專利名稱：用于超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及海洋調(diào)查測量船探測設(shè)備的改進(jìn)，具體講是一種用于超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)(Ultra Short Base Line Acoustic Positioning System)的校準(zhǔn)方法，其屬于海洋資源探測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)的海洋調(diào)查中，經(jīng)常使用超短基線水聲定位系統(tǒng)，對水下拖曳體或其它目標(biāo)進(jìn)行定位。該系統(tǒng)包括固定在測量船船體水面以下的超短基線聲頭、主處理機(jī)、收發(fā)單元、控制單元、外接安裝在船體水面以上的GPS天線定位系統(tǒng)和慣性測量裝置--IMU(Inertial Measurement Unit)等。由于超短基線聲頭與GPS天線之間存在位置偏差，該聲頭的聲基陣定向系統(tǒng)(XYZ)與IMU定向系統(tǒng)(X′Y′Z′)之間不可能完全重合，存在系統(tǒng)性定向偏差，如果不加以改正，測量的相位角存在系統(tǒng)誤差。因此，在使用超短基線水聲定位系統(tǒng)工作之前，必須校準(zhǔn)這些系統(tǒng)性誤差，否則，會出現(xiàn)很大的系統(tǒng)性位置偏差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法。該方法要具有科學(xué)性、可靠性，能夠快速準(zhǔn)確而有效地校準(zhǔn)系統(tǒng)的安裝誤差。
本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，研制了一種用于超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，所述定位系統(tǒng)包括主處理機(jī)，收發(fā)單元，控制單元，固定安裝在測量船體水面以下的超短基線聲頭，水下目標(biāo)應(yīng)答器，外接安裝在測量船體水面以上的GPS系統(tǒng)和慣性測量IMU裝置。所述的校準(zhǔn)方法包括a.存儲步驟，用于在所述收發(fā)單元中存儲觀測到的GPS、IMU和超短基線聲頭三類測量數(shù)據(jù)，用于專用計(jì)算機(jī)程序，其中，每個(gè)計(jì)算機(jī)程序被定義予一與被觀測到的GPS，IMU和超短基線三類測量數(shù)據(jù)對應(yīng)的唯一特定類別參數(shù)；b.輸入計(jì)算步驟，用于輸入上述GPS測量的地理位置數(shù)據(jù)，IMU測量的船體姿態(tài)數(shù)據(jù)和超短基線聲頭至應(yīng)答器的幾何距離，利用這三類參數(shù)計(jì)算出應(yīng)答器的位置 該聲頭至GPS天線之間的位置偏差 和尺度比參數(shù)Δu；c.調(diào)用計(jì)算步驟，用于基于所輸入的將b.中得到的應(yīng)答器的位置 超短基線聲頭的位置偏差值 作為已知值和利用超短基線聲頭所測量的應(yīng)答器在該聲頭坐標(biāo)系下的三維位置(x、y、z)，構(gòu)建誤差方程v→=b→·y→-f→,]]>并計(jì)算該聲頭的定向誤差；d.輸出步驟，基于所輸入的相關(guān)定義參數(shù)，對所調(diào)用的計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行計(jì)算，以在主處理機(jī)中生成適合校準(zhǔn)的系統(tǒng)性誤差的新計(jì)算機(jī)程序。
所述的存儲的三類測量數(shù)據(jù)，各數(shù)據(jù)的定義如下1)GPS提供的地理位置X→G=NGEGHG:]]>
NG-北方向的坐標(biāo)值，EG-東方向的坐標(biāo)值，HG-高程值；2)IMU的船體姿態(tài)數(shù)據(jù)A-船艏向(Heading)的方位角，κ-縱搖角(Pith)，-橫搖角(Roll)；3)在聲頭坐標(biāo)系下應(yīng)答器的位置X→HR=xyz:]]>x-縱軸向的坐標(biāo)值，y-橫軸向的坐標(biāo)值，z-下垂向的坐標(biāo)值；4)應(yīng)答器的地理位置X→R=NRERHR:]]>NR-北方向的坐標(biāo)值，ER-東方向的坐標(biāo)值，HR-高程值；5)在船心坐標(biāo)系內(nèi)，聲頭相對于GPS天線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)聲頭坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸相對于船心坐標(biāo)系的定向誤差ΔW→=αβγ:]]>α-聲頭坐標(biāo)系縱軸與船艏方向的夾角，β-聲頭坐標(biāo)系橫軸與右舷方向的夾角，γ-聲頭坐標(biāo)系的垂向與船心坐標(biāo)系的垂向之間的夾角；7)尺度比參數(shù)Δu該參數(shù)乘以工作區(qū)域的平均聲速，即為聲速改正值。