本发明专利技术提供了一种基于小尺度立体阵的定位装置，解决小平台水面目标定位问题。立体阵捕捉水面目标辐射的声信号，磁罗盘获取所在平台的姿态信息，深度传感器获取所在平台的深度信息，数据处理模块准确估计目标位置。首先求得各阵元在平台坐标系下的位置坐标。然后利用磁罗盘的姿态角信息，将阵元坐标转换到大地坐标系下；根据1号声接收器阵元与其余阵元之间的三个时延差分别乘以声速可得到三个距离差，则声源到其余声接收器阵元的距离可用声源到1号声接收器阵元的距离加上距离差表示，再利用声源到四个声接收器阵元的几何距离计算公式可得四个二次方程，利用矩阵运算，从而解出水面目标在大地坐标下的位置坐标以及目标到声接收器阵元的距离。接收器阵元的距离。接收器阵元的距离。
【技术实现步骤摘要】
一种基于小尺度立体阵的定位装置
[0001]本专利技术属于引信、声呐
，涉及一种用于区域控制的小尺寸立体阵的定位装置。
技术介绍
[0002]水下武器等平台受限于布放或者运载平台的限制，其总体尺寸十分有限，现有小平台一般采用线阵或者圆阵进行探测与区域控制，水下武器等平台是通过估计目标的方向来进行区域控制，无法估计目标的准确位置。
技术实现思路
[0003]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于小尺度立体阵的定位装置。本专利技术能够解决小平台定位与坐标系转换的问题，实现水面目标的高精度定位，提高区域控制能力。
[0004]本专利技术提供的装置包括小尺度立体阵、磁罗盘，深度传感器，数据处理模块，小尺度立体阵由任意不在一个平面的四个声接收器阵元组成，将小尺度立体阵安装于水下小平台上，在水下小平台内部安装磁罗盘和深度传感器，其中，小尺度立体阵用于捕捉水面目标辐射的声信号，磁罗盘用于得到所在平台的姿态信息，深度传感器用于得到所在平台的深度信息，数据处理模块用于得到准确的目标估计。装置放在平台上，平台上涂覆吸声材料，覆吸声材料减少障板影响，降低平台对待估计目标声信号的接收影响。
[0005]本专利技术提供的定位方法包括：
[0006]1)首先建立平台坐标系，求得四个声接收器阵元等效声中心在平台系下的坐标；
[0007]2)然后根据磁罗盘输出的方位角、俯仰角、以及横滚角，计算平台坐标系到大地坐标系的坐标转换矩阵，通过坐标转换矩阵将四个声接收器阵元等效声中心在平台系下的坐标转换为大地坐标系下的坐标(x
an
，y
an
，z
an
)，n＝1、2、3、4；
[0008]3)再利用四个声接收器阵元接收的声信号求解1号声接收器阵元与其余阵元之间的时延差；
[0009]4)声源到四个声接收器阵元的距离用R1、R2、R3、R4表示，根据1号声接收器阵元与其余阵元之间的三个时延差分别乘以声速可得到三个距离差，则声源到2、3、4号声接收器阵元的距离可用声源到1号声接收器阵元的距离R1加上距离差表示，再设声源位置为(x,y,h),其中h为平台深度，再利用声源到四个声接收器阵元的几何距离计算公式可得四个二次方程，利用矩阵运算，从而解出水面目标在大地坐标下的位置坐标(x,y)，以及目标到第1声接收器阵元的距离R1。
[0010]有益效果
[0011]1)本专利技术所述定位装置已经得到了试验验证，能在较远距离上准确定位目标。
[0012]2)本专利技术采用立体阵型替换线阵或者圆阵，接收水下目标辐射的声信号，进行目标位置的估计，并采用磁罗盘方位修正，将目标位置统一到大地坐标系，可应用于多平台的组网协同探测。
[0013]3)采用基于任意阵型的时延差定位公式，适用于多种不同姿态的平台且计算量小易于实现。
[0014]4)平台采用吸声材料，减少端盖的障板影响。
附图说明
[0015]图1横卧姿态下的平台系建立
[0016]图2垂直锚泊姿态下的平台系建立
[0017]图3坐标转换关系图
[0018]图4立体阵阵型图
[0019]图5方位角海试估计结果
[0020]图6俯仰角海试估计结果
[0021]图7距离海试估计结果
具体实施方式
[0022]下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步描述。
[0023]搭建基于小尺度立体阵的定位装置，包括小尺度立体阵、磁罗盘，深度传感器，数据处理模块，小尺度立体阵由任意不在一个平面的四个声接收器阵元组成，将小尺度立体阵安装于水下小平台上，在水下小平台内部安装磁罗盘和深度传感器，其中，小尺度立体阵用于捕捉水面目标辐射的声信号，磁罗盘用于得到所在平台的姿态信息，深度传感器用于得到所在平台的深度信息，数据处理模块用于得到准确的目标估计。
