基于潜浮标一体化平台的多功能长基线导航定位方法及系统与流程

1.本发明属于水声定位技术领域，涉及到一种长基线水声定位方法，特别涉及一种采用潜浮标一体化平台的多功能长基线导航定位方法及系统。


背景技术：

2.水下目标的定位与导航广泛的应用于军、警、民等各个领域，是海洋科考、水下施工、海洋资源开发等活动中不可或缺的技术。
3.目前，水下目标定位的主要手段是依赖于几何原理的水声学定位方法。这类方法依据测量基线的长度，可分为超短基线、短基线和长基线方式，每种方式有各自的优缺点。
4.长基线水声定位系统的基线长度从几百米到几千米不等，以一定的几何形状，在海底布设三个以上的阵元，组成海底定位基阵，被测目标位于基阵的测量范围内，通过测量水下目标声源与各个阵元的时延差换算成距离值并结合阵元本身的位置信息解算目标的坐标。长基线方式较超短基线和短基线方式定位精度高，作用范围大，测量基阵安装校准精度要求相对较低。长基线定位阵元通常基于潜标平台或者浮标平台实现，基于潜标平台的长基线定位系统，阵元位置经过事先标定，位置准确稳定，定位精度高，但设备回收困难，并且由于数据无法实时回收，因此只能应用于水下运动目标的自导航，无法实现岸站对水下目标位置的实时监控。基于浮标平台的长基线定位系统，数据和设备易于回收，可以实现岸站对水下目标位置的实时监控，但由于浮标阵元位置稳定性差，水下运动目标无法实时获取浮标平台的位置信息，因此水下运动目标无法实现精确自导航。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于潜浮标一体化平台的多功能长基线导航定位方法及系统。该方法通过由多个潜浮标一体化平台组成长基线定位基阵来实现，利用该方法能够同时实现水下运动目标的精确自导航和岸站对水下目标位置的实时监控，同时通过一体化的结构设计也便于设备回收。
6.本发明的技术方案是按照事先规划好的定位阵元阵型，通过作业船布放多个潜浮标一体化平台，在水下运动目标上加装水声收发设备，发射水声定位信号，多个潜浮标一体化平台的浮标单元同步接收水声定位信号，并将数据和自身位置信息发送给岸站，岸站实时解算水声收发设备的位置信息实现对水下运动目标位置的实时监控，多个潜浮标一体化平台的潜标单元接收到水声定位信号后发送水声回码信号，水声收发设备接收多路水声回码信号，解算自身位置信息实现水下运动目标自导航。具体步骤如下：
7.(1)制作水声收发设备加装在水下运动目标上，所述水声收发设备内部至少安装水声收发换能器和水下电子舱，所述水下电子舱内置数据处理模块和功率放大模块；
8.(2)制作潜浮标一体化平台，所述潜浮标一体化平台由潜标单元和浮标单元组成，二者通过抗拉绳连接，潜标单元内部至少应安装水声应答信标和重力沉块，所述潜标单元内部所有部件能承受水深压力，浮标单元内部至少应安装水听器、gps模块、无线电发射模
块和浮标电子舱，所述浮标电子舱内置数据接收模块；
9.(3)在岸站上至少配置有无线电接收模块和计算机，所述计算机配置数据分析软件；
10.(4)作业船上至少配置有阵元位置精确标定设备；
11.(5)所述作业船航行至工作海域，按照预设阵型布放多个所述潜浮标一体化平台，通过所述阵元位置精确标定设备实现对所述水声应答信标水下位置的精确标定，并将位置信息装订入所述水声收发设备中的所述数据处理模块；
12.(6)水下运动目标行驶进工作区域内，所述功率放大模块驱动所述水声收发换能器发射水声定位信号，所述浮标单元内部所述数据接收模块通过所述水听器接收水声定位信号，连同所述gps模块获取的自身位置信息通过所述无线电发射模块发送给岸站，所述岸站通过所述无线电接收模块接收信息，通过所述计算机内部配置的所述数据分析软件解算水下运动目标的位置信息实现对水下目标位置的实时监控。
13.(7)所述潜标单元内的所述水声应答信标接收水声定位信号后发射水声回码信号，所述水声收发设备通过所述水声收发换能器接收多路水声回码信号，通过所述数据处理模块解算自身位置信息实现水下运动目标的自导航；
14.(8)一个定位周期完毕后，继续重复步骤(6)和(7)进行下一个定位周期。
15.按照以上的步骤操作，即可同时完成对水下运动目标的自导航和目标位置的实时监控。
16.本发明的效果和益处是利用该方法能够同时实现水下运动目标的精确自导航和岸站对水下运动目标位置的实时监控并兼具潜标平台作为定位阵元定位精度高和浮标平台作为定位阵元数据和设备回收快捷的优点。
附图说明
17.附图1系统组成框图。
18.附图2系统工作场景示意图。