所述的計(jì)算應(yīng)答器的位置 和該聲頭至GPS天線之間的位置偏差 是將應(yīng)答器在該聲頭坐標(biāo)系中的坐標(biāo)X→HR=xyz]]>轉(zhuǎn)化為該聲頭至應(yīng)答器之間的幾何距離，即S=x2+y2+z2---(1);]]>為確定聲頭的位置偏差 和應(yīng)答器的位置 采用如下步驟1)根據(jù)位置偏差 應(yīng)答器的位置 GPS天線的地理位置 和姿態(tài)數(shù)據(jù)之間的幾何關(guān)系，構(gòu)建聲頭的地理位置X→T=NTETHT]]>的表達(dá)式X→T=X→G+RUT·ΔX→T---(2);]]>其中，RU為地理坐標(biāo)系至船心坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，它是三個(gè)姿態(tài)角的函數(shù)，其具體表達(dá)式為`＝acsin(sin/cosκ)， 2)根據(jù)該聲頭和應(yīng)答器之間測量得到的距離與幾何距離的關(guān)系，建立觀測模型v＝ρ-S·(1+Δu) (4)；其中，S為(1)式計(jì)算的距離，ρ為聲頭至應(yīng)答器的幾何距離，即ρ=|X→R-X→T|=(NR-NT)2+(ER-ET)2+(HR-HT)2---(5);]]>由于存在測量誤差，測量距離S不可能等于幾何距離ρ，這里用v來表示測量誤差；3)確定系數(shù)矩陣并解算法方程將(2)、(3)和(5)代入到(4)后，經(jīng)過線性化，得到誤差方程為v=a→·x→-l---(6);]]>其中， 為未知數(shù)向量(7×1)，包括7個(gè)未知數(shù)，即聲頭的位置偏差(3個(gè)未知數(shù))、應(yīng)答器的位置(3個(gè)未知數(shù))和尺度比參數(shù)(1個(gè)未知數(shù))； 為已知的系數(shù)向量(1×7)，l為常數(shù)項(xiàng)；將N個(gè)誤差方程寫成矩陣-向量的形式，得到V→=A→·x→-L→]]>其中， 為(N×1)階殘差向量， 為(N×7)系數(shù)矩陣， 為(N×1)階常數(shù)項(xiàng)向量；由最小二乘準(zhǔn)則，得到未知數(shù)的解算結(jié)果為x→=(ATPA)-1ATPL]]>Q＝(ATPA)-1(N為觀測值組數(shù))(7)。
σ=VTPV/(N-7)]]>所述的計(jì)算該聲頭的定向誤差，是將所得到的應(yīng)答器的位置 和該聲頭的位置偏差值 作為已知值，計(jì)算該聲頭的定向誤差，采用如下步驟1)在船心坐標(biāo)系下應(yīng)答器的理論位置由于應(yīng)答器的地理位置 和聲頭的地理位置 已知，通過坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)，可以得到在船心坐標(biāo)系下應(yīng)答器的位置 為X→SR=RU(X→R-X→T)=RU(X→R-X→G)-ΔX→T---(8);]]>2)在船心坐標(biāo)系下應(yīng)答器的量測位置由于假如聲頭坐標(biāo)系與船心坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸之間的定向誤差已知，聲頭坐標(biāo)系至船心坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣為RS，在聲頭坐標(biāo)系下應(yīng)答器的觀測站為 于是在船心坐標(biāo)系下，應(yīng)答器的量測值為
Y→SR=RSX→HR---(9);]]>其中，旋轉(zhuǎn)矩陣RS是定向誤差(α β γ)的函數(shù)，其定義如下RS=cosβcosαcosβsinαsinβ-cosγsinα-sinγsinβcosαcosγcosα-sinγsinβsinαsinγcosβsinγsinα-cosγsinβcosα-sinγcosα-cosγsinβsinαcosγcosβ---(10);]]>3)建立觀測模型由于系統(tǒng)自身測量誤差的存在，兩者之間存在細(xì)微差異，由此得到觀測模型為V→=X→SR-(1+Δμ)Y→SR---(11);]]>由于聲頭坐標(biāo)系與船心坐標(biāo)系的定向誤差是未知的，這三個(gè)未知數(shù)包含在旋轉(zhuǎn)矩陣RS中；將(8)、(9)和(10)式代入到(11)式，并經(jīng)線性化后，得到如下誤差方程v→=b→·y→-f→---(12);]]>式中， 為系數(shù)(3×3)系數(shù)矩陣， 為(3×1)常數(shù)項(xiàng)向量， 為(3×1)未知數(shù)向量，即為聲頭的三個(gè)定向誤差(α β γ)， 為(3×1)殘差向量。
