一种基于深度信息的超短基线定位系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于深度信息的超短基线定位系统及方法，该系统包括超短基线平面阵、水下应答器、捷联惯导系统和多普勒计程仪；超短基线平面阵为五元十字阵，安装在母船船底或者水面浮标底部，由四个接收水听器和一个发射换能器组成；水下应答器安装在水下移动目标载体上；超短基线平面阵和水下应答器均集成有压力传感器。系统利用深度差信息代替传统的斜距信息求解水下应答器的空间位置，并结合复杂宽带编码的多普勒补偿与快速相关技术、基于多源信息融合的动态快速定位技术等，使得超短基线定位系统在工作过程中无需时间同步，无需询问，大大简化了水下移动目标的定位过程，满足定位系统低功耗、小型化、更新速率快的要求。

A kind of ultra short baseline positioning system and method based on depth information

The invention discloses a depth information of the USBL positioning system and method based on the system, including the ultra short baseline plane array, underwater transponder, strapdown inertial navigation system and Doppler log; ultra short baseline array five element cross array, installed in the ship bottom or bottom surface buoy, and by four hydrophones a transmitting transducer; underwater transponder mounted on the underwater moving target carrier; ultra short baseline planar array and underwater transponder are integrated with a pressure sensor. The space location system using depth difference information instead of the traditional oblique distance information for underwater transponder, and combined with Doppler compensation and fast correlation technology, complex wideband encoding based on multi-source information fusion fast dynamic positioning technology, the ultra short baseline positioning systems are without time synchronization in the process of work, without asking, greatly to simplify the process of localization of underwater moving target positioning system, to meet the low power consumption, miniaturization, fast update rate requirements.

【技术实现步骤摘要】
一种基于深度信息的超短基线定位系统及方法
本专利技术涉及水声定位
，尤其涉及一种基于深度信息的超短基线定位系统及方法。
技术介绍
