本發(fā)明屬于海洋測(cè)繪及工程應(yīng)用，涉及一種多層深水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)組合測(cè)量設(shè)備與方法。

背景技術(shù)：

1、水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)具有運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)隨機(jī)性，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)活動(dòng)范圍覆蓋水面至水底全深度范圍，涉及多層深多目標(biāo)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，均需要實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)目標(biāo)的全過(guò)程定位，目標(biāo)定位精度多數(shù)要求達(dá)到亞米級(jí)，部分目標(biāo)涉及到垂向或上下往復(fù)等跨多層深度運(yùn)動(dòng)過(guò)程，具有較強(qiáng)的時(shí)間空間變化特性，需要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的軌跡獲取和態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)。近20年來(lái)基于水聲信號(hào)的定位導(dǎo)航技術(shù)逐漸發(fā)展，基于超短基線(xiàn)、短基線(xiàn)、長(zhǎng)基線(xiàn)等不同測(cè)量方法目前已基本實(shí)現(xiàn)全海深、全精度覆蓋，但水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)特別是快變目標(biāo)和跨多層深目標(biāo)的相關(guān)參數(shù)測(cè)量一直是工程實(shí)現(xiàn)上的難題，相應(yīng)的測(cè)量方法要求具有工程實(shí)踐條件下的可實(shí)行和易操作性。

2、目前在海洋環(huán)境下對(duì)水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位測(cè)量主要包括兩種技術(shù)方法：一是基于聲吶回波測(cè)量技術(shù)，在待測(cè)目標(biāo)水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)進(jìn)行定向波束發(fā)射機(jī)回波圖像接收處理，回波圖像中包含目標(biāo)信息，進(jìn)而從聲學(xué)回波圖像中提取目標(biāo)測(cè)距、測(cè)向等定位測(cè)量元素并完成解算；二是基于聲學(xué)信標(biāo)手段的水聲定位測(cè)量方法，主要通過(guò)待測(cè)目標(biāo)外表面加裝聲學(xué)信標(biāo)，由該信標(biāo)發(fā)出制式聲信號(hào)，通過(guò)長(zhǎng)基線(xiàn)陣元或超短基線(xiàn)多陣元接收該信號(hào)并完成定位測(cè)量元素的提取和定位參數(shù)解算。其中，基于主動(dòng)聲吶技術(shù)的利用固定連續(xù)多幀聲吶圖像識(shí)別目標(biāo)運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)和關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量方法已在工程實(shí)踐中有應(yīng)用基礎(chǔ)，但該體制受限于聲吶成像的物理機(jī)制而存在一定的應(yīng)用局限性，主要體現(xiàn)在距離模糊抑制能力不足、海水介質(zhì)影響圖像質(zhì)量、流場(chǎng)及折射吸收效應(yīng)影響測(cè)量精度等方面，同時(shí)受圖像質(zhì)量影響難以準(zhǔn)確識(shí)別和判定目標(biāo)表面精確聲學(xué)反射點(diǎn)位置，對(duì)目標(biāo)的高精度測(cè)量要求有局限性。隨著水聲定位技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，基于聲學(xué)信標(biāo)體制的定位測(cè)量方法，即長(zhǎng)基線(xiàn)、超短基線(xiàn)等測(cè)量體制應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大、定位精度逐漸提高，長(zhǎng)基線(xiàn)測(cè)量要求接收陣元布站合理且有至少3個(gè)以上陣元的斜距、到達(dá)時(shí)延信息，超短基線(xiàn)測(cè)量要求單站的斜距、俯仰角、方位角信息，即可解析得到唯一的定位結(jié)果，進(jìn)而解算得到運(yùn)動(dòng)軌跡和速度、姿態(tài)等運(yùn)動(dòng)參數(shù)結(jié)果，上述測(cè)量設(shè)備和方法在工程應(yīng)用中要求具備一定的冗余測(cè)站信息，通過(guò)重心法、迭代法、最小二乘法等進(jìn)行目標(biāo)位置參數(shù)的解算估計(jì)。

