專利名稱：海底應(yīng)答器絕對位置三測點(diǎn)高精度標(biāo)校方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種水聲定位方法，主要涉及海底應(yīng)答器絕對位置的標(biāo)校方法。
(二)
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的對海底應(yīng)答器絕對位置標(biāo)校方法，主要可以分為兩類。 一是利用安裝 在水面船上具有定位能力的基陣直接對海底應(yīng)答器進(jìn)行標(biāo)校。該基陣既可以是超 短基線，也可以是短基線。此類方法的優(yōu)點(diǎn)是作業(yè)效率高，僅通過單次測量就可 以得到標(biāo)校結(jié)果。該方法的不足在于標(biāo)校的精度相對較差，難以滿足應(yīng)答器位置 高精度標(biāo)校的要求。這是由于基陣尺寸較小的緣故造成的。另一類是在水面多點(diǎn) 測量相對距離信息，構(gòu)成長基線對海底應(yīng)答器絕對位置進(jìn)行標(biāo)校。該方法的優(yōu)點(diǎn) 是位置標(biāo)校的精度高。但是該方法至少需要選擇三個測點(diǎn)進(jìn)行測量，并且其標(biāo)校 精度與測點(diǎn)位置的選取密切相關(guān)。
隨著水下作業(yè)的日益增多，高精度的海底(特別是深海)應(yīng)答器的絕對位置 標(biāo)校的需求顯得越來越突出。(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)對海底應(yīng)答器絕對位置的高精度校準(zhǔn)， 能提高了作業(yè)效率的海底應(yīng)答器絕對位置三測點(diǎn)高精度標(biāo)校方法。 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的-
(1) 利用超短基線與海底應(yīng)答器的單次問答對應(yīng)答器定位；
(2) 根據(jù)定位結(jié)果和定位誤差的空間分布特性選取三個測點(diǎn)，利用超短基 線引導(dǎo)在選定點(diǎn)對海底應(yīng)答器定位；
(3) 結(jié)合三測點(diǎn)坐標(biāo)，利用三次測得的斜距信息列出定位方程，求解出海 底應(yīng)答器的絕對位置。
本發(fā)明還可以包括
1 、所述的利用超短基線與海底應(yīng)答器單次問答對應(yīng)答器進(jìn)行定位的方法為(1)首先超短基線向應(yīng)答器發(fā)送一個詢問信號，應(yīng)答器對信號進(jìn)行檢測，并發(fā) 送一個應(yīng)答信號；(2)超短基線計(jì)算應(yīng)答信號相對于發(fā)送詢問信號時(shí)刻的時(shí)延， 進(jìn)而求得超短基線聲學(xué)基陣與應(yīng)答器之間的距離；(3)超短基線通過計(jì)算應(yīng)答器 的應(yīng)答信號到達(dá)聲學(xué)基陣各陣元之間的時(shí)延差來估計(jì)應(yīng)答器的方位；(4)根據(jù)距 離和方位解算出應(yīng)答器的位置坐標(biāo)。
2、 所述的根據(jù)定位結(jié)果和定位誤差的空間分布特性選取三個測點(diǎn)，并利用 超短基線引導(dǎo)的方法為(1)根據(jù)定位結(jié)果得到應(yīng)答器的水深/z，選取基線長度
丄=7^ ，測點(diǎn)與應(yīng)答器之間的水平距離為V^Z，斜距為V^; (2)超短基線與
應(yīng)答器問答，在斜距為#的圓上航行；(3)根據(jù)超短基線的方位估計(jì)結(jié)果選取 構(gòu)成等邊三角形的三個點(diǎn)作為測點(diǎn)。
3、 所述的求解海底應(yīng)答器絕對位置的方法為(1)在所選測點(diǎn)與海底應(yīng)答 器進(jìn)行問答，根據(jù)信號傳播時(shí)延求得測點(diǎn)與海底應(yīng)答器之間的斜距；(2)利用高 精度的GPS信息記錄該測點(diǎn)的絕對位置信息；(3)利用球面交匯的方法求解出 海底應(yīng)答器的精確位置。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，需要計(jì)算三測點(diǎn)定位的空間誤差分布特性，這是選取 測點(diǎn)的依據(jù)。三測點(diǎn)的陣型是一個等邊三角形，稱該邊長為基線長度。應(yīng)答器位 置校準(zhǔn)精度最高的位置的深度與基線長度有固定的關(guān)系。因而通過步驟1獲得的 應(yīng)答器深度和步驟2計(jì)算的空間分布特性可以得到基線長度。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，需要利用超短基線的定位結(jié)果對船進(jìn)行引導(dǎo)，到達(dá)正 確的測點(diǎn)對應(yīng)答器進(jìn)行測量校準(zhǔn)。三測點(diǎn)的位置都是與應(yīng)答器的相對位置，而超 短基線能夠滿足此要求。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，需要獲得三測點(diǎn)的位置信息及其與應(yīng)答器之間的斜距 信息。位置信息可以通過高精度的GPS來測量。而斜距信息與聲速和時(shí)延均有 關(guān)系，除了要保證高精度的時(shí)延測量之外。還需要根據(jù)聲速分布對斜距進(jìn)行聲線 彎曲修正。在深海遠(yuǎn)距離的情況尤為如此。
