一种海底声学应答器的定位方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种海底声学应答器的定位方法及装置，属于水声定位技术领域。本发明专利技术通过GNSS观测数据、船体姿态角观测数据、声速剖面数据、水下声学信号往返时间和水深数据，根据建立的包含船底换能器与海底声学应答器之间的深度差约束的定位模型，不需要求解中间量就可以快速、准确地实现对海底声学应答器的定位，不仅简化了数据处理流程，而且保证了海底控制点定位结果的可靠性。

Positioning method and device of a submarine acoustic transponder

【技术实现步骤摘要】
一种海底声学应答器的定位方法及装置
本专利技术涉及一种海底声学应答器的定位方法及装置，属于水声定位

技术介绍
21世纪是海洋世纪，作为一切海洋活动的重要基础工作，其关键就是要建立精确的海洋大地测量控制网，声波是目前唯一能在海洋中远距离传播的波动形式，结合搭载GNSS系统的走航测量船，是近年来海底控制点定位中应用最广泛的方式。常规数据处理流程将海面动态定位过程与水下声学定位过程独立分开，先得到海面GNSS天线坐标，再通过基准改化得到船底换能器坐标，最后通过水下定位得到海底声学应答器绝对坐标。这样多步求解的技术方法至少有几点不足：一是计算步骤繁琐，需要将测量船坐标作为中间量解出，增加了工作量；二是常规方法无法避免由于实际噪声环境造成的模型失真，自适应调节能力差，精度受限；三是多源观测信息函数模型不统一，无法满足未来综合定位、导航与授时(PNT)服务的发展需求。针对上述问题，名称为《自适应选权滤波在GNSS/声学定位模型中的应用》(2017年12月/邝英才)公开了一种实现海底声学应答器的定位方法，该方法提出了在同一数学模型中，将海面动态定位与水下声学定位整合并通过自适应滤波的方式进行解算，实现对海底声学应答器的定位。该方案虽然能够快速实现对海底声学应答器的定位，但是该方案没有考虑海面定位结果与换能器的基准转换问题，且没有考虑深度约束以控制声速变化在垂直方向造成的误差影响，所建的模型与实际情况不符，导致对海底声学应答器的定位不准。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种海底声学应答器的定位方法及装置，以解决目前海底声学应答器定位不准确的问题。本专利技术为解决上述技术问题而提供一种海底声学应答器的定位方法，该定位方法包括以下步骤：1)获取GNSS观测数据、船体姿态角观测数据、声速剖面数据、船底换能器与海底声学应答器之间的往返时间以及船底换能器和海底声学应答器所在的深度数据；2)构建包含海面水下联合观测方程和深度约束方程的定位模型，其中深度约束方程为，d＝DδX，d为约束方程的自由项向量，D为约束方程系数矩阵；δX为待估状态参数向量；3)根据步骤1)中实时获取的数据，通过滤波算法求解所述定位模型，确定待估状态参数向量，实现对海底声学应答器的定位。本专利技术还提供了一种海底声学应答器的定位装置，该定位装置包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现本专利技术的海底声学应答器的定位方法。本专利技术通过GNSS观测数据、船体姿态角观测数据、声速剖面数据、水下声学信号往返时间和水深数据，根据建立的包含船底换能器与海底声学应答器之间的深度差约束的定位模型，不需要求解中间量就可以快速、准确地实现对海底声学应答器的定位，不仅简化了数据处理流程，而且保证了海底控制点定位结果的可靠性。进一步地，为实现对海面动态定位、基准转换和水下定位过程的准确描述，所述的联合观测方程为：其中下标sat,vessel,t,p分别表示卫星、测量船、换能器和应答器；P,Φ,ρ表示进行了消电离层线性组合后的伪距和载波相位观测量以及声学信号测量得到的由船底换能器至海底声学应答器的距离；X表示三维坐标向量；f(*,*)表示根据两种坐标计算的几何距离；c表示真空中的光速；表示吸收了伪距硬件延迟偏差的等效接收机钟差参数；TZWD表示已经投影到传播路径上的对流层延迟湿分量；εP,εΦ,ε分别表示消电离层组合后伪距、载波相位观测噪声以及声学定位中其它未模型化误差；λ,分别表示消电离层组合后的组合波长和包含了伪距及载波相位硬件延迟偏差的等效模糊度参数；δρd表示声学信号因时间延迟引起的系统误差；δρv表示由声速结构的时空变化引起的系统误差；R表示船体姿态角观测信息构成的基准转换矩阵；ΔX(天线中心,换能器中心)表示船体坐标系下GNSS天线中心与换能器中心的相对位移向量。进一步地，为了方便、快速实现对定位模型的求解，所述步骤3)中的滤波算法采用约束卡尔曼滤波算法实现。进一步地，为了实时控制参数异常对滤波结果的不利影响，提升对动力学扰动影响的抵抗调节能力，在采用约束卡尔曼滤波算法进行求解时需根据各参数的自适应因子对参与约束卡尔曼滤波算法解算的预报向量权值进行调整，GNSS天线中心坐标参数、海底声学应答器参数和船体姿态角参数借助参数异常判别统计量进行阈值判断以确定其自适应因子。进一步地，本专利技术还给出了具体的判别统计量形式，所述的参数异常判别统计量采用预报残差统计量形式或者方差分量比统计量形式。进一步地，为保证获取数据的准确性，该方法还包括对步骤1)中获取的数据进行包括粗差剔除、时间配准的预处理步骤。进一步地，所述的预处理包括以下步骤：1)剔除GNSS观测数据、船体姿态观测数据中的粗差数据；2)对声速剖面数据进行等梯度分层；3)对GNSS观测数据、船体姿态观测数据、船底换能器与海底声学应答器之间的往返时间以及船底和海底声学应答器处的深度数据进行观测历元的匹配统一。附图说明图1是本专利技术海底声学应答器的定位方法的原理示意图；图2是本专利技术海底声学应答器的定位方法的流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步地说明。定位方法实施例本专利技术的海底声学应答器的定位方法是通过联合GNSS定位和声学定位技术实现的，如图1所示，测量船上设置有GNSS天线，用于通过GNSS卫星获取测量船只在海面上的定位数据，测量船底设置有声学换能器，声学换能器可与在海底设置的海底声学应答器之间通过声波建立连接，即声学换能器向海底发送声波信号并接收来自海底声学应答器返回的声波信号，本专利技术通过GNSS观测数据、船体姿态角观测数据、声速剖面数据、水下声学信号往返时间和水深数据，对建立的包含船底声学换能器(简称换能器)与海底声学应答器之间的深度差约束的定位模型进行求解，从而实现对海底声学应答器的定位，具体实现过程如图2所示，包括以下步骤。1.获取GNSS观测数据、船体姿态观测数据、声速剖面数据、船底收发换能器与海底声学应答器之间的往返时间以及船底和海底声学应答器所在的深度数据。具体而言，GNSS观测数据是通过设置在船上的GNSS天线获取，测量船按照提前设计好的优化航迹线走航，船载GNSS天线接收多系统伪距、载波相位观测信息；船体姿态观测数据是通过设置在船上的惯性传感器获取，包括记录船姿变化的姿态角数据；声速剖面数据通过声速剖面仪获取；船底安置的收发换能器通过声脉冲测距信号与海底声学应答器建立联系，测量和记录声学信号往返传播的时间。换能器与应答器处分别固定有水位计，实时测量水深数据，海底应答器处由水位计测量的深度数据可通过声脉冲的方式传输。在获取上述数据后，还需要对获取的各类数据进行预处理，包括粗差剔除、时间配准等。具体过程包括：1)剔除观测数据中的明显粗差，净化原始观测文件；2)对声速剖面进行等梯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海底声学应答器的定位方法，其特征在于，该定位方法包括以下步骤：/n1)获取GNSS观测数据、船体姿态角观测数据、声速剖面数据、船底换能器与海底声学应答器之间的往返时间以及船底换能器和海底声学应答器所在的深度数据；/n2)构建包含海面水下联合观测方程和深度约束方程的定位模型，其中深度约束方程为，d＝DδX，d为约束方程的自由项向量，D为约束方程系数矩阵；δX为待估状态参数向量；/n3)根据步骤1)中实时获取的数据，通过滤波算法求解所述定位模型，确定待估状态参数向量，实现对海底声学应答器的定位。/n

