基于多无人艇平台的高精度长基线定位系统的制作方法

本发明涉及水声定位领域，具体基于多无人艇平台的高精度长基线定位系统。

背景技术：

现有水声定位技术主要包括超短基线定位、短基线定位和长基线定位。其中长基线定位系统可覆盖最大的定位区域，可实现高精度定位。长基线定位通常基于潜标平台或浮标平台实现。基于潜标平台的长基线定位系统虽然可以达到较高的定位精度，但是其布放回收复杂、低效、机动性能差、阵位校准困难。基于水面船的长基线定位系统需要多条水面船，成本高、噪声大、效率低。基于浮标平台的长基线定位系统阵形稳定性差，定位性能受海洋环境影响大。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有基于潜标平台或浮标平台的长基线定位系不利于定位的问题，从而提供基于多无人艇平台的高精度长基线定位系统。

本发明所述的基于多无人艇平台的高精度长基线定位系统，包括指挥控制分系统和多个无人艇定位分系统；每个无人艇设有1个无人艇定位分系统；

每个无人艇定位分系统配置1个水听器基阵单元，所有水听器基阵单元获得的信号都发送给指挥控制分系统进行处理，进而获取目标的位置；

指挥控制分系统包括阵型优化模块、控制管理模块、数据处理模块和第一数据通信模块；

阵型优化模块，用于对无人艇定位分系统的位置进行优化，并将阵型优化结果发送给控制管理模块；

控制管理模块，用于根据阵型优化结果向无人艇定位分系统发送无人艇控制命令；

数据处理模块，用于根据水听器基阵单元的位置坐标和目标的直达波信号，利用几何交汇法确定目标的位置；

第一数据通信模块，用于与无人艇定位分系统进行通信；

每个无人艇定位分系统均包括基阵自定位模块、目标信号检测模块、控制模块、水下数据传输模块和第二数据通信模块；

基阵自定位模块，用于确定水听器基阵单元的位置坐标，并发送给水下数据传输模块；

目标信号检测模块，用于通过水听器基阵单元获得目标的直达波信号，并发送给水下数据传输模块；

水下数据传输模块，用于将接收到的数据发送给第二数据通信模块；

控制模块，用于接收指挥控制分系统的无人艇控制命令，控制无人艇根据控制命令进行动作；

第二数据通信模块，用于与指挥控制分系统进行通信。

优选的是，基阵自定位模块包括卫星定位单元、辅助信息测量单元、水声信标单元、水听器基阵单元和自定位解算单元；

水声信标单元，用于在水下发送声脉冲信号；

卫星定位单元，用于提供水声信标单元的绝对位置坐标，并发送给自定位解算单元；

水听器基阵单元，用于将接收到的水声信标单元发送的声脉冲信号发送给自定位解算单元；

辅助信息测量单元，用于测量目标信号检测模块位置处的辅助信息，包括深度、航向、纵倾、俯仰、声速，并发送给自定位解算单元；

自定位解算单元，用于根据接收到的脉冲信号结合水声信标单元的绝对位置坐标和辅助信息确定水听器基阵单元的位置坐标。

优选的是，目标信号检测模块包括水听器基阵单元和数据存储单元；

水听器基阵单元，用于接收目标声波信号，然后根据目标声波信号获得目标直达波信号，并发送给水下数据传输模块和数据存储单元；

数据存储单元，用于存储接收到的数据。

优选的是，目标信号检测模块还包括信号检测单元；

信号检测单元，用于接收水听器基阵单元发送的目标直达波信号，然后判断水下是否有待测目标；当有待测目标时，控制模块通过水下数据传输模块控制水听器基阵单元主动向水下数据传输模块发送数据，否则不向水下数据传输模块发送数据。

优选的是，指挥控制分系统和多个无人艇定位分系统均还包括时间同步模块；

当控制模块接收到控制管理模块发送的时间同步命令后，控制模块使无人艇定位分系统的时间同步模块与指挥控制分系统的时间同步模块进行时钟对准。

优选的是，无人艇定位分系统至少为4个，选取其中4个，相应的4个水听器基阵单元分别为水听器基阵单元a、b、c、d；则数据处理模块根据水听器基阵单元的位置坐标和目标的直达波信号，利用几何交汇法确定目标的位置，具体包括以下步骤：

步骤一、将水听器基阵单元b、c、d的目标直达波信号与水听器基阵单元a做相关，得到目标发射信号到水听器基阵单元a的时间分别与目标发射信号到水听器基阵单元b、c、d的时间差τ10、τ20、τ30；

步骤二、计算目标分别与水听器基阵单元a、b、c、d之间的直线距离：

则，

δri＝ri-r0＝cτi0，(i＝1,2,3)(2)