3、對(duì)于類(lèi)似快變目標(biāo)和跨多層深目標(biāo)的水下運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量，要求聲信號(hào)的高幀率發(fā)射接收模式、水平垂向全覆蓋立體布站、克服聲信號(hào)受空泡流場(chǎng)影響衰減效應(yīng)等，為滿(mǎn)足上述特殊工況下的測(cè)量要求，近年來(lái)發(fā)展了自主化高性能定位聲信標(biāo)、海洋測(cè)站高精度基準(zhǔn)傳遞、高精度測(cè)量布站設(shè)計(jì)、有約束垂向測(cè)量補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，可支撐工程級(jí)水下段高幀率、高精度相關(guān)參數(shù)的獲取。隨著需求牽引下的多學(xué)科交叉融合合作，水下作業(yè)場(chǎng)景復(fù)雜度不斷增加，新質(zhì)新域水下航行器及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)呈現(xiàn)多工況、高協(xié)同、多場(chǎng)景、多用途的發(fā)展趨勢(shì)和作業(yè)要求，因此需要結(jié)合目前發(fā)展成熟可靠、工程實(shí)踐充分穩(wěn)定的水下目標(biāo)高精度定位技術(shù)手段，獲取水下單個(gè)或多個(gè)垂向高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的精確軌跡、位置、速度、姿態(tài)等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，以提供目標(biāo)的實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)精細(xì)化運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明是為了解決水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在多層深環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量及基于組合測(cè)量設(shè)備與方法的高精度運(yùn)動(dòng)參數(shù)解算問(wèn)題，從測(cè)量設(shè)備、測(cè)量方法、精度評(píng)估三個(gè)層次考慮，提供了一種針對(duì)水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的組合測(cè)量設(shè)備及相應(yīng)測(cè)量方法。本發(fā)明是基于超短基線(xiàn)和長(zhǎng)基線(xiàn)融合測(cè)量體制的適用于水下聲學(xué)性能和水文環(huán)境的目標(biāo)合作信號(hào)接收解算測(cè)量方法，可保證制式聲信號(hào)被接收基陣有效檢測(cè)的同時(shí)還要能夠克服惡劣的力學(xué)環(huán)境條件，通過(guò)對(duì)超短基線(xiàn)和長(zhǎng)基線(xiàn)的測(cè)元結(jié)果進(jìn)行融合解算得到亞米級(jí)精度的水下高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置、速度、軌跡等關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)，組合測(cè)量設(shè)備及方法可實(shí)現(xiàn)作業(yè)海域水面至水下多層深覆蓋，設(shè)備及方法可遍歷適用于低速或高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，此外可為深水環(huán)境下的多目標(biāo)定位及態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)提供設(shè)備基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)方法。

2、所述組合測(cè)量設(shè)備及方法，需在目標(biāo)上加裝合作設(shè)備，用于發(fā)出測(cè)量設(shè)備可精確同步識(shí)別的制式聲信號(hào)，并采用超短基線(xiàn)或長(zhǎng)基線(xiàn)測(cè)量體制采集運(yùn)動(dòng)目標(biāo)聲信號(hào)以進(jìn)行信號(hào)辨識(shí)和參數(shù)解算，考慮目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡因方向隨機(jī)性導(dǎo)致多普勒效應(yīng)帶來(lái)的誤差，構(gòu)建覆蓋目標(biāo)水下運(yùn)動(dòng)全過(guò)程的三維空間立體測(cè)量陣型，同時(shí)為克服超短基線(xiàn)和長(zhǎng)基線(xiàn)測(cè)量體制中測(cè)距誤差、站址誤差、聲速誤差、測(cè)時(shí)誤差、陣元間距誤差、標(biāo)定誤差、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)引入誤差等誤差源對(duì)精度結(jié)果的影響，需要辨識(shí)兩種測(cè)量體制下的誤差源，并形成兩種測(cè)量體制下的測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行測(cè)量的對(duì)比和融合結(jié)果分析，實(shí)現(xiàn)水下運(yùn)動(dòng)參數(shù)的高精度測(cè)量。

3、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

4、一種多層深水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)組合測(cè)量設(shè)備，包括聲學(xué)信標(biāo)、超短基線(xiàn)基陣和長(zhǎng)基線(xiàn)基陣；所述的聲學(xué)信標(biāo)安裝在待測(cè)的多層深水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)上，所述的超短基線(xiàn)基陣布置在水面作業(yè)船或水面測(cè)量平臺(tái)上，超短基線(xiàn)基陣位于水面下，所述的長(zhǎng)基線(xiàn)基陣布置在位于海底的坐底測(cè)量平臺(tái)上；超短基線(xiàn)基陣和長(zhǎng)基線(xiàn)基陣共同接收聲學(xué)信標(biāo)發(fā)出的聲學(xué)信號(hào)，共同對(duì)聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行融合解算，獲得多層深水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置。

5、所述的聲學(xué)信標(biāo)是至少一組可全向或兩組開(kāi)角180°的聲學(xué)信標(biāo)。

6、一種多層深水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)組合測(cè)量方法，采用上述設(shè)備，具體步驟如下：