設(shè)共有N組觀測量，可以得到N組形如(12)的誤差方程，寫成矩陣-向量形式，得到V→=B→·y→-F→]]>其中， 為(3N×1)階殘差向量， 為(3N×3)系數(shù)矩陣， 為(3N×1)階常數(shù)項(xiàng)向量；由最小二乘準(zhǔn)則，得到未知數(shù)的解算結(jié)果為y→=(BTPB)-1BTPf]]>Q＝(BTPB)-1(N為觀測值組數(shù))(13)。
σ=VTPV/(3N-3)]]>本發(fā)明的技術(shù)效果在于由于在所述的校準(zhǔn)方法的b.輸入計(jì)算步驟，用于輸入上述GPS測量的地理位置數(shù)據(jù)，IMU測量的船體姿態(tài)數(shù)據(jù)和超短基線聲頭至應(yīng)答器的幾何距離，利用這三類參數(shù)和相關(guān)算法，就可以準(zhǔn)確地計(jì)算出超短基線聲頭由于安裝引起的水平和高程方向的位置偏移以及聲頭在船艏向、右舷向和垂向的定向偏差，即應(yīng)答器的位置 該聲頭至GPS天線之間的位置偏差 并能計(jì)算出該區(qū)域平均聲速的修正值，即尺度比參數(shù)Δu。由于在所述的校準(zhǔn)方法的c.調(diào)用計(jì)算步驟，用于基于所輸入的將b.中得到的應(yīng)答器的位置 超短基線聲頭的位置偏差值 作為已知值和利用超短基線聲頭所測量的應(yīng)答器在該聲頭坐標(biāo)系下的三維位置(x、y、z)，構(gòu)建誤差方程v→=b→·y→-f→,]]>并可以精確地計(jì)算出該聲頭的定向誤差。


圖1為超短基線水聲定位系統(tǒng)的設(shè)備流程方框圖。
圖2為超短基線水聲定位系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法主流程方案原理圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的校準(zhǔn)方法，列舉在某海區(qū)試驗(yàn)的具體實(shí)施例如下1)將各項(xiàng)偏差設(shè)置為0，將應(yīng)答器固定在海底，船只圍繞應(yīng)答器航行，采用本發(fā)明的校準(zhǔn)方法所述的a.步驟，采集存儲GPS、IMU、超短基線測量的數(shù)據(jù)共計(jì)326組。
2)數(shù)據(jù)采集完畢，按本校準(zhǔn)方法所述的b.-c.的步驟計(jì)算得到校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。
3)為了證明校準(zhǔn)方法的科學(xué)性，按本校準(zhǔn)方法所述的d.步驟輸出未經(jīng)過校準(zhǔn)計(jì)算得到的應(yīng)答器地理位置數(shù)據(jù)，如表2；按本校準(zhǔn)方法所述的d.步驟輸出經(jīng)過校準(zhǔn)計(jì)算得到的應(yīng)答器位置數(shù)據(jù)，如表3。
4)將表1、表2的數(shù)據(jù)與應(yīng)答器的實(shí)際地理位置數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如表4。
結(jié)論經(jīng)過比較顯然經(jīng)過校準(zhǔn)計(jì)算得到的應(yīng)答器位置更接近應(yīng)答器的實(shí)際位置，而未經(jīng)過校準(zhǔn)計(jì)算得到的應(yīng)答器位置與應(yīng)答器的實(shí)際位置偏差較大，這說明了本校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)得準(zhǔn)確性。
表1
表2 表3
表4 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員都會理解，在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)，對于上述實(shí)施例進(jìn)行修改，添加和替換都是可能的，其都沒有超出本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，所述定位系統(tǒng)包括主處理機(jī)，收發(fā)單元，控制單元，固定安裝在測量船體水面以下的超短基線聲頭，水下目標(biāo)應(yīng)答器，外接安裝在測量船體水面以上的GPS系統(tǒng)和慣性測量IMU裝置，其特征在于所述的校準(zhǔn)方法包括a.存儲步驟，用于在所述收發(fā)單元中存儲觀測到的GPS、IMU和超短基線聲頭三類測量數(shù)據(jù)，用于專用計(jì)算機(jī)程序，其中，每個(gè)計(jì)算機(jī)程序被定義予一與被觀測到的GPS，IMU和超短基線三類測量數(shù)據(jù)對應(yīng)的唯一特定類別參數(shù)；b.