海洋声学技术在水下目标探测、ROV导航、AUV作业、拖曳跟踪、资源勘探等领域一直发挥着重要作用，并且声波是水下设备进行远距离通信、定位、导航的唯一介质。水下声学定位系统及方法的研究是海洋装备开发不可逾越的障碍，现有的声学定位系统主要有长基线定位系统、短基线定位系统、超短基线定位系统三种。长基线和短基线定位系统相对于超短基线定位系统来说，虽然定位精度高，但是布放和校正复杂、耗时多、缺乏灵活性。超短基线定位系统的特点则是安装方便、操作简单、成本低廉、精度高，非常适用于水下目标的定位、跟踪、导航和通信。传统的超短基线定位系统一般都是通过测量信号往返时间，获得斜距信息，最后给出待测目标的位置信息。但是在传统的超短基线定位方法中其询问应答的工作方式使得位置信息更新率低，并且往返时间的测量也会给定位精度带来一定的误差。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种免询问实时的基于深度信息的超短基线定位系统及方法。本专利技术的目的是采用实施以下技术方案实现的：一种基于深度信息的超短基线定位系统，该系统包括超短基线平面阵、水下应答器、捷联惯导系统SINS和多普勒计程仪DVL；所述超短基线平面阵为五元十字阵，安装在母船船底或者水面浮标底部，由四个接收水听器和一个发射换能器组成，发射换能器位于平面十字阵的原点处，每条轴上以原点为中心对称安装两个接收水听器，所有接收水听器到原点距离相等；所述水下应答器安装在水下移动目标载体(包括水下ROV、AUV、UUV)上；所述超短基线平面阵和水下应答器均集成有压力传感器；所述四个接收水听器到原点的位置可任意扩展，以满足不同频率的接收信号；所述捷联惯导系统SINS安装在水下移动目标载体上，获得速度、姿态(含航向角、纵倾角、横摇角)等信息；所述多普勒计程仪DVL安装在水下移动目标载体上，获得水下载体相对于海底的速度信息。一种基于深度信息的超短基线定位方法，该方法包括以下步骤：(1)在5000m作用距离、1000m深度范围内，水下应答器接收一次声学信号唤醒之后按预先设定的时间间隔发射声信号；水下应答器发射的信号为复杂宽带编码信号；(2)超短基线平面阵上的四个接收水听器接收所述水下应答器发射的复杂宽带编码信号，通过宽带编码信号的多普勒补偿与快速相关技术，计算同轴的两个接收水听器接收到信号的时间差；根据时间差获得水下应答器的方位角；(3)分别根据压力传感器获得超短基线平面阵和水下应答器的深度信息，从而得到超短基线平面阵和水下应答器的深度差信息；(4)根据步骤(2)获得的方位角信息和步骤(3)获得的深度差信息，通过几何关系获得所述水下应答器的相对位置信息，实现免询问快速定位功能；(5)根据水下移动目标载体上的捷联惯导系统SINS获得速度、姿态(含航向角、纵倾角、横摇角)信息；(6)根据水下移动目标载体上的多普勒计程仪DVL获得水下载体相对于海底的速度信息；(7)利用卡尔曼滤波器融合步骤(4)获得的相对位置信息、步骤(5)获得的速度及姿态信息、步骤(6)获得的相对速度信息，然后经过航位推算实现水下移动目标载体的精确定位，并且其预期定位精度可以达到斜距的0.25％。进一步地，所述步骤(4)得到水下应答器的相对位置信息后，还包括对相对位置信息进行修正的步骤，以提高超短基线在复杂浅海环境中的水下定位精度：a)根据海洋环境效应分析结果及其环境自适应处理技术，抑制声波在传播过程中因折射、反射、散射等现象引起的不良影响；b)根据复杂宽带编码信号进行多途信道估计；c)根据RAKE接收、时间反转原理提高超短基线的水声信道适应能力。本专利技术的有益效果在于：本专利技术在超短基线平面阵和水下应答器上都集成了压力传感器，利用压力传感器给出的深度信息代替传统的根据测量往返时间得到的斜距信息。该系统还结合了复杂宽带编码的多普勒补偿与快速相关技术、基于多源信息融合的动态快速定位技术、基于多传感器协同的免校准技术，使得超短基线定位系统在工作过程中无需时间同步，无需询问，大大简化了水下移动目标的定位过程，可以满足定位系统低功耗、小型化、更新速率快的要求。附图说明图1为本专利技术的系统总体框图；图2为本专利技术的声学定位解算几何关系示意图；图3(a)为本专利技术的X轴方位角解算的示意图；图3(b)为本专利技术的Y轴方位角解算的示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术提供的一种基于深度信息的超短基线定位系统，该系统包括超短基线平面阵、水下应答器、捷联惯导系统SINS和多普勒计程仪DVL；所述超短基线平面阵为五元十字阵，安装在母船船底或者水面浮标底部，由四个接收水听器和一个发射换能器组成，发射换能器位于平面十字阵的原点处，每条轴上以原点为中心对称安装两个接收水听器，所有接收水听器到原点距离相等；所述水下应答器安装在水下移动目标载体(包括水下ROV、AUV、UUV)上；所述超短基线平面阵和水下应答器均集成有压力传感器；所述四个接收水听器到原点的位置可任意扩展，以满足不同频率的接收信号；所述捷联惯导系统SINS安装在水下移动目标载体上，获得速度、姿态(含航向角、纵倾角、横摇角)信息；所述多普勒计程仪DVL安装在水下移动目标载体上，获得水下载体相对于海底的速度信息。