超短基线安装误差校准装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于水声定位技术领域，设及水声定位系统的安装误差校准装置，具 体指一种超短基线安装误差校准装置。
【背景技术】
[0002] 水下定位导航技术是一切海洋开发活动和海洋高技术发展的基本前提，海洋领域 的开发和军事需求推动了水下高精度定位技术的发展，超短基线声学定位系统的应用开发 和技术研究在现代化海洋科学中起着重要作用。超短基线是一种常见的水声定位技术，与 其它基线相比，超短基线定位系统基线基阵尺寸小，易于安装，但由于远距离误差发散快， 超短基线作用距离短，所W精度通常也不高。安装超短基线定位系统进行水下声学定位测 量过程中，很难保证换能器声学中屯、与转台中屯、之间Ξ坐标完全重合，各个传感器的坐标 系统并不能重合一致，它们之间因平移或旋转存在系统偏差，运些偏差是导致超短基线水 声定位系统定位误差的一个重要原因，必须对其进行校准。如何快速、有效地对超短基线定 位系统进行安装校准，是提高整个定位系统定位精度和设备可操作性的一个重要方面。
[0003] 传统的安装误差校准方法是将声头刚性安装在试验船上，并在声头正上方架设 RTK GPS和罗径，将应答器沉入水底，试验船按照预定路线（田字格或者S型)绕着应答器进 行航行，在每个航迹位置，定位系统与应答器进行应答，确定基阵坐标系下的应答器位置， 同时记录航迹各个测量点上的GPS位置(DGPS接收设备或者RTK设备最佳)和方位/姿态数 据。利用安装误差校准算法处理采集到的数据即可得到安装误差校准值，再将此值代入即 可进行精确定位。传统的安装误差校准方法虽能在一定程度上校正安装误差，但也存在一 些W下所述的固有缺陷：1)实践安装误差校准实验并不简易可行；由于RTK GPS、罗径和声 头刚性固定在试验船上，试验船需要绕着沉入水底的应答器按照既定的路线航行;一方面 运在湖上或是海上都是较难实现的，另一方面实验成本较高，影响实验的可实施性;2)RTK GPS自身带有误差；由于需要利用RTK GPS记录航迹各个测量点上的GPS值，所WRTK GPS的 自身误差同样得纳入定位系统的安装误差内；3)罗径亦存在安装误差，因为罗径架设在声 头正上方而不是集成到声头内部，运样每次安装罗径都会产生安装误差。为了克服现有超 短基线系统传统安装误差校准方法存在的W上几个固有缺点，亟需提出一个全新的安装误 差校准方法。 【实用新型内容】
[0004] 针对上述技术问题，本实用新型提出了一种全新的超短基线安装误差校准装置， 有效简化了水声定位系统安装误差校准的实验操作流程，降低了实验难度，并从根本上消 除了因误差校准装置存在自身固有误差而影响校准精度的技术问题。
[0005] 本实用新型通过W下技术方案来实现上述目的：
[0006] -种超短基线安装误差校准装置，所述校准装置包括声头、应答器、Ξ轴防水转台 和光纤罗经，所述声头通过法兰盘刚性固定在Ξ轴防水转台上，Ξ轴防水转台在空间坐标 系内具有互相垂直的Χ、Υ、Ζ轴Ξ个方向的旋转自由度，Ξ轴防水转台水平固定在测试水池 的池底;应答器通过航车和支架刚性固定后放入测试水池中，并由声头对其定位;光纤罗经 通过电缆与甲板处理单元连接。
[0007] 作为本校准装置的优化方案，所述光纤罗径一体化集成在声头内部。
[0008] 作为本校准装置的优化方案，所述Ξ轴防水转台包括基座，基座上设有互相垂直 的可旋转的转轴I、II、III，其中转轴I顶部固定连接有U形架，U形架上端设有可旋转的转轴 II，转轴II固定连接大矩形旋转支架，大矩形旋转支架短边中屯、轴端设有可旋转的中屯、转 轴III，转轴ΙΠ 固定连接小矩形旋转支架，所述声头通过转轴III固定安装在小矩形旋转支 架内，在矩形旋转平面内转轴II与转轴III互相垂直;每个轴的转动依靠伺服电机驱动，且 Ξ个转轴上均安装有用于测量旋转角度的高精度光电编码器。
[0009] 作为本校准装置的优化方案，所述声头为便携式声头。
[0010] 本实用新型的有益效果是：
[0011] 1、声头通过法兰盘刚性固定在Ξ轴防水转台上，每个轴的转动依靠伺服电机驱 动，且Ξ个转轴上均安装有用于测量旋转角度的高精度光电编码器，使得Ξ轴转台在空间 坐标系内具有互相垂直的Χ、Υ、Ζ轴Ξ个方向的旋转自由度，能实现任意旋转;转台按一定方 式旋转进行数据采集，代替了现有试验船需按既定路线绕应答器航行进行数据采集的实验 方式，有效简化了水声定位系统安装误差校准的实验操作流程，降低了实验难度，提高了实 验的可行性；