其中，ri中i＝0，1,2，3，分别为目标与水听器基阵单元a、b、c、d之间的直线距离，δri中i＝1，2,3分别表示目标到水听器基阵单元a的距离与目标到水听器基阵单元b、c、d的距离之差，c为声速，水听器基阵单元a、b、c、d的坐标依次为(x0,y0,z0)、(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)，目标的坐标为(x,y,z)；

步骤三、由方程(1)(2)可得

(x0-xi)x+(y0-yi)y+(z0-zi)z＝ki+r0δri(3)

其中，

式(3)可用矩阵表示如下：

gx＝f(5)

其中

x＝[x,y,z]^t(7)

令g为满秩矩阵，则

x＝(g^tg)^-1g^tf(9)

令

则目标位置三维坐标的最小二乘解可表示为：

其中

将公式(11)代入公式(1)中，令i＝0，整理可得

ar0²+2br0+d＝0(13)

其中

对方程(13)求解可以得到r0，将r0代入式(11)，可以得到(x,y,z)，即为目标的初始位置(x⁰，y⁰，z⁰)；

步骤四、将公式(2)在声源初始位置(x⁰，y⁰，z⁰)处展开，可得

其中

τ'10，τ'20和τ'30是根据声学折射定律计算得到的位置(x0,y0,z0)分别与(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)的时延差，δτ10、δτ20和δτ30分别为水听器基阵单元b、c、d的时延误差；ε1、ε2和ε3是高阶小量；

利用线性方程组(15)求得的(δx,δy,δz)，然后更新初始位置：

求解位置误差更新距离δr：

当δr小于设定阈值时，更新后的初始位置即为目标位置；

否则利用更新后的初始位置重复步骤四，直至δr小于设定阈值时，得到目标位置。

优选的是，无人艇定位分系统还包括绞车模块；

当控制模块接收到控制管理模块发送的绞车模块布放或回收指令后，控制模块使绞车模块相应布放或回收基阵自定位模块和目标信号检测模块。

优选的是，指挥控制分系统还包括交互显示模块；

交互显示模块，用于接收并显示数据处理模块和控制管理模块发送的信息。

与现有的水声定位系统相比，本发明具有以下优点：

指挥控制分系统可以对无人艇定位分系统实时指挥控制，通过对无人艇构成的阵型进行优化设计和实时调整，实时性高，无人艇机动性好，方便跨海区作业，可以快速到达指定海域并根据需求灵活形成预设的定位阵型；无人艇吊放的水听器基阵单元的深度可以根据需求改变，而且水听器基阵单元的绝对位置可以实时精确测量得到；测点位置可以实时精确测量，保证长基线定位精度。相对于基于浮标的长基线定位系统的优点是机动性好，可以控制无人艇的位置，形成较好的阵形，进而实现高精度的定位。相对于基于水面船的长基线定位系统优点是由于不需要多条水面船，成本降低，效率提高，噪声降低。相对于基于潜标平台的长基线定位系统的优势是布放校准的时间大幅减小，效率提高，而且阵型可以依据定位需求灵活改变。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的基于多无人艇平台的高精度长基线定位系统的结构框图；

图2是具体实施方式五中的无人艇分布的示意图；

图3是具体实施方式五中的修正声源位置的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于多无人艇平台的高精度长基线定位系统，包括指挥控制分系统和多个无人艇定位分系统；每个无人艇设有1个无人艇定位分系统；

每个无人艇定位分系统配置1个水听器基阵单元，所有水听器基阵单元获得的信号都发送给指挥控制分系统进行处理，进而获取目标的位置。

本系统由一个岸基指挥中心或一条指挥船(搭载指挥控制分系统)和多条无人艇(搭载无人艇定位分系统)组成。多个无人艇的地位是相同的，均受指挥控制分系统控制指挥。

指挥控制分系统包括阵型优化模块、控制管理模块、数据处理模块和第一数据通信模块；

阵型优化模块，阵型优化模块根据输入的海深、声速剖面、节点作用距离和预计的目标位置对无人艇定位分系统的位置进行优化，并将阵型优化结果发送给控制管理模块；

控制管理模块，用于根据阵型优化结果向无人艇定位分系统发送无人艇控制命令；用于给阵型优化模块发送阵型优化指令，给指挥控制分系统的其它模块发送自检指令，并接收自检结果；