一种基于深度信息的超短基线定位方法，该方法包括以下步骤：(1)在5000m作用距离、1000m深度范围内，水下应答器接收一次声学信号唤醒之后按预先设定的时间间隔发射声信号；水下应答器发射的信号为复杂宽带编码信号；(2)超短基线平面阵上的四个接收水听器接收所述水下应答器发射的复杂宽带编码信号，通过宽带编码信号的多普勒补偿与快速相关技术，计算同轴的两个接收水听器接收到信号的时间差；根据时间差获得水下应答器的方位角；(3)分别根据压力传感器获得超短基线平面阵和水下应答器的深度信息，从而得到超短基线平面阵和水下应答器的深度差信息；(4)根据步骤(2)获得的方位角信息和步骤(3)获得的深度差信息，通过几何关系获得所述水下应答器的相对位置信息，实现免询问快速定位功能；(5)根据水下移动目标载体上的捷联惯导系统SINS获得速度、姿态(含航向角、纵倾角、横摇角)信息；(6)根据水下移动目标载体上的多普勒计程仪DVL获得水下载体相对于海底的速度信息；(7)利用卡尔曼滤波器融合步骤(4)获得的相对位置信息、步骤(5)获得的速度及姿态信息、步骤(6)获得的相对速度信息，然后经过航位推算实现水下移动目标载体的精确定位，并且其预期定位精度可以达到斜距的0.25％。进一步地，所述步骤(4)得到水下应答器的相对位置信息后，还包括对相对位置信息进行修正的步骤，以提高超短基线在复杂浅海环境中的水下定位精度：a)根据海洋环境效应分析结果及其环境自适应处理技术，抑制声波在传播过程中因折射、反射等现象引起的不良影响；b)根据复杂宽带编码信号进行多途信道估计；c)根据RAKE、时间反转原理提高超短基线的水声信道适应能力。如图1所示，在本实施例中，采用捷联惯导与多普勒计程仪的组合定位导航方法，捷联惯导测量获得的速度、姿态(含航向角、纵倾角、横摇角等)等信息与多普勒计程仪本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于深度信息的超短基线定位系统，其特征在于，该系统包括超短基线平面阵、水下应答器、捷联惯导系统SINS和多普勒计程仪DVL；所述超短基线平面阵为五元十字阵，安装在母船船底或者水面浮标底部，由四个接收水听器和一个发射换能器组成，发射换能器位于平面十字阵的原点处，每条轴上以原点为中心对称安装两个接收水听器，所有接收水听器到原点距离相等；所述水下应答器安装在水下移动目标载体上；所述超短基线平面阵和水下应答器均集成有压力传感器；所述捷联惯导系统SINS安装在水下移动目标载体上，获得速度、姿态信息；所述多普勒计程仪DVL安装在水下移动目标载体上，获得水下载体相对于海底的速度信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于深度信息的超短基线定位系统，其特征在于，该系统包括超短基线平面阵、水下应答器、捷联惯导系统SINS和多普勒计程仪DVL；所述超短基线平面阵为五元十字阵，安装在母船船底或者水面浮标底部，由四个接收水听器和一个发射换能器组成，发射换能器位于平面十字阵的原点处，每条轴上以原点为中心对称安装两个接收水听器，所有接收水听器到原点距离相等；所述水下应答器安装在水下移动目标载体上；所述超短基线平面阵和水下应答器均集成有压力传感器；所述捷联惯导系统SINS安装在水下移动目标载体上，获得速度、姿态信息；所述多普勒计程仪DVL安装在水下移动目标载体上，获得水下载体相对于海底的速度信息。2.一种应用权利要求1所述系统的超短基线定位方法，其特征在于，包括：(1)在5000m作用距离、1000m深度范围内，水下应答器接收一次声学信号唤醒之后按预先设定的时间间隔发射声信号；水下应答器发射的信号为复杂宽带编码信号；(2)超短基线平面阵上的四个接收水听器接收所述水下应答器发射的复杂宽带编码信号，通过宽带编码信号的多普勒补偿与快速相关技术，计算同轴的两个接收水听器接收到信号的时间差；根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖学琼，孙贵青，陈鹰，黄豪彩，刘瑞斌，赵晗，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33