[0012] 2、将高精度光纤罗经一体化集成到声头内部，成品之前只需一次安装校准即可， 避免了使用中安装光纤罗经而存在的安装误差，提高了定位系统安装误差的校准精度；
[0013] 3、因声头的声学中屯、的地理坐标不变，所W不需要记录航迹各个测量点上的地理 坐标数据，即不存在RTK GPS带来的误差，进一步提高了定位系统安装误差的校准精度；
[0014] 4、利用本校准装置对安装误差进行校准，通过校准前后的数据对比分析，校准后 的定位结果方差较校准前减少50% W上且定位误差服从正态分布，相比校准W前的定位数 据更加聚焦。
【附图说明】
[0015] 图1为本实用新型的结构示意图；
[0016] 图2为本实用新型中Ξ轴防水转台的结构示意图；
[0017] 图3为本实用新型中声学坐标系；
[0018] 图4为坐标系旋转变换公式图解；
[0019] 图5为声头姿态坐标图；
[0020] 图6为声学坐标平移图；
[0021] 图7为评估误差曲线；
[0022] 图中：1-声头，2-换能器，3-应答器，4-光纤罗径，5-Ξ轴防水转台，6-测试水池，7-航车，8-支架，9-电缆，10-甲板处理单元，11-基座，12-转轴I，13-U形架，14-转轴II ,15-转 轴III，16-大矩形旋转支架，17-小矩形旋转支架。
【具体实施方式】
[0023] 下面将结合附图及实施例对本实用新型及其效果作进一步阐述。
[0024] 如图1所示，一种超短基线安装误差校准装置，所述校准装置包括声头1、应答器3、 Ξ轴防水转台5和光纤罗经4,所述声头1为便携式声头，声头1通过法兰盘刚性固定在Ξ轴 防水转台5上，Ξ轴防水转台5在空间坐标系内具有互相垂直的Χ、Υ、Ζ轴Ξ个方向的旋转自 由度，Ξ轴防水转台5水平固定在测试水池6的池底;应答器3通过航车7和支架8刚性固定后 放入测试水池6中，并由声头1对其定位;光纤罗经4通过电缆9与甲板处理单元10连接。
[0025] 具体地，如图2所示，Ξ轴防水转台5包括基座11，基座11上设有互相垂直的可旋转 的转轴I 12、转轴II 14、转轴III 15,其中转轴I 12顶部固定连接有U形架13，U形架13上端 设有可旋转的转轴II 14,转轴II 14固定连接可绕转轴II 14旋转的大矩形旋转支架16,大 矩形旋转支架16短边中屯、轴端设有可旋转的中屯、转轴III 15，转轴II115固定连接可绕转 轴III 15旋转的小矩形旋转支架17,所述声头1通过转轴III 15固定安装在小矩形旋转支 架17内，在矩形旋转平面内转轴II 14与转轴III 15互相垂直;每个轴的转动依靠伺服电机 驱动，且Ξ个转轴上均安装有用于测量旋转角度的高精度光电编码器，实现可按不同步长 旋转W及绕其中一个轴旋转时另外两个轴固定不动等多种旋转方式。转台5按一定的方式 旋转进行数据采集，代替了现有试验船需按既定路线绕应答器航行进行数据采集的实验方 式，有效简化了水声定位系统安装误差校准的实验操作流程，降低了实验难度，提高了实验 的可行性。
[0026] 所述光纤罗径4 一体化集成在便携式声头内部，成品之前只需一次安装校准即可， 避免了使用中安装光纤罗而存在的安装误差，W及系统不存在RTK GPS带来的误差，有效保 证了定位系统安装误差的校准精度。。
[0027] 利用上述超短基线安装误差校准装置的校准方法，具体包括W下步骤：
[0028] 1)应答器安装:将应答器3用航车7和支架8刚性固定后放入测试水池6中；
[0029] 2)声头安装:将光纤罗经4 一体化集成到声头1内部，声头通过法兰盘刚性固定在 Ξ轴防水转台5上，Ξ轴防水转台5在空间坐标系内具有互相垂直的Χ、Υ、Ζ轴Ξ个方向的旋 转自由度，每个转轴的转动依靠伺服电机驱动，且Ξ个转轴上均安装有用于测量旋转角度 的高精度光电编码器，Ξ轴防水转台5水平固定在水池底部，由声头1对应答器3进行定位；
[0030] 3)数据采集:转台依照Χ、Υ、Ζ轴的顺序分别进行旋转，绕其中一个轴旋转时另外两 个轴固定不动，旋转时W固定步长15度从0度顺时针旋转到360度，再从360度逆时针旋转到 0度，每转一个固定步长为一个测量点，在各个测量点上由声头1对应答器3进行定位，记录 光电编码器的角度测量值，确定声学坐标系下应答器3的位置数据，同时甲板处理单元10输 出光纤罗经的姿态数据；
[0031] 4)数据处理：利用安装误差校准算法处理采集到的数据即可得到安装误差校准 值；
[0032] 校准检验，通过校准前后的定位数据对比分析，校准后的定位结果方差较校准前 减少50% W上且定位误差服从正态分布，