一种用于四元空间阵的超短基线定位方法技术

本发明专利技术涉及的是一种用于四元空间阵的超短基线定位方法。本发明专利技术包括：(1)建立基阵坐标系，确定各基元在基阵坐标系中的坐标。(2)根据声纳系统定向基本原理与坐标系旋转理论建立观测方程。(3)对定位方程组求解，获得目标在基阵坐标系中的位置。本发明专利技术根据声纳系统定向原理，并根据坐标系旋转理论，建立观测方程。通过对观测方程进行组合得到最终的定位方程。求解定位方程组，获得目标在基阵坐标系中的位置。方法能够适用于任意尺寸的四元空间阵超短基线定位系统，能够对目标在基阵坐标系的三维坐标进行独立求解，能够对基阵坐标系中任意方位目标进行高精度定位。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种用于四元空间阵的超短基线定位方法。
技术介绍
超短基线定位系统目前已广泛应用于海底探测、海洋石油工程等海洋工程领域。随着各种海洋工程的深入开展，对超短基线定位系统的定位精度要求也越来越高。目前超短基线定位系统多采用的是平面接收基阵，这种阵型仅能通过测量获得目标在基阵坐标系中的二维坐标，目标第三维坐标需要通过斜距与测量的二维坐标间接获得。其缺点是当目标与基阵平面的夹角较小时，定位误差显著增大，不能满足海洋工程中对水下高精度定位的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种提高定位系统的对目标的三维定位精度的用于四元空间阵的超短基线定位方法。本专利技术的目的是这样实现的(1)建立基阵坐标系，确定各基元在基阵坐标系中的坐标。(2)根据声纳系统定向基本原理与坐标系旋转理论建立观测方程。(3)对定位方程组求解，获得目标在基阵坐标系中的位置。本专利技术还可以包括1、所述的根据基元分布情况建立基阵坐标系，确定各基元在基阵坐标系中的坐标的方法为：(1)以基阵阵元构成的凸多面体的几何中心作为基阵坐标系的原点；(2)以平行于两条正交基线的平面作为基阵坐标系的XOY平面；(3)以XOY平面中过原点O平行于某条基线的直线作为X轴，建立左手直角坐标系。2、所述的根据声纳系统定向基本原理与坐标系旋转理论建立观测方程的方法为：(1)假设基阵坐标系原点有一个虚拟基元，根据声纳系统定向基本原理获得目标方位角；(2)将基阵坐标系Ψ首先以Z轴为旋转轴顺时针旋转(沿着Z轴负方向观看)，然后以Y轴为旋转轴顺时针旋转(沿着Y轴负方向观看)，直到有阵元n落到X轴正半轴为止，记此时的坐标系名称为坐标系Ψn(n为基元编号)，根据坐标系旋转理论，目标在基阵坐标系Ψ的坐标经过坐标系旋转后即可得到目标在坐标系Ψn的坐标，以此建立基于阵元n的观测方程。(3)继续旋转基阵坐标系，根据第一步所述的方法得到每一个基元对应的观测方程。3、所述的采用最小二乘法获得目标在基阵坐标系中的位置的方法为：(1)根据观测方程，消去引入的虚拟基元观测量，得到最终的定位方程；(2)遍历所有相互独立的定位方程，构成定位方程组；(3)对定位方程组求解，获得目标在基阵坐标系下的坐标。为实现本专利技术的目的，需要根据基元位置建立恰当的基阵坐标系并得到各基元在基阵坐标系的坐标。基元在基阵坐标系中的坐标通过其构成的凸多面体的边角关系来获得。为实现本专利技术的目的，需要获得目标到各基元的时间信息。高精度的时延测量值通过宽带信号处理以及内插理论获得。利用时延测量信息根据声纳系统定向原理和坐标系旋转理论建立观测方程。本专利技术的有益效果在于：根据声纳系统定向原理，并根据坐标系旋转理论，建立观测方程。通过对观测方程进行组合得到最终的定位方程。求解定位方程组，获得目标在基阵坐标系中的位置。方法能够适用于任意尺寸的四元空间阵超短基线定位系统，能够对目标在基阵坐标系的三维坐标进行独立求解，能够对基阵坐标系中任意方位目标进行高精度定位。附图说明图1四元空间阵示意图。图2四元空间阵阵元水平投影示意图。图3基阵坐标系Ψ示意图。图4坐标系旋转示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步描述。超短基线定位原理基于测向测距。基阵由四个接收基元组成，如图1所示，接收基元的水平投影如图2所示，其中基线13与基线24互相垂直，且四个基元均匀分布在半径为L的圆上。基线13与基线24的距离为H。根据基元位置建立三维左手直角坐标系Ψ＝(O,x,y,z)，称之为基阵坐标系，坐标原点为O，如图3所示。这四个基元的测量值分别为t1、t2、t3、t4，并假定基阵中心存在一个虚拟基元(设其为0号基元)，其时延测量值为t0。