本發(fā)明的特點(diǎn)是在借助于超短基線定位的定位能力，根據(jù)定位結(jié)果得到應(yīng)答 器的深度信息，并根據(jù)三測點(diǎn)定位誤差的空間分布特性，選取應(yīng)答器位置校準(zhǔn)精 度最高的三個測點(diǎn)。并通過超短基線的定位能力，將水面船引導(dǎo)至測點(diǎn)，與海底應(yīng)答器進(jìn)行問答。根據(jù)三測點(diǎn)的測量結(jié)果解算出應(yīng)答器位置信息。該方法能夠?qū)?現(xiàn)對海底應(yīng)答器絕對位置的高精度校準(zhǔn)，并且該方法僅需要在三測點(diǎn)分別單次測 量，避免了測點(diǎn)選擇的盲目性，提高了作業(yè)效率。
(四)


圖1是海底應(yīng)答器絕對位置高精度標(biāo)校的幾何配置示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述
結(jié)合圖1，應(yīng)答器錨1定于海底，帶有高精度GPS2的超短基線3安裝于舷 側(cè)。超短基線3在水面三測點(diǎn)對應(yīng)答器1測距，可以求解出應(yīng)答器的位置。三個 測點(diǎn)的選擇是通過超短基線的定位結(jié)果實(shí)現(xiàn)對船的引導(dǎo)。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，給出海底應(yīng)答器絕對位置三測點(diǎn)高精度標(biāo)校的方法。如
圖l，假設(shè)錨定于海底的應(yīng)答器的位置為X,，帶GPS的水面船在海面多點(diǎn)與海 底應(yīng)答器進(jìn)行了N次的問答。對應(yīng)于第i測量點(diǎn)的位置X^所測得的斜距為r',
i = l,2,...,N。應(yīng)答器位置校準(zhǔn)方程
|XG,-dh (i = l,2,...,N)
式中7^ = 3表示測量次數(shù)。
下面給出測點(diǎn)位置選取的證明。
方程組(1)要有唯一解的條件是
X2 _ Xl』少2 一力
(1)
(2)
x3 _ x2y廣y2
即三個測量點(diǎn)不共線。
不妨假設(shè)三個測量點(diǎn)構(gòu)成等邊三角形，而考慮應(yīng)答器在不同空間位置時(shí)的應(yīng)
丄
答器位置校準(zhǔn)精度。三個測量點(diǎn)的坐標(biāo)是T,(-f ,0,0) 、 T2(,,0,0) 、 T3(0，f L，O) 對方程組(1)微分可以求得水平定位誤差 ,和深度誤差CJh:
=^血十辦
(3)
3丄<formula>formula see original document page 7</formula>(4)
當(dāng)測距誤差* = &2 = A3時(shí)，根據(jù)數(shù)學(xué)知識可知當(dāng)。=r2 = r3時(shí)水平定位誤 差c^可取得最小值。此時(shí)應(yīng)答器的水平投影位于構(gòu)成等邊三角形的逆長基線的
中心，其坐標(biāo)為(0,^"丄，;o 。令r, = r2 = r3 = r = / 2 + i ， = &2 = &3 =
6 V 3
將此應(yīng)答器坐標(biāo)代入式(3)可得
<formula>formula see original document page 7</formula>
(5)
此時(shí)深度誤差:
<formula>formula see original document page 7</formula>(6)
定義應(yīng)答器位置校準(zhǔn)的總體定位誤差^
<formula>formula see original document page 7</formula>
(7)
將式(5)和(6)代入上式可得
<formula>formula see original document page 7</formula>
(8)
易知當(dāng)/2 = ^丄時(shí)總體定位精度最高。
綜上，若三測點(diǎn)構(gòu)成等邊三角形，基線長度為L，那么當(dāng)海底應(yīng)答器的水平
投影是等邊三角形的中心，且其深度坐標(biāo)為= 時(shí)，應(yīng)答器的定位精度最高。
換句話說，如果海底應(yīng)答器已布放完畢，可以通過布放深度/z選擇測量點(diǎn)對應(yīng)答 器進(jìn)行絕對位置校準(zhǔn)可選取基線長度丄=7^/ ，測點(diǎn)陣型是以應(yīng)答器水平投影
為中心的等邊三角形。
為了獲得高精度的應(yīng)答器絕對位置校準(zhǔn)結(jié)果，下面給出一種高精度的聲線彎 曲修正的方法。
在一定海深的條件下，聲傳播的距離是一個與傳播時(shí)延有關(guān)的函數(shù)，該函數(shù)由海深及相應(yīng)的聲速分布確定。由下式表示
<formula>formula see original document page 8</formula>(9)
其中r是斜距，/ )是由海深及相應(yīng)聲速分布確定的函數(shù)，可以根據(jù)snell定律
