一种基于水声超短基线定位系统的声线修正方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于水声超短基线定位系统的声线修正方法。该方法包括以下步骤：通过四元十字立体水声超短基线定位系统获取初始掠射角θ0；通过声速剖面仪测得声速剖面图；通过四元十字立体水声超短基线定位系统根据初始掠射角θ0在声速剖面图基础上通过层追加进行声线修正迭代以求出各检测点相对于测量船的坐标。本发明专利技术根据四元立体水声超短基线阵测得相位差估计值，并利用自适应分层追加的方法进行迭代求出各检测点相对于测量船坐标。较传统平均声速算法大幅提高测距精度，有效修正了声线在水下复杂环境中曲线传播路径，提高了水声超短基线定位系统的水下测距及定位精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于水声超短基线定位系统的声线修正方法及系统
本专利技术涉及海洋测量
，尤其涉及一种基于水声超短基线定位系统的声线修正方法及系统。
技术介绍
超短基线定位系统由于体积小、重量轻、携带方便等优点，在水下定位领域应用广泛。其定位原理是利用水下应答信号到达接收单元之间的相位差(或时延差)结合水下测量目标到超短基线阵之间的斜距来实现定位。在距海表面一定深度的声源向下以一定角度发射声信号，当发现水下目标时，目标将反射声信号到接收机，然后根据信号传播的时间和声速得到目标到声源的距离，再联合角度信息获得目标的位置。由于不同深度海水的温度、盐度和压力等参数不相同，这就导致了声信号在海水中的传播射线不仅沿曲线传播，而且各层中的声速也不相同，最终使利用声信号对水下目标定位产生折射误差。若是直接利用三角关系简单地计算各点的深度和水平位移，会为最终的位置归算带来较大的误差，为保证较高的定位精度，必须进行声线修正。而传统的平均声速算法，也只是有效减小定位误差，定位估计不够精确。王燕等人根据声速在水下传播时声线发生弯曲提出的用于长基线水声定位系统声线修正的迭代方法，提高了定位的精度，但该方法计算量大，仅适用于长基线水声定位系统，应用到短基线平面阵型时遇到了一定的困难。因此，鉴于上述情况，研发设计出一种基于水声超短基线定位系统的声线修正方法及系统是目前海洋测量领域亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服现有技术存在的不足，从而提供一种基于水声超短基线定位系统的声线修正方法及系统。为实现上述目的，在第一方面，本专利技术提供了一种基于水声超短基线定位系统的声线修正方法，所述水声超短基线定位系统包括安装在测量船上的甲板单元、安装在测量船底的四个接收换能器a，b，c，d构成的具有水平孔径d和垂直孔径h的四元十字立体水声超短基线阵和布放在水下待定位的应答器，所述方法包括以下步骤：1)通过所述四元十字立体水声超短基线定位系统获取初始掠射角θ0；2)通过声速剖面仪测得声速剖面图；3)通过所述四元十字立体水声超短基线定位系统根据步骤1)的初始掠射角θ0在步骤2)中声速剖面图基础上通过层追加进行声线修正迭代以求出各检测点相对于测量船的坐标。进一步地，所述步骤1)具体包括：通过四元十字立体水声超短基线阵进行阵列信号处理以测量得到水下应答信号到达基线阵之间的时延差，并由甲板单元根据时延差获取初始掠射角θ0。进一步地，所述步骤1)具体包括：通过四元十字立体水声超短基线阵进行阵列信号处理以测量得到水下应答信号到达基线阵之间的相位差，并由甲板单元根据相位差获取初始掠射角θ0更进一步地，所述步骤1)根据相位差进行阵列处理获得初始掠射角θ0具体包括以下步骤：1.1)以接收换能器a，b作为x轴，a，b连线中心点作为坐标原点O，O点下方深度h方向作为z轴，z轴与接收换能器c，d的连线相交于O’，y轴为与接收换能器c，d的连线平行且与x轴相交于坐标原点O，则应答器P的坐标为(x，y，z)，接收换能器a坐标为接收换能器b坐标为接收换能器c坐标为接收换能器d坐标为1.2)根据步骤1.1)中的坐标，通过下述公式(1)求得OP与x轴之间的夹角θx，通过下述公式(2)求得O’P与y轴的夹角θy；其中，为已知接收换能器a，b测量接收信号的相位差，为已知接收换能器c，d测量接收信号的相位差，λ为系数。1.3)根据步骤1.2)中求取的cosθx和cosθy，通过下述公式(3)求得初始掠射角θ0，所述初始掠射角θ0为接收阵深度附近到达的一段声线的入射角。