7、步驟一：在測(cè)量作業(yè)要求海況條件下，水面作業(yè)船或水面測(cè)量平臺(tái)保持錨定或勻速走航狀態(tài)，選擇水面以上且無(wú)遮擋部位安裝gnss定位設(shè)備以獲取超短基線(xiàn)基陣的位置基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，安裝慣導(dǎo)設(shè)備并確保與水面作業(yè)船或水面測(cè)量平臺(tái)保持剛性連接，同時(shí)通過(guò)衛(wèi)導(dǎo)獲取超短基線(xiàn)基陣的姿態(tài)數(shù)據(jù)；選擇水面以下水深2米以上深度位置并與水面作業(yè)船或水面測(cè)量平臺(tái)剛性連接位置，安裝超短基線(xiàn)基陣；

8、步驟二：在水下目標(biāo)運(yùn)動(dòng)水平區(qū)域底部，通過(guò)坐底測(cè)量平臺(tái)安裝長(zhǎng)基線(xiàn)基陣，實(shí)現(xiàn)聲學(xué)信號(hào)的接收、采集、實(shí)時(shí)處理；在坐底測(cè)量平臺(tái)上，安裝守時(shí)裝置以實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)端時(shí)間統(tǒng)一，安裝位置標(biāo)校裝置以消除長(zhǎng)基線(xiàn)基陣的各陣元站址誤差進(jìn)而實(shí)現(xiàn)布放位置的標(biāo)校。

9、步驟三：完成超短基線(xiàn)基陣和長(zhǎng)基線(xiàn)基陣的安裝布放后，作業(yè)期間，由作業(yè)船搭載聲速剖面儀間隔一定時(shí)間獲取作業(yè)海域的聲速剖面數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)海域聲速垂向傳播時(shí)延誤差測(cè)量。

10、步驟四：使用基于衛(wèi)導(dǎo)高精度授時(shí)模塊提供的時(shí)統(tǒng)信號(hào)為待測(cè)深水下目標(biāo)的聲學(xué)信標(biāo)、超短基線(xiàn)基陣和長(zhǎng)基線(xiàn)基陣、長(zhǎng)基線(xiàn)基陣提供統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)。

11、步驟五：聲學(xué)信標(biāo)持續(xù)發(fā)出制式聲信號(hào)，超短基線(xiàn)基陣和長(zhǎng)基線(xiàn)基陣分別進(jìn)行信號(hào)的接收、采集、存儲(chǔ)，其中，超短基線(xiàn)基陣實(shí)時(shí)解算并在作業(yè)船控制臺(tái)實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)的大地坐標(biāo)位置、速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，長(zhǎng)基線(xiàn)基陣各陣元自容存儲(chǔ)接收的原始聲信號(hào)，經(jīng)事后回取解算得到目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

12、步驟六：以組合測(cè)量方式進(jìn)行多元融合解算前進(jìn)行誤差傳播、辨識(shí)方法、誤差修正分析，將超短基線(xiàn)基陣和長(zhǎng)基線(xiàn)基陣的定位、測(cè)速測(cè)元結(jié)果進(jìn)行時(shí)間配準(zhǔn)和空間配準(zhǔn)，采用交互式多模型的自適應(yīng)濾波器進(jìn)行融合解算，得到多元融合解算的位置、速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)結(jié)果。

13、本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明通過(guò)基于超短基線(xiàn)和長(zhǎng)基線(xiàn)的組合測(cè)量設(shè)備及方法，以及大地坐標(biāo)系下的分布式測(cè)量框架，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置、速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的高精度融合解算，能夠建立統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)條件下的多目標(biāo)態(tài)勢(shì)分析場(chǎng)景，可實(shí)現(xiàn)水下應(yīng)用環(huán)境中水平運(yùn)動(dòng)和垂向運(yùn)動(dòng)、低速運(yùn)動(dòng)和高速運(yùn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和水下環(huán)境等多個(gè)工況維度下的多目標(biāo)一體化態(tài)勢(shì)獲取，可為工程條件下水下目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析和安全狀態(tài)判別提供數(shù)據(jù)支撐和參考依據(jù)，也可為數(shù)字空間映射水下作業(yè)環(huán)境提供重要信息基礎(chǔ)支撐；測(cè)量方法和相應(yīng)測(cè)量設(shè)備具有海上作業(yè)工程應(yīng)用條件下的基礎(chǔ)，具有由分系統(tǒng)至全系統(tǒng)級(jí)的成熟設(shè)備研制方案和海上作業(yè)實(shí)施方案，可為多元融合解算的測(cè)量方法提供實(shí)踐應(yīng)用支撐。