[0024]目标估计的具体过程如下：
[0025]1.求平台系下立体阵坐标。如图1、图2所示为两种典型的平台工作姿态，根据平台姿态与立体阵安装方式，建立平台坐标系，本实施例中采用的小尺度立体阵由任意不在一个平面的四个声接收器组成，计算平台系下四个声接收器的坐标分别为(x
b1
,y
b1
,z
b1
)，(x
b2
,y
b2
,z
b2
)，(x
b3
,y
b3
,z
b3
)，(x
b4
,y
b4
,z
b4
)。
[0026]本专利技术所述小尺度立体阵安装于水下小平台的端盖或尾盖板上，水下小平台一般分为横卧或垂直锚泊两种姿态。在横卧姿态下，平台系以平台端盖和尾盖的中心位置的连线为x轴，以安装有立体阵的一端的盖板中心点为坐标原点O，以该盖板上预测的下水后位于最下方的一点D与坐标原点的连线作为z轴，方向指向D点，若无法预测，则在该盖板上任意选取一点作为D点，并做好标记。以右手坐标系准则建立横卧姿态下的平台坐标系，如图1所示。在垂直锚泊姿态下，平台系以平台端盖和尾盖的中心位置的连线为z轴，方向指向水下。在安装有立体阵的一端盖板上任意选取除中心点以外的一点作为D点，以OD连线作为x轴，方向指向D点，并做好标记。以右手坐标系准则建立垂直锚泊姿态下的平台坐标系，如图2所示。
[0027]平台坐标系建立之后，安装磁罗盘使其xyz轴方向与平台系一致。
[0028]2.求大地系下立体阵的坐标。
[0029]具体分两个步骤：
[0030]1)根据磁罗盘输出定义，求立体阵从平台系转到大地系OX
n
Y
n
Z
n
的坐标转换矩阵。
[0031]磁罗盘的输出定义如下：
[0032]方位角α2：磁罗盘的X轴在水平面投影与地磁北的夹角。
[0033]俯仰角α1：磁罗盘的X轴与水平面的夹角。
[0034]横滚角β1：磁罗盘的Z轴与通过磁罗盘X轴的铅垂面的夹角。
[0035]平台坐标系OX
b
Y
b
Z
b
转换到大地坐标系OX
n
Y
n
Z
n
的过程如图3所示，将平台坐标系先绕x轴逆时针旋转β2，使Y
b
与Y'轴重合，即，使Y
b
轴处于水平面上，然后绕Y
b
逆时针旋转α1，使X
b
轴处于水平面上，最后绕Z
b
轴逆时针旋转α2，使得两坐标系完全重合。
[0036]其中：
[0037][0038]当时，Y
b
轴处于水平面上，则β2＝0。
[0039]当时，
[0040]当时，
[0041]则其坐标转换矩阵为
[0042][0043]2)将平台坐标系下的立体阵坐标转换到本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于小尺度立体阵的定位装置，安装于小平台，其特征在于：包括小尺度立体阵、磁罗盘，深度传感器，数据处理模块，小尺度立体阵由任意不在一个平面的四个声接收器阵元组成，将小尺度立体阵安装于水下小平台上，在水下小平台内部安装磁罗盘和深度传感器，其中，小尺度立体阵用于捕捉水面目标辐射的声信号，磁罗盘用于得到所在平台的姿态信息，深度传感器用于得到所在平台的深度信息，数据处理模块用于得到准确的目标估计。2.根据权利要求1所述的一种基于小尺度立体阵的定位装置，其特征在于：数据处理模块的计算过程包括，1)首先建立平台坐标系，求得四个声接收器阵元等效声中心在平台系下的坐标；2)然后根据磁罗盘输出的方位角、俯仰角、以及横滚角，计算平台坐标系到大地坐标系的坐标转换矩阵，通过坐标转换矩阵将四个声接收器阵元等效声中心在平台系下的坐标转换为大地坐标系下的坐标(x
an
，y
an
，z
an
)，n＝1、2、3、4；3)再利用四个声接收器阵元接收的声信号求解1号声接收器阵元与其余阵元之间的时延差；4)声源到四个声接收器阵元的距离用R1、R2、R3、R4表示，根据1号声接收器阵元与其余阵元之间的三个时延差分别乘以声速可得到三个距离差，则声源到2、3、4号声接收器阵元的距离可用声源到1号声接收器阵元的距离R1加上距离差表示，再设声源位置为(x,y,h),其中h为平台深度，再利用声源到四个声接收器阵元的几何距离计算公式可得四个二次方程，利用矩阵运算，从而解出水面目标在大地坐标下的位置坐标...
【专利技术属性】
技术研发人员：秦银，张英杰，彭志，姚海涛，郑伟，
申请(专利权)人：宜昌测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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