通過數(shù)值計(jì)算進(jìn)行逼近求解。,是傳播時(shí)延。在利用超短基線對海底應(yīng)答器定位 得到應(yīng)答器的深度信息之后就可以根據(jù)聲速分布確定該函數(shù)，然后根據(jù)時(shí)延信息 估計(jì)出斜距。另一種方法是通過計(jì)算給定海深條件下的斜距和傳播時(shí)延的函數(shù) 表，根據(jù)所測得的時(shí)延信息査表就可得到斜距信息。
權(quán)利要求
1、一種海底應(yīng)答器絕對位置三測點(diǎn)高精度標(biāo)校方法，其特征是(1)利用超短基線與海底應(yīng)答器的單次問答對應(yīng)答器定位；(2)根據(jù)定位結(jié)果和定位誤差的空間分布特性選取三個測點(diǎn)，利用超短基線引導(dǎo)在選定點(diǎn)對海底應(yīng)答器定位；(3)結(jié)合三測點(diǎn)坐標(biāo)，利用三次測得的斜距信息列出定位方程，求解出海底應(yīng)答器的絕對位置。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的海底應(yīng)答器絕對位置三測點(diǎn)高精度標(biāo)校方法，其 特征是:所述的利用超短基線與海底應(yīng)答器單次問答對應(yīng)答器進(jìn)行定位的方法 為(1)首先超短基線向應(yīng)答器發(fā)送一個詢問信號，應(yīng)答器對信號進(jìn)行檢測， 并發(fā)送一個應(yīng)答信號；(2)超短基線計(jì)算應(yīng)答信號相對于發(fā)送詢問信號時(shí)刻的 時(shí)延，進(jìn)而求得超短基線聲學(xué)基陣與應(yīng)答器之間的距離；(3)超短基線通過計(jì) 算應(yīng)答器的應(yīng)答信號到達(dá)聲學(xué)基陣各陣元之間的時(shí)延差來估計(jì)應(yīng)答器的方位；(4)根據(jù)距離和方位解算出應(yīng)答器的位置坐標(biāo)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的海底應(yīng)答器絕對位置三測點(diǎn)高精度標(biāo)校方法， 其特征是:所述的根據(jù)定位結(jié)果和定位誤差的空間分布特性選取三個測點(diǎn)，并利 用超短基線引導(dǎo)的方法為(1)根據(jù)定位結(jié)果得到應(yīng)答器的水深/ ，選取基線長度丄=7^ ，測點(diǎn)與應(yīng)答器之間的水平距離為V^^，斜距為#; (2)超短基線與應(yīng)答器問答，在斜距為#的圓上航行；(3)根據(jù)超短基線的方位估計(jì) 結(jié)果選取構(gòu)成等邊三角形的三個點(diǎn)作為測點(diǎn)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的海底應(yīng)答器絕對位置三測點(diǎn)高精度標(biāo)校方法， 其特征是:所述的求解海底應(yīng)答器絕對位置的方法為(1)在所選測點(diǎn)與海底應(yīng) 答器進(jìn)行問答，根據(jù)信號傳播時(shí)延求得測點(diǎn)與海底應(yīng)答器之間的斜距；(2)利 用高精度的GPS信息記錄該測點(diǎn)的絕對位置信息；(3)利用球面交匯的方法求 解出海底應(yīng)答器的精確位置。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的海底應(yīng)答器絕對位置三測點(diǎn)高精度標(biāo)校方法，其 特征是:所述的求解海底應(yīng)答器絕對位置的方法為(1)在所選測點(diǎn)與海底應(yīng)答器進(jìn)行問答，根據(jù)信號傳播時(shí)延求得測點(diǎn)與海底應(yīng)答器之間的斜距；(2)利用 高精度的GPS信息記錄該測點(diǎn)的絕對位置信息；(3)利用球面交匯的方法求解 出海底應(yīng)答器的精確位置。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種海底應(yīng)答器絕對位置三測點(diǎn)高精度標(biāo)校方法。(1)利用超短基線與海底應(yīng)答器的單次問答對應(yīng)答器定位；(2)根據(jù)定位結(jié)果和定位誤差的空間分布特性選取三個測點(diǎn)，利用超短基線引導(dǎo)在選定點(diǎn)對海底應(yīng)答器定位；(3)結(jié)合三測點(diǎn)坐標(biāo)，利用三次測得的斜距信息列出定位方程，求解出海底應(yīng)答器的絕對位置。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對海底應(yīng)答器絕對位置的高精度校準(zhǔn)，并且該方法僅需要在三測點(diǎn)分別單次測量，避免了測點(diǎn)選擇的盲目性，提高了作業(yè)效率。
文檔編號G01S5/00GK101441267SQ20081020983
公開日2009年5月27日 申請日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者蘭華林, 盧逢春, 孫大軍, 張殿倫, 想 李, 鄭翠娥 申請人:哈爾濱工程大學(xué)