驱动信号输入端与跟踪标定处理机6的驱动信号输出端连接，声学换能器收发基阵4的反馈信号输出端与跟踪标定处理机6的反馈信号输入端连接，跟踪标定处理机6通过数据总线与操作显示平台7连接；
[0033]所述潜器测距与定位子系统2包括第一深水耐压换能器8-1、深水耐压壳体9和耐压水密电缆10，[0034]深水耐压壳体9内侧腔体为测距与定位电子舱11，深水耐压换能器8-1和测距与定位电子舱11内的电信号交互通过耐压水密电缆10实现电气连接，测距与定位电子舱11内设置有信号驱动模块和信号解析模块，所述信号驱动模块的驱动信号输出端连接深水耐压换能器8-1的驱动信号输入端，所述信号解析模块的反馈信号输入端连接深水耐压换能器8-1的反馈信号输出端，
[0035]所述水声综合应答器子系统3包括第二深水耐压换能器8-2、深水耐压壳体12、应答释放管理电子舱13、电池组14、释放机构15，
[0036]深水耐压壳体12内侧腔体为应答释放管理电子舱13，电池组14固定在该应答释放管理电子舱13内，释放机构15固定在深水耐压壳体12的外侧尾部，深水耐压换能器8-2固定在深水耐压壳体12外侧顶端，应答释放管理电子舱13内设置有信号驱动模块、信号解析模块和释放管理模块，所述信号驱动模块的驱动信号输出端连接深水耐压换能器8-2的驱动信号输入端，所述信号解析模块的反馈信号输入端连接深水耐压换能器8-2的反馈信号输出端，所述释放管理模块的释放信号输出端与释放机构15相连。
[0037]本实施例中，声学换能器收发基阵4用于向潜器测距与定位子系统2或水声综合应答器子系统3发射询问指令，并接收回复的应答信号。基阵升降杆5安装于水面大洋调查作业船只的竖井中，用于在作业时将声学换能器收发基阵4探出船体，在作业结束后将声学换能器收发基阵4收回。跟踪标定处理机6为水面跟踪与标定子系统I的干舱设备，用于控制水面跟踪与标定子系统I的工作模式与参数状态，解析应答信号，完成对水声综合应答器标定计算以及对潜器测距与定位子系统2的定位跟踪。操作显示平台7为水面跟踪与标定子系统I的干舱设备，用于直观显示跟踪标定处理机6的处理结果，并向跟踪标定处理机6下传用户的操作与控制指令信息。
[0038]本实施例中，潜器测距与定位子系统2用于向水面大洋调查作业船只标示自身位置，并通过与水声综合应答器3交互完成对自身的定位导航，具有应答与自主两种工作模式。
[0039]深水耐压换能器8用于向应答器基阵发射询问指令并接收应答信号，接收水面跟踪与标定子系统发射的询问指令并发射应答信号，完成声信号与电信号之间的相互转换。测距与定位电子舱11用于控制整个潜器测距与定位子系统2的工作:应答模式下，检测处理接收的水面跟踪与标定子系统I的询问指令及水声综合应答器子系统3的应答信号；自主模式下仅检测处理水声综合应答器子系统3的应答信号。解算潜器测距与定位子系统2的位置，并将解算结果传递给深海潜器。
[0040]水声综合应答器3具有休眠、应答、测阵三种工作模式。
[0041]本实施例中，深水耐压换能器8用于接收水面跟踪与标定子系统I或潜器测距与定位子系统2发射的询问指令并发射应答信号，完成声信号与电信号之间的相互转换。应答释放管理电子舱13用于控制子系统工作:应答模式下，应答释放管理电子舱13检测处理询问指令与释放指令，控制应答声信号回复，响应释放指令；测阵模式下，检测处理测阵指令与测阵信号，响应测阵指令；休眠模式下，管理水声综合应答器子系统3供电，检测并响应唤醒指令。
[0042]实施例二、本实施例与实施例一所述的深海水声综合定位系统的不同点在于，水声综合应答器子系统3为多个，该多个水声综合应答器子系统3固定排列于水底构成应答器基阵。
[0043]实施例三、本实施例与实施例一所述的深海水声综合定位系统的不同点在于,水声综合应答器子系统3至少有三个，该至少三个水声综合应答器子系统3固定排列于水底构成应答器基阵。
[0044]实施例四、采用实施例一所述的深海水声综合定位系统实现对水下潜器的定位与导航方法，该定位与导航方法采用以下两种之一，参见图6:
[0045]方法一、根据潜器测距与定位子系统2设定的应答模式，水面大洋调查作业船只对深海潜器的跟踪定位:深海水声综合定位系统在每个定位周期中，先由水面跟踪与标定子系统I发射询问指令，由潜器测距与定位子系统2内的深水耐压换能器8-1接收该信号后发射应答信号；该应答信号同时作为水声综合应答器子系统3的询问指令，水声综合应答器子系统3的深水耐压换能器8-2接收信号后发射应答信号；潜器测距与定位子系统2接收应答信号利用长基线定位原理完成自身定位导航，同时水面跟踪与标定子系统I接收测距与定位子系统2的应答信号后利用超短基线定位原理实现水面大洋调查作业船只对深海潜器的跟踪定位，参见图4 ；