数据处理模块，用于根据水听器基阵单元的位置坐标和目标的直达波信号，利用几何交汇法确定目标的位置；

第一数据通信模块，用于与无人艇定位分系统进行通信；

每个无人艇定位分系统均包括基阵自定位模块、目标信号检测模块、控制模块、水下数据传输模块和第二数据通信模块；

基阵自定位模块，用于确定水听器基阵单元的位置坐标，并发送给水下数据传输模块；

目标信号检测模块，用于通过水听器基阵单元获得目标的直达波信号，并发送给水下数据传输模块；

水下数据传输模块，用于将接收到的数据发送给第二数据通信模块；

控制模块，用于接收指挥控制分系统的无人艇控制命令，控制无人艇根据控制命令进行动作；

第二数据通信模块，用于与指挥控制分系统进行通信。

数据通信模块实现无人艇定位分系统与指挥控制分系统之间的数据和控制指令的信息互联；无人艇定位分系统传到指挥控制分系统的数据有：时间数据、目标信号数据、水听器基阵的位置数据、无人艇设备的状态数据；指挥控制分系统传到无人艇定位分系统的数据主要是控制指令：如对无人艇的航行指令、布放指令、回收指令、采集开始指令、状态查询指令等。

指挥控制分系统与无人艇定位分系统通信采用卫星通信方式或无线电通信方式

本实施方式中，指挥控制分系统还包括数据存储模块，实现对第一数据通信模块接收到的数据进行存储。无人艇定位分系统还包括电源模块，用于为无人艇定位分系统供电。

本实施方式中，还包括交互显示模块；对时间信息、各无人艇位置数据、水听器基阵单元位置数据、无人艇测量目标信号数据、多无人艇目标定位解算结果数据、无人艇设备的状态信息、系统参数数据、下行指令数据及回复数据进行显示，便于用户交互。

目标定位模块和基阵自定位模块共用一个水听器基阵单元。系统目标定位方法为：(1)指挥控制分系统与无人艇通信，引导无人艇航行到指定目标海域，形成给定的几何阵型；(2)各无人艇根据指挥控制分系统指令自动布放水听器基阵单元到指定深度，水听器基阵单元进行接收水中信号，同时基阵自定位；(3)无人艇定位分系统将检测到的目标信号和水听器阵的位置数据回传到指挥控制分系统；(4)指挥控制分系统计算各无人艇分系统接收信号的时延差，利用几何交汇法对目标进行定位。多无人艇定位分系统将所测的目标信号和水听器基阵单元信息回传到指挥控制分系统，用相关法求得信号到达各水听器基阵单元的时间差，利用双曲交汇法求解得到目标的位置。本实施方式中，水听器基阵单元的位置精度已知。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于多无人艇平台的高精度长基线定位系统作进一步说明，本实施方式中，基阵自定位模块包括卫星定位单元、辅助信息测量单元、水声信标单元、水听器基阵单元和自定位解算单元；

水声信标单元，安装在无人艇底部/水下0.5m，用于在卫星定位单元发送的秒脉冲的触发下在水下每秒定时发送高频声脉冲信号；

卫星定位单元，用于提供水声信标单元的绝对位置坐标，并发送给自定位解算单元；

水听器基阵单元，用于将接收到的水声信标单元发送的声脉冲信号发送给自定位解算单元；

辅助信息测量单元，用于测量目标信号检测模块位置处的辅助信息，包括深度、航向、纵倾、俯仰、声速，并发送给自定位解算单元；

自定位解算单元，对水听器基阵单元的接收信号进行高频的一个带通滤波，获得水声信标单元发射的高频声脉冲信号，用于根据接收到的脉冲信号结合水声信标单元的绝对位置坐标和辅助信息确定水听器基阵单元的位置坐标。

水听器基阵单元能够接收无人艇底部安装的水声信标单元发射的高频同步脉冲，结合信标的位置信息实现对水听器基阵单元的自定位，达到水听器基阵单元三维坐标实时监测的目的。卫星定位单元采用gps或北斗系统实现。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于多无人艇平台的高精度长基线定位系统作进一步说明，本实施方式中，指挥控制分系统和多个无人艇定位分系统均还包括时间同步模块；

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于多无人艇平台的高精度长基线定位系统作进一步说明，本实施方式中，当控制模块接收到控制管理模块发送的时间同步命令后，控制模块使无人艇定位分系统的时间同步模块与指挥控制分系统的时间同步模块进行时钟对准。实现各无人艇分系统与指挥控制分系统之间保持高精度时间同步。