【技术特征摘要】
1.一种海底声学应答器的定位方法，其特征在于，该定位方法包括以下步骤：
1)获取GNSS观测数据、船体姿态角观测数据、声速剖面数据、船底换能器与海底声学应答器之间的往返时间以及船底换能器和海底声学应答器所在的深度数据；
2)构建包含海面水下联合观测方程和深度约束方程的定位模型，其中深度约束方程为，d＝DδX，d为约束方程的自由项向量，D为约束方程系数矩阵；δX为待估状态参数向量；
3)根据步骤1)中实时获取的数据，通过滤波算法求解所述定位模型，确定待估状态参数向量，实现对海底声学应答器的定位。


2.根据权利要求1所述的海底声学应答器的定位方法，其特征在于，所述的联合观测方程为：



其中下标sat,vessel,t,p分别表示卫星、测量船、换能器和声学应答器；P,Φ,ρ表示进行了消电离层线性组合后的伪距和载波相位观测量以及声学信号测量得到的由船底换能器至海底声学应答器的距离；X表示三维坐标向量；f(*,*)表示根据两种坐标计算的几何距离；c表示真空中的光速；表示吸收了伪距硬件延迟偏差的等效接收机钟差参数；TZWD表示已经投影到传播路径上的对流层延迟湿分量；εP,εΦ,ε分别表示消电离层组合后伪距、载波相位观测噪声以及声学定位中其它未模型化误差；λ,分别表示消电离层组合后的组合波长和包含了伪距及载波相位硬件延迟偏差的等效模糊度参数；δρd表示声学信号因时间延迟引起的系统误差；δρv表示由声速结构的时空变化引起的系统误差；R表示船体姿态角观测信息构成的基准转换矩阵；ΔX(天线中心,换能器中心)表示船体坐标系下GNSS天线中心与换能器中心的相...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕志平，邝英才，王方超，陈正生，吕浩，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学，
类型：发明
国别省市：河南;41