一种面向长基线水下定位系统的声线修正方法技术方案

一种面向长基线水下定位系统的声线修正方法，它属于水声定位领域。本发明专利技术解决了现有声线修正方法用于辅助定位时的实时性差的问题。本发明专利技术方法采用声线修正对声速进行补偿，根据测量传播时延求取的有效声速代替固定声速值进行解算，提高了后续定位的精度。而且获得测量传播时延后，通过查找有效声速表就可以获得声速，提高了获取声速的效率，克服了现有方法用于辅助定位时的实时性差的问题，进而提高了定位的实时性。本发明专利技术方法可以应用于水声定位领域。定位领域。定位领域。

【技术实现步骤摘要】
一种面向长基线水下定位系统的声线修正方法


[0001]本专利技术属于水声定位领域，具体涉及一种面向长基线水下定位系统的声线修正方法。

技术介绍

[0002]随着潜艇等潜器的航速加快、工作深度加深，要求水声定位系统测量范围更大、测量精度更高。海底勘察设备如AUV(Autonomous Underwater Vehicle)和ROV(Remotely Operated Vehicle)均需要水下定位导航技术的支持，通过高精度的水下定位技术，实时地提供目标的空间位置、运动状态等信息。而声速作为定位的主要参数，受到地理位置、季节、水深等因素影响呈现不同的分布情况，长基线定位系统基阵布放的水平距离在公里级，声速也会随着水平位置不同而改变。因此声速对计算目标与阵元的距离影响较大，对声速误差的研究十分必要。根据射线声学理论，在水介质中传播的声线会向声速较小的方向弯曲，并受到海面、海底反射以及不同介质层间的折射，实际情况的声线传播十分复杂。整个水域只选取一个固定声速进行解算，计算的目标位置与实际位置有较大的偏差。
[0003]海水中的声速剖面一般用两种方式测量，一种利用声速剖面仪，另一种根据不同环境选取相应的声速经验公式计算得到。声速剖面仪常采用环鸣法测量声速，即测量信号在固定距离往返传播多次的时间来计算声速。利用声速经验公式求取声速需要提前测量海水的温度、盐度、压力等信息，代入公式求解水下声速。常用的声速经验公式有Dell Grosso公式、W.D.Wilson公式、Leory公式等。目前现有的声线修正算法主要有加权平均声速法、泰勒级数展开法、等效声速剖面法等，但是这些声线修正方法需要定位时实时模拟声线传播路径且计算量较大，因此，现有声线修正方法用于辅助定位时的实时性较差。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为解决现有声线修正方法用于辅助定位时的实时性差的问题，而提出了一种面向长基线水下定位系统的声线修正方法。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案是：
[0006]一种面向长基线水下定位系统的声线修正方法，所述方法具体包括以下步骤：
[0007]步骤一、设置目标声源深度为z
s
；
[0008]步骤二、设置阵元深度为z
r
；
[0009]步骤三、对目标声源与阵元的竖直方向距离进行分层，将分层数设置为N，将出射掠射角范围设置为[θ
′
min
,θ
′
max
]，将声线数目设置为M；
[0010]步骤四、设置目标声源与阵元之间的水平距离依次为z、z+Δz1、z+2
·
Δz1、
…
、z+a
·
Δz1，其中，Δz1是水平距离增加步长，z是目标声源与阵元之间的最小水平距离，z+a
·
Δz1是目标声源与阵元之间的最大水平距离，a为整数；
[0011]步骤五、通过软件模拟水下声线传播路径，计算第j个声线的传播时延和传播距离，j＝1,2,
…
,M；
[0012]步骤六、对于目标声源与阵元之间的任意一个水平距离值，从到达阵元的全部声线中挑选出传播时延最小的声线；
[0013]根据挑选出的声线的传播时延和传播距离计算有效声速v
e
，将z
s
、z
r
、挑选出的声线的传播时延和v
e
作为一组数据；
[0014]同理，得到目标声源与阵元之间的每一个水平距离值对应的数据；
[0015]步骤七、保持目标声源深度不变，按照设置的步长Δz2逐渐增加阵元深度直至达到最大的阵元深度，且每次增加阵元深度后，均执行步骤三至步骤六的过程；
[0016]步骤八、按照设置的步长Δz3逐渐增加目标声源深度直至达到最大的目标声源深度，且每次增加目标声源深度后，均执行步骤二至步骤七的过程；
[0017]步骤九、利用同一组目标声源深度和阵元深度下的全部有效声速和挑选出声线的传播时延生成有效声速表，同理，分别生成各组目标声源深度和阵元深度下的有效声速表；
[0018]根据待定位目标声源深度和用于检测的阵元的深度找到对应的有效声速表；