[0046]方法二、根据潜器测距与定位子系统2设定的自主工作模式，潜器测距与定位子系统2完成自身定位导航:在深海潜器下水之前进行水面跟踪与标定子系统I与潜器测距与定位子系统2对齐时钟，深海水声综合定位系统在每个定位周期中，先由潜器测距与定位子系统2发射询问指令，水面跟踪与标定子系统I接收该信号后利用超短基线定位原理实现水面大洋调查作业船只对深海潜器的跟踪定位，水声综合应答器子系统3接收询问指令后发射应答信号，潜器测距与定位子系统2接收应答信号利用长基线定位原理完成自身定位导航，参见图5。
[0047]本实施例中，深海潜器完成定位后，选择性的对应答器基阵进行休眠或回收，此过程为:休眠时，由水面跟踪与标定子系统I向应答器基阵中的各只水声综合应答器子系统3发射休眠指令，水声综合应答器子系统3进入休眠模式；回收时，由水面跟踪与标定子系统I逐一向应答器基阵中的各只水声综合应答器子系统3发射释放指令，水面跟踪与标定子系统I定位水声综合应答器子系统3的上浮过程。
[0048]实施例五、本实施例是对实施例四所述的定位与导航方法的进一步限定，本实施例中，水面大洋调查作业船只对深海潜器的跟踪定位之前，首先完成水面跟踪与标定子系统I的系统校准来消除声学换能器收发基阵4的安装误差:在海底布放一只水声综合应答器系统3，水面跟踪与标定子系统I在水声综合应答器系统3下沉过程中连续与其应答，通过超短基线定位原理监测水声综合应答器子系统3下放全过程，待水声综合应答器系统3触底并稳定后，水面大洋调查作业船只围绕水声综合应答器子系统3航行，航行过程中保持应答，测量并记录水声综合应答器系统3的位置，完成水面跟踪与标定子系统I的系统校准，参见图2。
[0049]实施例六、本实施例是对实施例四所述的定位与导航方法的进一步限定，定位与导航方法还包括利用水面跟踪与标定子系统I标定水声综合应答器系统3的大地坐标，此过程为:由水面大洋调查作业船只布放多只水声综合应答器系统3形成应答器基阵，首先利用水面跟踪与标定子系统I直接定位应答器基阵中距离最远的两只水声综合应答器子系统3的大地坐标,水面跟踪与标定子系统I的声学换能器收发基阵4向一只水声综合应答器子系统3发射测阵指令，该只水声综合应答器子系统启动测阵模式，并向其他水声综合应答器系统3发射询问指令，其他水声综合应答器子系统3接收询问指令后，向声学换能器收发基阵4发射回复信号，操作显示平台7记录此过程所有水声综合应答器子系统3的时延值，完成后测阵模式中的水声综合应答器子系统3自动回到应答模式，直至每只水声综合应答器子系统3均进入过测阵模式，跟踪标定处理机6利用全部时延值计算各只水声综合应答器子系统3的相对距离，并连同已获得的两只水声综合应答器子系统3的大地坐标计算应答器基阵中每只水声综合应答器子系统3的大地坐标，将此坐标值装订到水面跟踪与标定子系统I与潜器测距与定位子系统2中，参见图3。
【权利要求】
1.一种深海水声综合定位系统，包括水面跟踪与标定子系统(I)、潜器测距与定位子系统(2)和水声综合应答器子系统(3)，其特征在于: 水面跟踪与标定子系统(I)安装在水面大洋调查作业船只上，潜器测距与定位子系统(2)安装在深海潜器上,水声综合应答器(3)布放于海底， 所述水面跟踪与标定子系统(I)包括声学换能器收发基阵(4)、基阵升降杆(5)、跟踪标定处理机(6)、操作显示平台(7)， 声学换能器收发基阵(4)安装在基阵升降杆(5)的末端，声学换能器收发基阵(4)的驱动信号输入端与跟踪标定处理机(6)的驱动信号输出端连接，声学换能器收发基阵(4)的反馈信号输出端与跟踪标定处理机(6)的反馈信号输入端连接，跟踪标定处理机(6)通过数据总线与操作显示平台(7)连接； 所述潜器测距与定位子系统(2)包括第一深水耐压换能器(8-1)、深水耐压壳体(9)和耐压水密电缆(10)， 深水耐压壳体(9)内侧腔体为测距与定位电子舱(11)，深水耐压换能器(8-1)和测距与定位电子舱(11)内的电信号交互通过耐压水密电缆(10)实现电气连接，测距与定位电子舱(11)内设置有信号驱动模块和信号解析模块，所述信号驱动模块的驱动信号输出端连接深水耐压换能器 (8-1)的驱动信号输入端，所述信号解析模块的反馈信号输入端连接深水耐压换能器(8-1)的反馈信号输出端； 所述水声综合应答器子系统(3)包括第二深水耐压换能器(8-2)、深水耐压壳体(12)、应答释放管理电子舱(13)、电池组(14)、释放机构(15)， 深水耐压壳体(12)内侧腔体为应答释放管理电子舱(13)，电池组(14)固定在该应答释放管理电子舱(13 )内，释放机构(15 )固定在深水耐压壳体(12 )的外侧尾部，深水耐压换能器(8-2)固定在深水耐压壳体(12)外侧顶端，应答释放管理电子舱(13)内设置有信号驱动模块、信号解析模块和释放管理模块，所述信号驱动模块的驱动信号输出端连接深水耐压换能器(8-2)的驱动信号输入端，所述信号解析模块的反馈信号输入端连接深水耐压换能器(8-2)的反馈信号输出端，所述释放管理模块的释放信号输出端与释放机构(15)相连。