19.附图3岸站监控水下运动目标位置方法原理图。
20.附图4水下运动目标自导航方法原理图。
21.图2中：1浮标单元；2浮标电子舱；3水听器；4gps模块；5无线电发射模块；6抗拉绳；7潜标单元；8水声应答信标；9重力沉块；10水声收发换能器；11水下电子舱；12岸站；13作业船；14阵元位置精确标定设备。
22.图3中：d1以1#浮标单元和2#浮标单元位置点为焦点的双曲线；d2以1#浮标单元和3#浮标单元位置点为焦点的双曲线；d3以2#浮标单元和3#浮标单元位置点为焦点的双曲线。
23.图4中：f11#潜标单元同水下目标距离；f22#潜标单元同水下目标距离；f33#潜标单元同水下目标距离。
具体实施方式
24.以下结合技术方案和附图1、2、3、4详细叙述本发明的具体实施例，具体实施如下：
25.(1)在水下运动目标上加装水声收发设备，所述水声收发设备内部安装水声收发
换能器10和水下电子舱11，所述水下电子舱11内置数据处理模块和功率放大模块；
26.(2)制作潜浮标一体化平台，所述潜浮标一体化平台由潜标单元7和浮标单元1组成，二者通过抗拉绳6连接，所述潜标单元7内部至少应安装水声应答信标8和重力沉块9，所述潜标单元7内部所有部件能承受水深压力，所述浮标单元1内部至少应安装水听器3、gps模块4、无线电发射模块5和浮标电子舱2，所述浮标电子舱2内置数据接收模块，所述浮标电子舱2和所述水听器3、所述gps模块4、所述无线电发射模块5之间通过水密电缆连接；
27.(3)岸站12配置无线电接收模块和计算机，所述计算机配置数据分析软件；
28.(4)作业船13上配置阵元位置精确标定设备14；
29.(5)所述作业船13航行至工作海域，按照预设阵型布放4个所述潜浮标一体化平台入水，所述重力沉块9保持潜标单元7在水中位置稳定，通过所述阵元位置精确标定设备14实现对所述水声应答信标8的水下位置的精确标定，并将位置信息装订入所述水声收发设备中的所述数据处理模块；
30.(6)加装所述水声收发设备的水下运动目标行驶进工作区域内，所述功率放大模块驱动所述水声收发换能器10发射水声定位信号，所述浮标单元1内部所述数据接收模块通过所述水听器3接收水声定位信号，连同所述gps模块4获取的自身位置信息通过所述无线电发射模块5发送给所述岸站12，所述岸站12通过所述无线电接收模块接收信息，通过所述计算机内部配置的所述数据分析软件解算水下运动目标的位置信息实现对水下目标位置的实时监控。具体位置解算原理为“异步双曲线交汇法”，3个所述浮标单元1通过所述gps模块4保持时间上的绝对同步，如图3所示，“异步双曲线交汇法”数学模型。
[0031][0032]
其中：
[0033]
x1、y1、z1：1#所述浮标单元1的位置(视为已知量)；
[0034]
x2、y2、z3：2#所述浮标单元1的位置(视为已知量)；
[0035]
x、y、z：水中运动目标当前位置(三维坐标)；
[0036]
c：水中声速；
[0037]
δt1：1#所述浮标单元1和2#所述浮标单元1接收到的声学定位信号时间差。
[0038]
通过数学模型可知，只要3个δt
i
可列出3个方程，解算出水中运动目标位置，即水中目标位于以3个所述浮标单元1位置点为焦点的双曲线d1、d2和d3的交点上。
[0039]
(7)所述潜标单元7单元内的所述水声应答信标8接收水声定位信号后发射水声回码信号，所述水声收发设备通过所述水声收发换能器10接收多路水声回码信号，通过所述数据处理模块解算自身位置信息实现水下运动目标的自导航。具体位置解算原理为“异步三圆交汇法”，如图4所示，“异步三圆交汇法”数学模型。
[0040][0041]
其中：
[0042]
x
i
、y
i
、z
i
：i#所述潜标单元7的位置(视为已知量)；
[0043]
x、y、z：水中运动目标当前位置(三维坐标)；
[0044]
c：水中声速；
[0045]
δt
i
：所述水声收发设备发射水声定位信号到接收到i#所述潜标单元7发射的水
声回码信号的时间差。
[0046]
通过数学模型可知，只要3个δt
i
可列出3个方程，解算出水中运动目标位置，即水中目标位于以3个所述潜标单元7位置点为圆心，半径分别为f1、f2和f3的圆的交点上。
[0047]
(8)一个定位周期完毕后(定位周期为定位区域直线最远距离的2倍除以水中声速c)，继续重复步骤(6)和(7)进行下一个定位周期。
[0048]
按照以上的步骤操作，即可同时完成本例中对水中运动目标的位置监控和水中运动目标的精确自导航。