用于超短基线声学定位系统的校准方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于超短基线声学定位系统的校准方法。所述定位系统包括：主处理机，收发单元，控制单元，固定安装在测量船体水面以下的超短基线声头，水下目标应答器，外接安装在测量船体水面以上的ＧＰＳ系统和惯性测量ＩＭＵ装置。所述的校准方法包括：ａ．存储步骤，ｂ．输入计算步骤，ｃ．调用计算步骤，ｄ．输出步骤；利用ＧＰＳ数据、船体姿态数据和声头至应答器的几何距离，计算应答器的位置、声头至ＧＰＳ天线之间的位置偏差；对所调用的计算机程序进行计算声头的定向误差，以在主处理机中生成适合校准的系统性误差的新计算机程序，实现了对水下拖曳体目标的高精度定位。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及海洋调查测量船探测设备的改进，具体讲是一种用于超短基线声学定位系统(Ultra Short Base Line Acoustic Positioning System)的校准方法，其属于海洋资源探测

技术介绍
在现有技术的海洋调查中，经常使用超短基线水声定位系统，对水下拖曳体或其它目标进行定位。该系统包括固定在测量船船体水面以下的超短基线声头、主处理机、收发单元、控制单元、外接安装在船体水面以上的GPS天线定位系统和惯性测量装置--IMU(Inertial Measurement Unit)等。由于超短基线声头与GPS天线之间存在位置偏差，该声头的声基阵定向系统(XYZ)与IMU定向系统(X′Y′Z′)之间不可能完全重合，存在系统性定向偏差，如果不加以改正，测量的相位角存在系统误差。因此，在使用超短基线水声定位系统工作之前，必须校准这些系统性误差，否则，会出现很大的系统性位置偏差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种。该方法要具有科学性、可靠性，能够快速准确而有效地校准系统的安装误差。本专利技术的目的是由以下技术方案实现的，研制了一种，所述定位系统包括主处理机，收发单元，控制单元，固定安装在测量船体水面以下的超短基线声头，水下目标应答器，外接安装在测量船体水面以上的GPS系统和惯性测量IMU装置。所述的校准方法包括a.存储步骤，用于在所述收发单元中存储观测到的GPS、IMU和超短基线声头三类测量数据，用于专用计算机程序，其中，每个计算机程序被定义予一与被观测到的GPS，IMU和超短基线三类测量数据对应的唯一特定类别参数；b.输入计算步骤，用于输入上述GPS测量的地理位置数据，IMU测量的船体姿态数据和超短基线声头至应答器的几何距离，利用这三类参数计算出应答器的位置 该声头至GPS天线之间的位置偏差 和尺度比参数Δu；c.调用计算步骤，用于基于所输入的将b.中得到的应答器的位置 超短基线声头的位置偏差值 作为已知值和利用超短基线声头所测量的应答器在该声头坐标系下的三维位置(x、y、z)，构建误差方程v→=b→·y→-f→,]]>并计算该声头的定向误差；d.输出步骤，基于所输入的相关定义参数，对所调用的计算机程序进行计算，以在主处理机中生成适合校准的系统性误差的新计算机程序。所述的存储的三类测量数据，各数据的定义如下1)GPS提供的地理位置X→G=NGEGHG:]]> NG-北方向的坐标值，EG-东方向的坐标值，HG-高程值；2)IMU的船体姿态数据A-船艏向(Heading)的方位角，κ-纵摇角(Pith)，-横摇角(Roll)；3)在声头坐标系下应答器的位置X→HR=xyz:]]>x-纵轴向的坐标值，y-横轴向的坐标值，z-下垂向的坐标值；4)应答器的地理位置X→R=NRERHR:]]>NR-北方向的坐标值，ER-东方向的坐标值，HR-高程值；5)在船心坐标系内，声头相对于GPS天线相位中心的位置偏差ΔX→T=ΔFΔSΔH:]]>ΔF-船艏方向偏差，ΔS-右舷方向偏差，ΔH-垂向偏差；6)声头坐标系的三个坐标轴相对于船心坐标系的定向误差ΔW→=αβγ:]]>α-声头坐标系纵轴与船艏方向的夹角，β-声头坐标系横轴与右舷方向的夹角，γ-声头坐标系的垂向与船心坐标系的垂向之间的夹角；7)尺度比参数Δu该参数乘以工作区域的平均声速，即为声速改正值。