[0019]根据用于检测的阵元检测到的传播时延和找到的有效声速表确定有效声速；再根据检测到的传播时延和确定的有效声速计算用于检测的阵元与目标声源的空间距离；
[0020]步骤十、基于步骤九中计算出的阵元与目标声源的空间距离，利用交汇定位算法解算出待定位目标声源的位置。
[0021]进一步地，所述第j个声线的传播距离为：
[0022][0023]其中，x
j
代表第j个声线的传播距离，θ
j,i
代表第j个声线在第i层介质的出射角，θ
j,i+1
代表第j个声线在第i+1层介质的出射角，|
·
|代表求绝对值，c(z
i
)代表深度为z
i
时的声速，z
i
代表第i层介质下界面的深度，g
i
为第i层介质的绝对声速梯度。
[0024]进一步地，所述第j个声线的传播时延为：
[0025][0026]其中，t
j
代表第j个声线的传播时延，ln是自然对数。
[0027]进一步地，所述第i层介质的绝对声速梯度g
i
为：
[0028][0029]其中，c(z
i+1
)代表深度为z
i+1
时的声速，z
i+1
代表第i+1层介质下界面的深度。
[0030]进一步地，所述步骤六中，根据挑选出的声线的传播时延和传播距离计算有效声速v
e
；其具体过程为：
[0031]将挑选出的声线的传播距离记为x、传播时延记为t，根据传播距离x和深度差h计算斜距r；
[0032]再利用斜距r和传播时延t确定有效声速：
[0033][0034]其中，v
e
为有效声速。
[0035]进一步地，所述深度差h为：
[0036]h＝z
r
‑
z
s
[0037]进一步地，所述模拟水下声线传播路径采用MATLAB软件。
[0038]更进一步地，所述根据传播距离x和深度差h计算斜距r，其具体为：
[0039][0040]本专利技术的有益效果是：
[0041]本专利技术方法采用声线修正对声速进行补偿，根据测量传播时延求取的有效声速代替固定声速值进行解算，提高了后续定位的精度。而且获得测量传播时延后，通过查找有效声速表就可以获得声速，提高了获取声速的效率，克服了现有方法用于辅助定位时的实时性差的问题，进而提高了定位的实时性。
[0042]通过实验验证，本专利技术的有效声速法的定位误差整体小于固定声速的定位误差，利用声线修正的解算本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向长基线水下定位系统的声线修正方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：步骤一、设置目标声源深度为z
s
；步骤二、设置阵元深度为z
r
；步骤三、对目标声源与阵元的竖直方向距离进行分层，将分层数设置为N，将出射掠射角范围设置为[θ
′
min
,θ
′
max
]，将声线数目设置为M；步骤四、设置目标声源与阵元之间的水平距离依次为z、z+Δz1、z+2
·
Δz1、
…
、z+a
·
Δz1，其中，Δz1是水平距离增加步长，z是目标声源与阵元之间的最小水平距离，z+a
·
Δz1是目标声源与阵元之间的最大水平距离，a为整数；步骤五、通过软件模拟水下声线传播路径，计算第j个声线的传播时延和传播距离，j＝1,2,
…
,M；步骤六、对于目标声源与阵元之间的任意一个水平距离值，从到达阵元的全部声线中挑选出传播时延最小的声线；根据挑选出的声线的传播时延和传播距离计算有效声速v
e
，将z
s
、z
r
、挑选出的声线的传播时延和v
e
作为一组数据；同理，得到目标声源与阵元之间的每一个水平距离值对应的数据；步骤七、保持目标声源深度不变，按照设置的步长Δz2逐渐增加阵元深度直至达到最大的阵元深度，且每次增加阵元深度后，均执行步骤三至步骤六的过程；步骤八、按照设置的步长Δz3逐渐增加目标声源深度直至达到最大的目标声源深度，且每次增加目标声源深度后，均执行步骤二至步骤七的过程；步骤九、利用同一组目标声源深度和阵元深度下的全部有效声速和挑选出声线的传播时延生成有效声速表，同理，分别生成各组目标声源深度和阵元深度下的有效声速表；根据待定位目标声源深度和用于检测的阵元的深度找到对应的有效声速表；根据用于检测的阵元检测到的传播时延和找到的有效声速表确定有效声速；再根据检测到的传播时延和确定的有效声速计算用于检测的阵元与目标声源的空间距离；步骤十、基于步骤九中计算出的阵元与目标声源的空间距离...

【专利技术属性】
技术研发人员：李娜，王燕，李东育，邹男，付进，梁国龙，尹慕泽，金佳苗，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：