一種基于等效聲速梯度的長基線水聲定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水聲定位導(dǎo)航領(lǐng)域，具體涉及一種基于等效聲速梯度的長基線水聲定 位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 長基線水聲定位系統(tǒng)跟蹤范圍大，定位精度高，已經(jīng)在海洋資源開發(fā)、海洋工程建 設(shè)、水下考古、海洋國防建設(shè)等多方面得到了廣泛應(yīng)用。目前已研發(fā)的長基線水聲定位系統(tǒng) 多采用距離交會的定位方法，距離測量的精度直接影響到長基線系統(tǒng)的定位精度，因此根 據(jù)實測聲速剖面進行聲線改正非常重要，但聲速剖面難以實時獲取，聲速剖面代表性誤差 難以避免，因此有必要研究一種能夠有效消除聲速剖面代表性誤差影響的長基線水聲定位 系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種基于等效聲速梯度的長 基線水聲定位方法，設(shè)計合理，克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，消除了聲速剖面的誤差影響，提高 了精度。
[0004] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0005] -種基于等效聲速梯度的長基線水聲定位方法，采用長基線水聲定位系統(tǒng)，其包 括安裝在水面船只的處理及控制單元、安裝在水面船只或水下機器人上的收發(fā)換能器以及 布設(shè)在海底的由多個應(yīng)答器組成的應(yīng)答器基陣，所述收發(fā)換能器和應(yīng)答器基陣上都安裝有 微型聲速儀；
[0006] 所述的基于等效聲速梯度的長基線水聲定位方法按照如下步驟進行：
[0007] 步驟1 :對布設(shè)在海底的應(yīng)答器基陣進行絕對位置校準(zhǔn)；
[0008] 步驟2 :通過處理及控制單元控制收發(fā)換能器和應(yīng)答器基陣測量聲波傳播的往返 時間t，通過處理及控制單元控制微型聲速儀測量收發(fā)換能器的聲速C。和應(yīng)答器的聲速 C，〇1;
[0009] 步驟3 :計算收發(fā)換能器到各個應(yīng)答器的近似距離和目標(biāo)近似坐標(biāo)以及各個應(yīng)答 器到收發(fā)換能器的近似距離和目標(biāo)近似坐標(biāo)；
[0010] 步驟4 :計算出準(zhǔn)確的目標(biāo)位置。
[0011] 優(yōu)選地，在步驟3中，具體包括：
[0012] 步驟3. 1 :利用歷史聲速剖面計算近似等效聲速梯度g。，設(shè)置搜索步長Ag，搜索 等效聲速梯度gy
[0013] gij=g〇+j*Δg(9)
[0014] 式中，i為聲線序號，j為搜索次數(shù)。
[0015] 步驟3. 2 :利用gl]以及測量得到的收發(fā)換能器的聲速C。、聲波往返時間h，計算收 發(fā)換能器到各個應(yīng)答器的近似距離k,及目標(biāo)近似坐標(biāo)P, (X,，Y,，Z,);
[0016] 步驟3. 3 :根據(jù)聲速剖面積分面積相等原則，通過公式（10)計算應(yīng)答器到收發(fā)換 能器的等效聲速梯度g' 1]:
[0017] grij=gi-2(C,o-^/CZ-Zj) (10)
[0018] 其中，C。、。Μ分別為通過微型聲速儀測量得到的收發(fā)換能器和應(yīng)答器的聲速值， Zi為應(yīng)答器的深度值，Ζ,為步驟3. 2計算得到的目標(biāo)近似坐標(biāo)Ρ, (X,，Υ,，Ζ,)的深度值；
[0019] 步驟3. 4:利用計算得到的g'、，以及測量得到的應(yīng)答器的聲速C' Μ、聲 波往返時間h，計算各個應(yīng)答器到收發(fā)換能器的近似距離L'、，及目標(biāo)近似坐標(biāo) PrJ(X,J.Y,J.z, .,) 〇
[0020] 優(yōu)選地，在步驟4中，具體包括：
[0021] 步驟4. 1 :根據(jù)計算出的收發(fā)換能器到各個應(yīng)答器的距離以及各個應(yīng)答器到收 發(fā)換能器的距離L' ^，令A(yù)L1]=IL^-L'U;
[0022] 步驟4.2 :根據(jù)往返距離相等的原則，當(dāng)Δh取最小值時的gl]值即為實際等效聲 速梯度gi值，即gi=gu，采用最小二乘法計算出準(zhǔn)確的目標(biāo)位置P(X，Y，Z)。
[0023] 本發(fā)明所帶來的有益技術(shù)效果：
