本發(fā)明屬于水下定位技術(shù)領(lǐng)域，涉及水下定位系統(tǒng)標(biāo)校技術(shù)，具體地指基于多正交信號的水下區(qū)域?qū)Ш綐?biāo)校方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著海洋開發(fā)和海洋科考的不斷深入，在各種場合都需要給各式各樣的水下航行體或人員提供其自身的導(dǎo)航信息，這對水下導(dǎo)航系統(tǒng)提出了越來越多的要求：低成本、使用和布放方便、任意數(shù)目用戶接入導(dǎo)航等。目前主要是通過多基線進(jìn)行水下導(dǎo)航，但多基線需要布放至少三個信標(biāo)，成本高、回收布放復(fù)雜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述背景技術(shù)存在的不足，提出一種基于多正交信號的水下區(qū)域?qū)Ш綐?biāo)校方法，可在無法獲得海底信標(biāo)姿態(tài)先驗知識的前提下，通過一個信標(biāo)實現(xiàn)為任意多個目標(biāo)提供導(dǎo)航信息。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計的基于多正交信號的水下區(qū)域?qū)Ш綐?biāo)校方法，其特殊之處在于，包括如下步驟：

1)建立基于多正交信號的水下區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)模型：

其中，xr為接收端在大地坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)；xb為發(fā)射信標(biāo)在大地坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)；為發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；xj為接收端在發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)；所述接收端包括標(biāo)校接收端和被定位接收端；

2)標(biāo)校接收端接收發(fā)射信標(biāo)發(fā)出的若干個正交信號，解算出標(biāo)校接收端在發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)xj(n)，其中n表示測量的次數(shù)，n＝1,2,…,n，n為大于3的自然數(shù)；

3)標(biāo)校接收端在接收發(fā)射信標(biāo)發(fā)出的若干個正交信號的同時，記錄接收時刻的標(biāo)校接收端在大地坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)xr(n)，該坐標(biāo)通過gps接收器測量獲得；

4)利用所述發(fā)射信標(biāo)在大地坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)xb，利用最小二乘準(zhǔn)則通過所述基于多正交信號的水下區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)模型計算發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣

5)被定位接收端根據(jù)所述發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣發(fā)射信標(biāo)在大地坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)xb以及解算得出的被定位接收端在發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)xj，再通過水下區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)模型計算自身在大地坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)xr。

優(yōu)選地，所述步驟4)的具體步驟包括：

41)構(gòu)造一個反對稱矩陣s，

使得a、b、c分別為第一、第二、第三矩陣中間變量，i為單位矩陣；

42)利用反對稱矩陣的性質(zhì)將代入所述基于多正交信號的水下區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)模型，得到

進(jìn)一步化簡，得到

s[xr-xb+xj]＝xr-xb-xj；

43)令p1,p2,p3,q1,q2,q3分別為第一、第二、第三、第四、第五、第六化簡過程中間變量；

此時，化簡為

令

q＝[q1,q2,q3]^t

a＝[a,b,c]^t

其中，p,q,a分別為第一、第二、第三化簡過程矢量中間變量；

44)設(shè)單次測量的誤差矢量為e，此時誤差方程為：

e＝p×a-q

建立n個誤差方程en＝pn×a-qnn＝1,2,…,n，下標(biāo)表示測量的序號，即pn,qn分別為第n次測量的第一、第二化簡過程矢量中間變量，en為第n次的誤差矢量。將n個誤差方程采用矩陣形式表示如下：

e＝p×a-q

其中

p,q分別為第一、第二化簡過程矩陣中間變量，e為誤差矩陣；

45)采用最小二乘法求解，得到a＝(p^tp)^-1p^tq，求得第一、第二、第三矩陣中間變量a、b、c，進(jìn)而求得反對稱矩陣s；

46)將求得的反對稱矩陣s代入即求得發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣

一種用于上述基于多正交信號的水下區(qū)域?qū)Ш綐?biāo)校方法的系統(tǒng)，其特殊之處在于，包括布放于海底的發(fā)射信標(biāo)、安裝在水面運(yùn)動載體上的標(biāo)校接收端和安裝于被定位載體上的被定位接收端；