进一步地，所述步骤3)具体包括以下步骤：3.1)将步骤2)获得的声速剖面图从水面到应答器的垂直深度等间隔分为N层，每层为恒定声速传播；3.2)根据每层声速和深度求取每层的掠射角进而获取每层的声线，具体为：介质分层界面的入射角与声速满足Snell定理，通过公式(4)求取每层的掠射角；通过下列公式(5)和公式(6)根据每层的声速ci、每层的深度值Δzi和每层的入射角θi求取出每一层的声线长ΔRi、每一层的传输时间Δti和每一层的水平距离Δxi，i＝0,1,2,...,N；其中：c0和θ0为起始出发层的声速和掠射角，ci为第i层处的声速，θi为第i层边界处的掠射角；3.3)根据下列公式(7),(8)和(9)对步骤3.2求取出的ΔRi、Δti和Δxi分别求取出声线总行程R和声线单程时间t以及水平总距离X；3.4)求取满足误差精度的θj(j＝0、1、2……N)，具体为：利用一个修正值Δθ进行(θ0+Δθ)或(θ0-Δθ)的运算，将结果依次代入公式(4)和(9)，算出的时间t与测得的总时间t’进行相减，并与阈值Δt比较，如满足t-t'≤Δt，则执行步骤3.5)，不满足将步骤3.4)一直循环进行下去，直到满足要求；3.5)将步骤3.4)求出的满足误差精度的θj(j＝0、1、2……N)代入公式(8)和(10)计算出水平总距离X以及声线总行程R，即得到水下应答器的坐标信息。在第二方面，本技术提供了一种基于水声超短基线定位系统的声线修正系统。该系统包括水声超短基线定位系统和声速剖面仪，所述水声超短基线定位系统包括安装在测量船上的甲板单元、安装在测量船底的四个接收换能器a，b，c，d构成的具有水平孔径d和垂直孔径h的四元十字立体水声超短基线阵和布放在水下待定位的应答器，所述甲板单元包括初始掠射角求取单元和声线修正单元；所述声速剖面仪，用以测得声速剖面图；所述初始掠射角求取单元，用以获取初始掠射角θ0；所述声线修正单元，用以根据初始掠射角θ0在声速剖面仪测得的声速剖面图基础上通过层追加进行声线修正迭代以求出各检测点相对于测量船的坐标。进一步地，所述初始掠射角求取单元根据水下应答器发送的应答信号到达换能器基线阵的时延差获取初始掠射角θ0，所述时延差由四元十字立体水声超短基线阵进行阵列信号处理得到。进一步地，所述初始掠射角求取单元根据水下应答器发送的应答信号到达换能器基线阵的相位差获取初始掠射角θ0，所述相位差由四元十字立体水声超短基线阵进行阵列信号处理得到。更进一步地，所述初始掠射角求取单元包括：坐标系确定单元，用以将接收换能器a，b作为x轴，a，b连线中心点作为坐标原点O，O点下方深度h方向作为z轴，z轴与接收换能器c，d的连线相交于O’，y轴为与接收换能器c，d的连线平行且与x轴相交于坐标原点O，则应答器P的坐标为(x，y，z)，接收换能器a坐标为接收换能器b坐标为接收换能器c坐标为接收换能器d坐标为第一计算处理单元，用以根据坐标系确定单元确认的各点坐标，通过下述公式(1)求得OP与x轴之间的夹角θx，通过下述公式(2)求得O’P与y轴的夹角θy；其中，为已知接收换能器a，b测量接收信号的相位差，为已知接收换能器c，d测量接收信号的相位差，λ为系数。第二计算处理单元，用以根据第一计算处理单元求取的cosθx和cosθy，通过下述公式(3)求得初始掠射角θ0，所述初始掠射角θ0为基线阵深度附近到达的一段声线的入射角。进一步地，所述声线修正单元包括：分层单元，用以将声速剖面仪获得的声速剖面图从水面到应答器的垂直深度等间隔分为N层，每层为恒定声速传播；第三计算处理单元，用以根据分层单元中每层的声速和深度求取每层的掠射角进而获取每层的声线，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于水声超短基线定位系统的声线修正方法，其特征在于，所述水声超短基线定位系统包括安装在测量船上的甲板单元、安装在测量船底的四个接收换能器a，b，c，d构成的具有水平孔径d和垂直孔径h的四元十字立体水声超短基线阵和布放在水下待定位的应答器，所述方法包括以下步骤：1)通过所述四元十字立体水声超短基线定位系统获取初始掠射角θ0；2)通过声速剖面仪测得声速剖面图；3)通过所述四元十字立体水声超短基线定位系统根据步骤1)的初始掠射角θ0在步骤2)中声速剖面图基础上通过层追加进行声线修正迭代以求出各检测点相对于测量船的坐标。