輸入計(jì)算步驟，用于輸入上述GPS測量的地理位置數(shù)據(jù)，IMU測量的船體姿態(tài)數(shù)據(jù)和超短基線聲頭至應(yīng)答器的幾何距離，利用這三類參數(shù)計(jì)算出應(yīng)答器的位置 該聲頭至GPS天線之間的位置偏差 和尺度比參數(shù)；c.調(diào)用計(jì)算步驟，用于基于所輸入的將b.中得到的應(yīng)答器的位置 超短基線聲頭的位置偏差值 作為已知值和利用超短基線聲頭所測量的應(yīng)答器在該聲頭坐標(biāo)系下的三維位置(x、y、z)，構(gòu)建誤差方程v→=b·→y→-f→,]]>并計(jì)算該聲頭的定向誤差；d.輸出步驟，基于所輸入的相關(guān)定義參數(shù)，對所調(diào)用的計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行計(jì)算，以在主處理機(jī)中生成適合校準(zhǔn)的系統(tǒng)性誤差的新計(jì)算機(jī)程序。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，其特征在于所述的存儲的三類測量數(shù)據(jù)，各數(shù)據(jù)的定義如下(1)GPS提供的地理位置X→G=NGEGHG:]]>NG-北方向的坐標(biāo)值，EG-東方向的坐標(biāo)值，HG-高程值；(2)IMU的船體姿態(tài)數(shù)據(jù)A-船艏向(Heading)的方位角，κ-縱搖角(Pith)，-橫搖角(Roll)；(3)在聲頭坐標(biāo)系下應(yīng)答器的位置X→HR=xyz:]]>x-縱軸向的坐標(biāo)值，y-橫軸向的坐標(biāo)值，z-下垂向的坐標(biāo)值；(4)應(yīng)答器的地理位置X→R=NRERHR:]]>NR-北方向的坐標(biāo)值，ER-東方向的坐標(biāo)值，HR-高程值；(5)在船心坐標(biāo)系內(nèi)，聲頭相對于GPS天線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)聲頭坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸相對于船心坐標(biāo)系的定向誤差ΔW→=αβγ:]]>α-聲頭坐標(biāo)系縱軸與船艏方向的夾角，β-聲頭坐標(biāo)系橫軸與右舷方向的夾角，γ-聲頭坐標(biāo)系的垂向與船心坐標(biāo)系的垂向之間的夾角；(7)尺度比參數(shù)Δu該參數(shù)乘以工作區(qū)域的平均聲速，即為聲速改正值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，其特征在于所述的計(jì)算應(yīng)答器的位置 和該聲頭至GPS天線之間的位置偏差 是將應(yīng)答器在該聲頭坐標(biāo)系中的坐標(biāo)X→HR=xyz]]>轉(zhuǎn)化為該聲頭至應(yīng)答器之間的幾何距離，即S=x2+y2+z2---(1);]]>為確定聲頭的位置偏差 和應(yīng)答器的位置 采用如下步驟1)根據(jù)位置偏差 應(yīng)答器的位置 GPS天線的地理位置 和姿態(tài)數(shù)據(jù)之間的幾何關(guān)系，構(gòu)建聲頭的地理位置X→T=NTETHT]]>的表達(dá)式X→T=X→G+RUT·ΔX→T---(2);]]>其中，RU為地理坐標(biāo)系至船心坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，它是三個(gè)姿態(tài)角的函數(shù)，其具體表達(dá)式為`＝acsin(sin/cosκ)， 2)根據(jù)該聲頭和應(yīng)答器之間測量得到的距離與幾何距離的關(guān)系，建立觀測模型v＝ρ-S·(1+Δu)(4)；其中，S為(1)式計(jì)算的距離，ρ為聲頭至應(yīng)答器的幾何距離，即ρ=|X→R-X→T|=(NR-NT)2+(ER-ET)2+(HR-HT)2---(5);]]>由于存在測量誤差，測量距離S不可能等于幾何距離ρ，這里用v來表示測量誤差；3)確定系數(shù)矩陣并解算法方程將(2)、(3)和(5)代入到(4)后，經(jīng)過線性化，得到誤差方程為v=a→·x→-l---(6);]]>其中， 為未知數(shù)向量(7×1)，包括7個(gè)未知數(shù)，即聲頭的位置偏差(3個(gè)未知數(shù))、應(yīng)答器的位置(3個(gè)未知數(shù))和尺度比參數(shù)(1個(gè)未知數(shù))； 為已知的系數(shù)向量(1×7)，l為常數(shù)項(xiàng)；將N個(gè)誤差方程寫成矩陣-向量的形式，得到V→=A·→x→-L→]]>其中， 為(N×1)階殘差向量， 為(N×7)系數(shù)矩陣， 為(N×1)階常數(shù)項(xiàng)向量；由最小二乘準(zhǔn)則，得到未知數(shù)的解算結(jié)果為x→=(ATPA)-1ATPL]]>Q＝(ATPA)-1(N為觀測值組數(shù))(7)。σ=VTPV/(N-7)]]>