[0024] 本發(fā)明提出一種基于等效聲速梯度的長基線水聲定位方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，可 以不需要準(zhǔn)確的聲速剖面，甚至不需要聲速剖面，消除了聲速剖面代表性誤差對定位計算 精度的影響，提高了長基線水聲定位系統(tǒng)的定位精度。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明基于等效聲速梯度的長基線水聲定位方法中長基線水聲定位系統(tǒng) 的原理圖。
[0026] 圖2為本發(fā)明基于等效聲速梯度的長基線水聲定位方法的流程框圖。
[0027]圖3為本發(fā)明中等效聲速梯度的計算示意圖。
[0028] 圖4為本發(fā)明中等效聲速梯度與距離較差關(guān)系圖。
[0029] 圖5為本發(fā)明中海底應(yīng)答器基陣及目標(biāo)位置示意圖。
[0030] 圖6為本發(fā)明中搜索聲速梯度變化與距離較差關(guān)系圖。
[0031] 圖7為本發(fā)明方法與其他方法定位誤差比較圖。
[0032] 其中，1-處理及控制單元；2-收發(fā)換能器；3-應(yīng)答器；4-微型聲速儀。
【具體實施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖以及【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明：
[0034] 如圖1所示，長基線水聲定位系統(tǒng)包括安裝在水面船只的處理及控制單元1、安裝 在船只或水下機器人上的收發(fā)換能器2、布放在海底的由多個應(yīng)答器3組成的應(yīng)答器基陣， 所述收發(fā)換能器2和應(yīng)答器3上都安裝有微型聲速儀4。
[0035] 處理及控制單元1負責(zé)測量數(shù)據(jù)的存儲和計算，并控制整個系統(tǒng)的運行。
[0036] 處理及控制單元1控制收發(fā)換能器和應(yīng)答器基陣測量聲波傳播的往返時間h，并 控制微型聲速儀測量收發(fā)換能器的聲速C。和應(yīng)答器的聲速Cw，之后將測量的數(shù)據(jù)tpC。 以及C' ?^存儲到處理及控制單元1中。
[0037] 由于海水為非均勻介質(zhì)體，海水中的聲速隨著溫度、鹽度和壓力的變化而變化，聲 波在海水中的傳播路徑是一條連續(xù)的曲線，按照等效聲速剖面法原理，可將實際聲速剖面 用一個常梯度等效聲速剖面來代替。根據(jù)射線聲學(xué)的理論，聲線在常梯度層中的軌跡為圓 弧，圓弧半徑為：
[0038] R= 1/|pg (1)
[0039] 式中，g為常梯度層中的聲速梯度值，p為snell常數(shù)。
[0040] g= (Cr-C〇)/(Zr-Z〇) ⑵
[0041 ] p=sinΘ〇/C〇=sinΘr/Cr (3)
[0042] 式中，C。為初始聲速值，可以通過安裝在換能器上的微型聲速儀測量得到；為終 止聲速值，在聲速梯度g已知的情況下由公式（2)計算得到；Z。為換能器入水深度，Z1^為應(yīng) 答器處水深；Θ。、Θ^分別為聲波的初始入射角和終止入射角，Θ?？捎晒剑?)通過牛頓迭 代公式計算得到，θι^可由公式（5)計算得到：
[0043] tan[arcsin(CrsinΘ0/C0)/2]-etg/2tan(θ0/2) =0 (4)
[0044] Θr= 2arctan(etg/2tan(Θ。/2)) (5)
[0045] 式中，t為測量得到的聲波往返時間，g為等效聲速梯度值。
[0046] 聲波傳播的垂向距Δz、側(cè)向距ΔX計算公式如下：
[0047]
[0048] 公式（6)即為聲線折射改正公式，經(jīng)過改正后的距離可表示為：
[0049] =Δζ2 +Δχ2 (7)
[0050] 假設(shè)存在4個海底應(yīng)答器，則可利用Q采用最小二乘方法進行定位解算：
[0051]
[0052] 式中，？(乂，￥，2)為收發(fā)換能器的坐標(biāo)沖1(乂 1，￥1，21)，（丨=1，2,3,4)為海底聲基陣 中已校準(zhǔn)的應(yīng)答器的坐標(biāo)。
[0053] 在實際等效聲速梯度gl，（i= 1，2, 3, 4)已知的情況下，利用公式（1)~（8)通過 迭代計算即可得到目標(biāo)換能器坐標(biāo)。但由于實時聲速剖面難以獲得，通常只能利用歷史聲 速剖面計算出由換能器到應(yīng)答器的近似等效聲速梯度g。，若直接用g。進行計算，必然引入 聲速剖面代表性誤差。
[0054] 本發(fā)明利用近似等效聲速梯度g。，設(shè)置搜索步長Δg，搜索等效聲速梯度gi]:
[0055] g；j=g〇+j*Δg(9)
[0056] 式中，i為聲線序號，j為搜索次數(shù)。
[0057] 利用gl]以及測量得到的收發(fā)換能器的聲速C。、聲波往返時間h，可迭代計算出收 發(fā)換能器到各個應(yīng)答器的近似距離k,及目標(biāo)近似坐標(biāo)P, (X,，Y,，Z,);
[0058] 結(jié)合圖3所示，根據(jù)聲速剖面積分面積相等的原則，由換能器到應(yīng)