所述的计算应答器的位置 和该声头至GPS天线之间的位置偏差 是将应答器在该声头坐标系中的坐标X→HR=xyz]]>转化为该声头至应答器之间的几何距离，即S=x2+y2+z2---(1);]]>为确定声头的位置偏差 和应答器的位置 采用如下步骤1)根据位置偏差 应答器的位置 GPS天线的地理位置 和姿态数据之间的几何关系，构建声头的地理位置X→T=NTETHT]]>的表达式X→T=X→G+RUT·ΔX→T---(2);]]>其中，RU为地理坐标系至船心坐标系的旋转矩阵，它是三个姿态角的函数，其具体表达式为`＝acsin(sin/cosκ)， 2)根据该声头和应答器之间测量得到的距离与几何距离的关系，建立观测模型v＝ρ-S·(1+Δu) (4)；其中，S为(1)式计算的距离，ρ为声头至应答器的几何距离，即ρ=|X→R-X→T|=(NR-NT)2+(ER-ET)2+(HR-HT)2---(5);]]>由于存在测量误差，测量距离S不可能等于几何距离ρ，这里用v来表示测量误差；3)确定系数矩阵并解算法方程将(2)、(3)和(5)代入到(4)后，经过线性化，得到误差方程为v=a→·x→-l---(6);]]>其中， 为未知数向量(7×1)，包括7个未知数，即声头的位置偏差(3个未知数)、应答器的位置(3个未知数)和尺度比参数(1个未知数)； 为已知的系数向量(1×7)，l为常数项；将N个误差方程写成矩阵-向量的形式，得到V→=A→·x→-L→]]>其中， 为(N×1)阶残差向量， 为(N×7)系数矩阵， 为(N×1)阶常数项向量；由最小二乘准则，得到未知数的解算结果为x→=(ATPA)-1ATPL]]>Q＝(ATPA)-1(N为观测值组数)(7)。σ=VTPV/(N-7)]]>所述的计算该声头的定向误差，是将所得到的应答器的位置 和该声头的位置偏差值 作为已知值，计算该声头的定向误差，采用如下步骤1)在船心坐标系下应答器的理论位置由于应答器的地理位置 和声头的地理位置 已知，通过坐标系的旋转，可以得到在船心坐标系下应答器的位置 为X→SR=RU(X→R-X→T)=RU(X→R-X→G)-ΔX→T---(8);]]>2)在船心坐标系下应答器的量测位置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于超短基线声学定位系统的校准方法，所述定位系统包括：主处理机，收发单元，控制单元，固定安装在测量船体水面以下的超短基线声头，水下目标应答器，外接安装在测量船体水面以上的ＧＰＳ系统和惯性测量ＩＭＵ装置，其特征在于：所述的校准方法包括：　　ａ．存储步骤，用于在所述收发单元中存储观测到的ＧＰＳ、ＩＭＵ和超短基线声头三类测量数据，用于专用计算机程序，其中，每个计算机程序被定义予一与被观测到的ＧＰＳ，ＩＭＵ和超短基线三类测量数据对应的唯一特定类别参数；ｂ．输入计算步骤 ，用于输入上述ＧＰＳ测量的地理位置数据，ＩＭＵ测量的船体姿态数据和超短基线声头至应答器的几何距离，利用这三类参数计算出：应答器的位置＊↓［Ｒ］，该声头至ＧＰＳ天线之间的位置偏差△＊↓［Ｔ］和尺度比参数；　ｃ．调用计算步骤，用于基于所 输入的将ｂ．中得到的应答器的位置＊↓［Ｒ］、超短基线声头的位置偏差值△＊↓［Ｔ］作为已知值和利用超短基线声头所测量的应答器在该声头坐标系下的三维位置（ｘ、ｙ、ｚ），构建误差方程：＊＝＊.＊－＊，并计算该声头的定向误差；ｄ．输出步骤， 基于所输入的相关定义参数，对所调用的计算机程序进行计算，以在主处理机中生成适合校准的系统性误差的新计算机程序。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴永亭，刘焱雄，周兴华，唐秋华，丁继胜，杨龙，
申请(专利权)人：国家海洋局第一海洋研究所，
类型：发明
国别省市：95[中国|青岛]