目标在基阵坐标系Ψ＝(O,x,y,z)中的坐标为X＝(X,Y,Z)T，r为目标斜距，α，β，γ是目标的方位角。由于参考坐标系的原点选用的是基阵的几何中心，因此可以通过各基元时延测量值的平均来当作为目标到坐标原点的传播时延。那么目标斜距可以由式(1)得到坐标系Ψn＝(O,xn,yn,zn)定义为：坐标原点为O，基元n位于坐标轴xn的正半轴上。也就是说，Ψn＝(O,xn,yn,zn)是由基阵坐标系Ψ＝(O,x,y,z)经过两次旋转得到的。坐标系Ψ＝(O,x,y,z)首先绕Z轴旋转，然后再绕Y轴旋转得到，第一次旋转角度An，第二次旋转角度Bn，即可得到坐标系Ψn＝(O,xn,yn,zn)，旋转示意图如图4所示。基元1-4在基阵坐标系中的坐标分别为(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)，(x4,y4,z4)。由坐标系Ψ通过两次旋转得到坐标系Ψ1、Ψ2、Ψ3、Ψ4的旋转角度如表1所示。表1旋转角度假设目标在坐标系Ψ＝(O,x,y,z)中位于点P，斜距为r，坐标为X＝(X,Y,Z)T。在坐标系Ψn＝(O,xn,yn,zn)中，目标P的坐标为Xn＝(Xn,Yn,Zn)T，αn，βn，γn为目标P在坐标系Ψn＝(O,xn,yn,zn)中的方位角。根据目标方位解算公式，有其中，c为声速，dn表示基元n到虚拟基元0的距离，αn表示目标在Ψn＝(O,xn,yn,zn)坐标系下的xn轴方位角，βN表示目标在Ψn＝(O,xn,yn,zn)坐标系下的yn轴方位角，γN表示目标在Ψn＝(O,xn,yn,zn)坐标系下的zn轴方位角，τn0——基元n与虚拟基元0之间的时延差，τn0＝t0-tn。根据坐标旋转理论可知XN＝RN2·RN1·X(3)其中Xn表示目标在坐标系Ψn中的位置，X表示目标在基阵坐标系Ψ中的位置，RN1表示第一次坐标系旋转对应的旋转矩阵，RN2表示第二次坐标系旋转对应的旋转矩阵。根据式(3)，可以得到因此r·cosαn＝cosBn·cosAn·rcosα+cosBn·sinAn·rcosβ-sinBn·rcosγ(4)由式(2)和式(4)，可以得到根据表1中各旋转角度与基元坐标的关系，可以得到根据方程(6)可知，对于坐标系Ψ1＝(O,x1,y1,z1)，有对于坐标系Ψ2＝(O,x2,y2,z2)，有式(7)-式(8)相减，有式(9)即基元1基元2共同的到一个定位方程。根据组合理论，可以得到个方程，其中待求未知数αβγ，因此，这6个方程中任选三个互不线性相关的方程构建方程组，这里选择的方程组如下对此方程组进行求解，即可求得目标在坐标系Ψ＝(O,x,y,z)下的方位角αβγ。获得目标斜距R以及目标方位角αβγ后，目标在基阵参考坐标系Ψ＝(O,x,y,z)的坐标可由式(11)求得本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于四元空间阵的超短基线定位方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据基元分布情况建立基阵坐标系，确定各基元在基阵坐标系中的坐标；(2)根据声纳系统定向基本原理与坐标系旋转理论建立观测方程；(3)对定位方程组求解，获得目标在基阵坐标系中的位置。

【技术特征摘要】
1.一种用于四元空间阵的超短基线定位方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据基元分布情况建立基阵坐标系，确定各基元在基阵坐标系中的坐标；(2)根据声纳系统定向基本原理与坐标系旋转理论建立观测方程；(3)对定位方程组求解，获得目标在基阵坐标系中的位置。2.根据权利要求1所述的一种用于四元空间阵的超短基线定位方法，其特征在于，所述的步骤(1)具体包括：(1.1)以基阵阵元构成的凸多面体的几何中心作为基阵坐标系的原点；(1.2)以平行于两条正交基线的平面作为基阵坐标系的XOY平面；(1.3)以XOY平面中过原点O平行于某条基线的直线作为X轴，建立左手直角坐标系。3.根据权利要求1或2所述的一种用于四元空间阵的超短基线定位方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体包括：(2.1)设基阵坐标系原点有一个虚拟基元，根据声纳系...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙大军，丁杰，张居成，韩云峰，郑翠娥，王永恒，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23