所述發(fā)射信標(biāo)用于同時發(fā)射若干個相互正交的聲源信號；

所述標(biāo)校接收端用于接收若干個聲源信號，解算得到標(biāo)校接收端在發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)xj(n)，同時記錄標(biāo)校接收端在大地坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)xr(n)，并求解發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣所述gps接收器用于gps定位；

所述被定位接收端用于根據(jù)發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣發(fā)射信標(biāo)在大地坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)xb以及通過接收若干個聲源信號，解算得到被定位接收端在發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)xj，再通過基于多正交信號的水下區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)模型計算自身在大地坐標(biāo)下的位置信息。

進(jìn)一步地，所述發(fā)射信標(biāo)由至少三個發(fā)射聲源通過剛性連接組成。

更進(jìn)一步地，所述相互正交的聲源信號為若干個信號的互相關(guān)為0或互相關(guān)遠(yuǎn)低于各信號自相關(guān)峰值的若干個信號集合。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明建立了基于多正交信號的水下區(qū)域?qū)Ш綐?biāo)校方法，只需在海底布放一個信標(biāo)，即可實現(xiàn)為任意多個目標(biāo)提供導(dǎo)航信息。本發(fā)明可在無法獲得海底信標(biāo)姿態(tài)先驗知識的前提下，進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)校，精確估計信標(biāo)的姿態(tài)信息，從而實現(xiàn)精確導(dǎo)航。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于多正交信號的水下區(qū)域?qū)Ш綐?biāo)校方法的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施時水面運(yùn)動載體的航行軌跡。

圖3為本發(fā)明實施時定位結(jié)果示意圖。

圖4為本發(fā)明實施時標(biāo)校結(jié)果與gps定位結(jié)果比較圖。

圖5為本發(fā)明實施時標(biāo)校結(jié)果與gps定位誤差比較圖

圖中：海底1，發(fā)射信標(biāo)101，水面運(yùn)動載體2，標(biāo)校接收端201，gps接收器202，被定位載體3，被定位接收端301，水面4。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

如圖1所示，本發(fā)明提出的一種基于多正交信號的水下區(qū)域?qū)Ш綐?biāo)校系統(tǒng)，包括發(fā)射信標(biāo)101、標(biāo)校接收端201和被定位接收端301。

發(fā)射信標(biāo)101用于同時發(fā)射若干個相互正交的聲源信號。相互正交的聲源信號為若干個信號的互相關(guān)為0或互相關(guān)遠(yuǎn)低于各信號自相關(guān)峰值的若干個信號集合。發(fā)射信標(biāo)101布放于海底1，由至少三個發(fā)射聲源通過剛性連接組成。

標(biāo)校接收端201和用于gps定位的gps接收器202安裝在水面運(yùn)動載體2上，水面運(yùn)動載體2按照預(yù)定的軌跡航行，如圖2所示，水面運(yùn)動載體2可采用路線一中環(huán)繞發(fā)射信標(biāo)101航行的方式，也可采用路線二中航行軌跡的“8”字形相交于發(fā)射信標(biāo)101的方式，也可采用其他軌跡航行，但航行路線不能偏離發(fā)射信標(biāo)101。標(biāo)校接收端201用于接收若干個聲源信號，解算得到標(biāo)校接收端201在發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)xj(n)，同時記錄標(biāo)校接收端201在大地坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)xr(n)，并求解發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣

被定位接收端301安裝于被定位載體3上的，用于根據(jù)發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣發(fā)射信標(biāo)在大地坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)xb，以及通過接收若干個聲源信號，解算得到被定位接收端在發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)xj，再通過基于多正交信號的水下區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)模型計算自身在大地坐標(biāo)下的位置信息。

本發(fā)明提出一種用于上述基于多正交信號的水下區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)的標(biāo)校方法，包括如下步驟：

1)建立基于多正交信號的水下區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)模型：

其中，xr為接收端(標(biāo)校接收端201和被定位接收端301)在大地坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)；xb為發(fā)射信標(biāo)101在大地坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，通過預(yù)先估計或者其他方法獲得；為發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，為兩個坐標(biāo)系之間的三維夾角；xj為接收端(標(biāo)校接收端201和被定位接收端301)在發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。