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，其特征在于所述的計(jì)算該聲頭的定向誤差，是將所得到的應(yīng)答器的位置 和該聲頭的位置偏差值 作為已知值，計(jì)算該聲頭的定向誤差，采用如下步驟1)在船心坐標(biāo)系下應(yīng)答器的理論位置由于應(yīng)答器的地理位置 和聲頭的地理位置 已知，通過坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)，可以得到在船心坐標(biāo)系下應(yīng)答器的位置 為X→SR=RU(X→R-X→T)=RU(X→R-X→G)-ΔX→T---(8);]]>2)在船心坐標(biāo)系下應(yīng)答器的量測位置由于假如聲頭坐標(biāo)系與船心坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸之間的定向誤差已知，聲頭坐標(biāo)系至船心坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣為RS，在聲頭坐標(biāo)系下應(yīng)答器的觀測站為 于是在船心坐標(biāo)系下，應(yīng)答器的量測值為Y→SR=RSX→HR---(9);]]>其中，旋轉(zhuǎn)矩陣RS是定向誤差(αβγ)的函數(shù)，其定義如下RS=cosβcosαcosβsinαsinβ-cosγsinα-sinγsinβcosαcosγcosα-sinγsinβsinαsinγcosβsinγsinα-cosγsinβcosα-sinγcosα-cosγsinβsinαcosγcosβ---(10);]]>3)建立觀測模型由于系統(tǒng)自身測量誤差的存在，兩者之間存在細(xì)微差異，由此得到觀測模型為V→=X→SR-(1+Δμ)Y→SR---(11);]]>由于聲頭坐標(biāo)系與船心坐標(biāo)系的定向誤差是未知的，這三個(gè)未知數(shù)包含在旋轉(zhuǎn)矩陣RS中；將(8)、(9)和(10)式代入到(11)式，并經(jīng)線性化后，得到如下誤差方程v→=b→·y→-f→---(12);]]>式中， 為系數(shù)(3×3)系數(shù)矩陣， 為(3×1)常數(shù)項(xiàng)向量， 為(3×1)未知數(shù)向量，即為聲頭的三個(gè)定向誤差(αβγ)， 為(3×1)殘差向量。設(shè)共有N組觀測量，可以得到N組形如(12)的誤差方程，寫成矩陣-向量形式，得到V→=B→·y→-F→]]>其中， 為(3N×1)階殘差向量， 為(3N×3)系數(shù)矩陣， 為(3N×1)階常數(shù)項(xiàng)向量；由最小二乘準(zhǔn)則，得到未知數(shù)的解算結(jié)果為v→=(BTPB)-1BTPf]]>Q＝(BTPB)-1(N為觀測值組數(shù)) (13)。σ=VTPV/(3N-3)]]>
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法。所述定位系統(tǒng)包括主處理機(jī)，收發(fā)單元，控制單元，固定安裝在測量船體水面以下的超短基線聲頭，水下目標(biāo)應(yīng)答器，外接安裝在測量船體水面以上的GPS系統(tǒng)和慣性測量IMU裝置。所述的校準(zhǔn)方法包括a.存儲步驟，b.輸入計(jì)算步驟，c.調(diào)用計(jì)算步驟，d.輸出步驟；利用GPS數(shù)據(jù)、船體姿態(tài)數(shù)據(jù)和聲頭至應(yīng)答器的幾何距離，計(jì)算應(yīng)答器的位置、聲頭至GPS天線之間的位置偏差；對所調(diào)用的計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行計(jì)算聲頭的定向誤差，以在主處理機(jī)中生成適合校準(zhǔn)的系統(tǒng)性誤差的新計(jì)算機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)了對水下拖曳體目標(biāo)的高精度定位。
文檔編號G01S5/18GK1837848SQ200610043888
公開日2006年9月27日 申請日期2006年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月27日
發(fā)明者吳永亭, 劉焱雄, 周興華, 唐秋華, 丁繼勝, 楊龍 申請人:國家海洋局第一海洋研究所