无人艇定位分系统还包括绞车模块；

当控制模块接收到控制管理模块发送的绞车模块布放或回收指令后，控制模块使绞车模块相应布放或回收基阵自定位模块和目标信号检测模块。

无人艇定位分系统按照位置划分可以分为水面部分和水下部分，其中无人艇通过绞车模块将水下部分布放到水下一定深度；水面部分和水下部分的数据联系通过水下数据传输模块联系；无人艇与指挥中心通过第二数据通信模块联系。水面部分包括第二数据通信模块、时间同步模块，绞车模块、基阵自定位模块中水声信标单元和卫星定位单元；水下部分包括水下数据传输模块、目标信号检测模块、基阵自定位模块中的水听器基阵单元及辅助信息测量单元、自定位解算单元。

目标信号检测模块、基阵自定位模块的水听器基阵单元共用，目标信号检测模块利用其中的中低频带，基阵自定位模块利用其中的高频带。

具体实施方式五：结合图2和3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的基于多无人艇平台的高精度长基线定位系统作进一步说明，本实施方式中，无人艇定位分系统至少为4个，选取其中4个，相应的4个水听器基阵单元分别为水听器基阵单元a、b、c、d；则数据处理模块根据水听器基阵单元的位置坐标和目标的直达波信号，利用几何交汇法确定目标的位置，具体包括以下步骤：

步骤一、水听器基阵单元根据不同水听器接收的信号波束形成，得到每个水听器基阵单元接收的直达波信号。每个水听器基阵单元包括直线阵和十字交叉阵。将水听器基阵单元b、c、d的目标直达波信号与水听器基阵单元a做相关，得到目标发射信号到水听器基阵单元a的时间分别与目标发射信号到水听器基阵单元b、c、d的时间差τ10、τ20、τ30；

步骤二、根据声源与几个基阵单元之间的相对位置关系，建立声源位置解算方程(2)：

下面以水听器基阵单元a,b,c,d的1号阵元为例，设水听器基阵单元a位置的1号阵元为(x0,y0,z0)，水听器基阵单元b位置的1号阵元为(x1,y1,z1)，水听器基阵单元c位置的1号阵元为(x2,y2,z2)，水听器基阵单元d位置的1号阵元为(x3,y3,z3)，声源即目标的位置为s(x,y,z)，如图1所示。

计算目标分别与水听器基阵单元a、b、c、d之间的直线距离：

通过图中几何关系，可列出如下方程，

δri＝ri-r0＝cτi0，(i＝1,2,3)(2)

其中，ri中i＝0，1,2，3，分别为目标与水听器基阵单元a、b、c、d之间的直线距离，δri中i＝1，2,3分别表示目标到水听器基阵单元a的距离与目标到水听器基阵单元b、c、d的距离之差，c为声速；

步骤三、根据声源与不同水听器间的位置关系，利用双曲面交汇的方法，列方程解算声源的坐标。

由方程(1)(2)可得

(x0-xi)x+(y0-yi)y+(z0-zi)z＝ki+r0δri(3)

其中，

式(3)是一个非线性方程组，假设r0已知，那么该式(3)可用矩阵表示如下：

gx＝f(5)

其中

x＝[x,y,z]^t(7)

选择合适的坐标，令g为满秩矩阵，则

x＝(g^tg)^-1g^tf(9)

若根据公式(9)解出声源的坐标，则需要确定r0的值。

令

则目标位置三维坐标的最小二乘解可表示为：

其中

将公式(11)代入公式(1)中，令i＝0，整理可得

ar0²+2br0+d＝0(13)

其中

对二元一次方程(13)求解可以得到r0，将r0代入式(11)，可以得到(x,y,z)，即为目标的初始位置(x⁰，y⁰，z⁰)；

步骤四、利用步骤三中的声源位置初值，根据声学折射定律(snell定律)，求得声源到不同阵之间的时延与实际时延值的差值，通过差分方程(15)求得坐标偏差，修正声源的位置。

将公式(2)在声源初始位置(x⁰，y⁰，z⁰)处展开，可得

其中

τ'10，τ'20和τ'30是根据声学折射定律求得位置(x,y,z)与测量点之间的特征声线，计算得到的位置(x0,y0,z0)分别与(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)的时延差，δτ10、δτ20和δτ30分别为水听器基阵单元b、c、d的时延误差；ε1、ε2和ε3是高阶小量，可以忽略。

利用线性方程组(15)求得的(δx,δy,δz)，然后更新初始位置：

求解位置误差δr：

当δr小于设定阈值vt(如小于1)时，更新后的初始位置即为目标位置；

否则利用更新后的初始位置重复步骤四，直至δr小于设定阈值时，得到目标位置。

图2中1为指挥船，2为无人艇，3为卫星中继。图3为修正声源位置的流程图。

该方法的目的是深海多途条件下，声源位置固定，已知海水深度、声速剖面、接收节点的位置，通过对不同接收节点接收到信号的时延差，以及声源与接收节点间的相对位置坐标解算声源的位置。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。