2)標(biāo)校接收端201接收發(fā)射信標(biāo)101發(fā)出的若干個正交信號，解算出標(biāo)校接收端在發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)xj(n)，其中n表示測量的次數(shù)，n＝1,2,…,n，n為大于3的自然數(shù)。

3)標(biāo)校接收端201在接收發(fā)射信標(biāo)101發(fā)出的若干個正交信號的同時，記錄接收時刻的標(biāo)校接收端在大地坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)xr(n)，該坐標(biāo)通過gps接收器202測量獲得。

4)利用發(fā)射信標(biāo)101在大地坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)xb，利用最小二乘準(zhǔn)則通過基于多正交信號的水下區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)模型計算發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣

具體步驟包括：

41)構(gòu)造一個反對稱矩陣s，

使得a、b、c分別為第一、第二、第三矩陣中間變量，i為單位矩陣。

42)利用反對稱矩陣的性質(zhì)將代入基于多正交信號的水下區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)模型，可得

進(jìn)一步化簡，得到

s[xr-xb+xj]＝xr-xb-xj。

43)令p1,p2,p3,q1,q2,q3分別為第一、第二、第三、第四、第五、第六化簡過程中間變量；

此時，可化簡

令

q＝[q1,q2,q3]^t

a＝[a,b,c]^t

其中，p,q,a分別為第一、第二、第三化簡過程矢量中間變量。

44)由于測量過程中，不可避免存在測量誤差。設(shè)單次測量的誤差矢量為e，此時可列誤差方程為：

e＝p×a-q

建立n個誤差方程en＝pn×a-qnn＝1,2,…,n。下標(biāo)表示測量的序號，即pn,qn分別為第n次測量的第一、第二化簡過程矢量中間變量，en為第n次的誤差矢量。將n個誤差方程采用矩陣形式表示如下：

e＝p×a-q

其中

p,q分別為第一、第二化簡過程矩陣中間變量，e為誤差矩陣。

45)采用最小二乘法求解，得到a＝(p^tp)^-1p^tq，從而可求得第一、第二、第三矩陣中間變量a、b、c，進(jìn)而求得反對稱矩陣s。

46)將求得的反對稱矩陣s代入即可求得發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣

5)被定位接收端301根據(jù)發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣發(fā)射信標(biāo)101在大地坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)xb以及解算得出的被定位接收端301在發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)xj，再通過水下區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)模型計算自身在大地坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)xr。

本發(fā)明實施時，標(biāo)校接收端201將信息發(fā)送至發(fā)射信標(biāo)101，由發(fā)射信標(biāo)101將自身的三維位置信息xb和旋轉(zhuǎn)矩陣(或三維夾角)向被定位接收端301廣播?；蛘邩?biāo)校接收端201將發(fā)射信標(biāo)101的三維位置信息xb和旋轉(zhuǎn)矩陣(或三維夾角)發(fā)送至被定位接收端301。被定位接收端301在進(jìn)行位置解算時利用水下區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)模型綜合三維位置信息xb和旋轉(zhuǎn)矩陣(或三維夾角)即可獲得其自身在大地坐標(biāo)系下的位置信息。

標(biāo)校接收端201的定位結(jié)果如圖3所示，圖中的gps曲線為gps接收器202測量的標(biāo)校接收端201在大地坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)xr減去發(fā)射信標(biāo)101在大地坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)xb，圖中的信標(biāo)曲線為標(biāo)校接收端201在發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)xj。圖中是平面顯示。

經(jīng)過計算得出旋轉(zhuǎn)矩陣為：

將旋轉(zhuǎn)矩陣代入水下區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)模型中，經(jīng)過計算校準(zhǔn)后gps接收器202測量的標(biāo)校接收端201在大地坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)xr減去發(fā)射信標(biāo)101在大地坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)xb和標(biāo)校接收端201在發(fā)射信標(biāo)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)xj減去信標(biāo)位置后的坐標(biāo)值之間的誤差，兩者定位結(jié)果如圖4所示，誤差情況如圖5所示。

除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式。凡任何背離本專利的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。