【技术特征摘要】
1.一种基于水声超短基线定位系统的声线修正方法，其特征在于，所述水声超短基线定位系统包括安装在测量船上的甲板单元、安装在测量船底的四个接收换能器a，b，c，d构成的具有水平孔径d和垂直孔径h的四元十字立体水声超短基线阵和布放在水下待定位的应答器，所述方法包括以下步骤：1)通过所述四元十字立体水声超短基线定位系统获取初始掠射角θ0；2)通过声速剖面仪测得声速剖面图；3)通过所述四元十字立体水声超短基线定位系统根据步骤1)的初始掠射角θ0在步骤2)中声速剖面图基础上通过层追加进行声线修正迭代以求出各检测点相对于测量船的坐标。2.根据权利要求1所述的一种基于水声超短基线定位系统的声线修正方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：通过四元十字立体水声超短基线阵进行阵列信号处理以测量得到水下应答信号到达基线阵之间的时延差，并由甲板单元根据时延差获取初始掠射角θ0。3.根据权利要求1所述的一种基于水声超短基线定位系统的声线修正方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：通过四元十字立体水声超短基线阵进行阵列信号处理以测量得到水下应答信号到达基线阵之间的相位差，并由甲板单元根据相位差获取初始掠射角θ0。4.根据权利要求3所述的一种基于水声超短基线定位系统的声线修正方法，其特征在于，所述步骤1)根据相位差进行阵列处理获得初始掠射角θ0具体包括以下步骤：1.1)以接收换能器a，b作为x轴，a，b连线中心点作为坐标原点O，O点下方深度h方向作为z轴，z轴与接收换能器c，d的连线相交于O’，y轴为与接收换能器c，d的连线平行且与x轴相交于坐标原点O，则应答器P的坐标为(x，y，z)，接收换能器a坐标为接收换能器b坐标为接收换能器c坐标为接收换能器d坐标为1.2)根据步骤1.1)中的坐标，通过下述公式(1)求得OP与x轴之间的夹角θx，通过下述公式(2)求得O’P与y轴的夹角θy；其中，为已知接收换能器a，b测量接收信号的相位差，为已知接收换能器c，d测量接收信号的相位差，λ为系数。1.3)根据步骤1.2)中求取的cosθx和cosθy，通过下述公式(3)求得初始掠射角θ0，所述初始掠射角θ0为基阵深度附近到达的一段声线的入射角。5.根据权利要求1所述的一种基于水声超短基线定位系统的声线修正方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括以下步骤：3.1)将步骤2)获得的声速剖面图从水面到应答器的垂直深度等间隔分为N层，每层为恒定声速传播；3.2)根据每层声速和深度求取每层的掠射角进而获取每层的声线，具体为：介质分层界面的入射角与声速满足Snell定理，通过公式(4)求取每层的掠射角；通过下列公式(5)和公式(6)根据每层的声速ci、每层的深度值Δzi和每层的入射角θi求取出每一层的声线长ΔRi、每一层的传输时间Δti和每一层的水平距离Δxi，i＝0,1,2,...,N；其中：c0和θ0为起始出发层的声速和掠射角，ci为第i层处的声速，θi为第i层边界处的掠射角；3.3)根据下列公式(7),(8)和(9)对步骤3.2求取出的ΔRi、Δti和Δxi分别求取出声线总行程R和声线单程时间t以及水平总距离X；3.4)求取满足误差精度的θj(j＝0、1、2……N)，具体为：利用一个修正值Δθ进行(θ0+Δθ)或(θ0-Δθ)的运算，将结果依次代入公式(4)和(9)，算出的时间t与测得的总时间t’进行相减，并与阈值Δt比较，如满足t-t'≤Δt，则执行步骤3.5)，不满足将步骤3.4)一直循环进行下去，直到满足要求；3.5)将步骤3.4)求出的满足误差精度的θj(j＝0、1、2……N)代入公式(8)和(10)计算出水平总距离X以及声线总行程R，即得到水下应答器的坐标信息。6.一种基于水声超短基线定位系统的声线修正系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈洲，王熙赢，
申请(专利权)人：江苏中海达海洋信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32