2.根据权利要求1所述的深海水声综合定位系统，其特征在于:水声综合应答器子系统(3)固定排列于水底构成应答器基阵。
3.根据权利要求1所述的深海水声综合定位系统，其特征在于:水声综合应答器子系统(3)至少有三个，水声综合应答器子系统(3)固定排列于水底构成应答器基阵。
4.一种基于深海水声综合定位系统对水下潜器的定位与导航方法，其特征在于: 根据潜器测距与定位子系统(2)设定的应答模式，水面大洋调查作业船只对深海潜器的跟踪定位:深海水声综合定位系统在每个定位周期中，先由水面跟踪与标定子系统(I)发射询问指令，由潜器测距与定位子系统(2)内的深水耐压换能器(8-1)接收该信号后发射应答信号；该应答信号同时作为水声综合应答器子系统(3)的询问指令，水声综合应答器子系统(3)的深水耐压换能器(8-2)接收信号后发射应答信号；潜器测距与定位子系统(2)接收应答信号利用长基线定位原理完成自身定位导航，同时水面跟踪与标定子系统(I)接收测距与定位子系统(2)的应答信号后利用超短基线定位原理实现水面大洋调查作业船只对深海潜器的跟踪定位。
5.一种基于深海水声综合定位系统对水下潜器的定位与导航方法，其特征在于: 根据潜器测距与定位子系统(2)设定的自主工作模式，潜器测距与定位子系统(2)完成自身定位导航:在深海潜器下水之前进行水面跟踪与标定子系统(I)与潜器测距与定位子系统(2)对齐时钟，深海水声综合定位系统在每个定位周期中，先由潜器测距与定位子系统(2)发射询问指令，水面跟踪与标定子系统(I)接收该信号后利用超短基线定位原理实现水面大洋调查作业船只对深海潜器的跟踪定位，水声综合应答器子系统(3)接收询问指令后发射应答信号，潜器测距与定位子系统(2)接收应答信号利用长基线定位原理完成自身定位导航。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于深海水声综合定位系统对水下潜器的定位与导航方法，其特征在于:水面大洋调查作业船只对深海潜器的跟踪定位之前，首先完成水面跟踪与标定子系统(I)的系统校准来消除声学换能器收发基阵(4)的安装误差:在海底布放一只水声综合应答器系统(3)，水面跟踪与标定子系统(I)在水声综合应答器系统(3)下沉过程中连续与其应答，通过超短基线定位原理监测水声综合应答器子系统(3 )下放全过程，待水声综合应答器系统(3)触底并稳定后，水面大洋调查作业船只围绕水声综合应答器子系统(3)航行，航行过程中保持应答，测量并记录水声综合应答器系统(3)的位置，完成水面跟踪与标定子系统(I)的系统校准。
7.根据权利要求6所述的一种基于深海水声综合定位系统对水下潜器的定位与导航方法，其特征在于:还包括利用水面跟踪与标定子系统(I)标定水声综合应答器系统(3)的大地坐标，此过程为:由水面大洋调查作业船只布放多只水声综合应答器系统(3)形成应答器基阵，首先利 用水面跟踪与标定子系统(I)直接定位应答器基阵中距离最远的两只水声综合应答器子系统(3)的大地坐标，水面跟踪与标定子系统(I)的声学换能器收发基阵(4)向一只水声综合应答器子系统(3)发射测阵指令，该只水声综合应答器子系统启动测阵模式，并向其他水声综合应答器系统(3)发射询问指令，其他水声综合应答器子系统(3)接收询问指令后，向声学换能器收发基阵(4)发射回复信号，操作显示平台(7)记录此过程所有水声综合应答器子系统(3)的时延值，完成后测阵模式中的水声综合应答器子系统(3)自动回到应答模式，直至每只水声综合应答器子系统(3 )均进入过测阵模式，跟踪标定处理机(6)利用全部时延值计算各只水声综合应答器子系统(3)的相对距离，并连同已获得的两只水声综合应答器子系统(3)的大地坐标计算应答器基阵中每只水声综合应答器子系统(3)的大地坐标，将此坐标值装订到水面跟踪与标定子系统(I)与潜器测距与定位子系统(2)中。
【文档编号】G01S5/18GK103926560SQ201410150903
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月15日 优先权日:2014年4月15日
【发明者】孙大军, 邓翠娥, 张居成, 李昭, 张殿伦, 勇俊, 李想, 王永恒, 韩云峰 申请人:哈尔滨工程大学