[發明專利]一種基于二元結構的水下目標定位系統及定位方法

有效

• 申請號: 200810240813.2
• 申請日: 2008-12-23
• 公開（公告）號: CN101644759A
• 公開（公告）日: 2010-02-10
• 發明（設計）人: 田杰;張揚帆;黃海寧
• 申請（專利權）人: 中國科學院聲學研究所
• 主分類號: G01S5/20
• 分類號: G01S5/20
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司
• 代理人: 楊小蓉

1.一種基于二元結構的水下目標定位系統，包括：多個水聲應答器、被定位裝 置，其特征在于，

在所述被定位裝置上安裝一個詢問機以及兩個接收機，該兩個接收機之間進行 剛性連接，使其相對位置保持不變，所述詢問機安裝在兩個接收機連線的1/2處，兩 個接收機之間的間距L滿足L≤0.017R，R為基線的長度，是任意兩個水聲應答器之 間的最遠距離；被定位裝置上同時安裝一個姿態測量機構，連續輸出所述兩個接收 機的俯仰角，

在將被定位裝置放入水中后，啟動所述詢問機，其發出詢問信號，記錄詢問時 刻，并測出各水聲應答器坐標，所述各水聲應答器在收到所述詢問機發出的詢問信 號后發送應答信號，所述各水聲應答器采用不同頻率的應答信號，所述被定位裝置 上的兩個接收機收到應答信號后，記錄接收時刻以及該時刻的俯仰角，然后根據接 收時刻確定兩個接收機與應答器之間的傳播時間，從而解算位置坐標。

2.如權利要求1所述的基于二元結構的水下目標定位系統，其特征在于，所述 水聲應答器固定到水下或者放置在海面浮標上，當放置到海面浮標上時通過浮標上 的GPS確定其位置。

3.如權利要求2所述的基于二元結構的水下目標定位系統，其特征在于，所述 水聲應答器布成任意多邊形陣。

4.一種基于二元結構的水下目標定位方法，包括如下步驟：

1)將水聲應答器布成幾何陣，并進行時統，測出各水聲應答器坐標；

2)將被定位裝置上的兩個接收機剛性連接，保證其相對位置不變，詢問機安裝 在兩個接收機連線的1/2處，兩個接收機之間的間距L滿足L≤0.017R，R為基線的 長度，即任意兩個水聲應答器之間的最遠距離；

3)將被定位裝置放入水中，啟動詢問機，發出詢問信號，并記錄詢問時刻；

4)水聲應答器收到詢問機發出的詢問信號后發送應答信號，各應答器采用不同 頻率的應答信號；

5)被定位裝置上的兩個接收機收到應答信號后，記錄接收時刻，以及該時刻的 俯仰角；

6)根據詢問、接收時刻確定兩個接收機與應答器之間的傳播時間，進行數據處 理解算位置坐標。

5.如權利要求4所述的基于二元結構的水下目標定位方法，其特征在于，所述 水聲應答器布成任意多邊形陣。

6.如權利要求4所述的基于二元結構的水下目標定位方法，其特征在于，設置 有4個所述水聲應答器，若設在k時刻接收機1的坐標為(x_k，y_k，z_k)，接收機2的坐 標為(X_k，Y_k，Z_k)，則

(xk-xi)2+(yk-yi)2+(zk-zi)2=citi/2(Xk-xi)2+(Yk-yi)2+(Zk-zi)2=ciTi/2]]>

其中，t_i為從第i個應答器到接收機1的往返時間，T_i為從第i個應答器到接 收機2的往返時間，c_i為從第i個應答器到接收機之間的聲速，(x_i，y_i，z_i)為第i個 應答器的坐標；

由于接收機1與接收機2的位置接近，則從各應答器到達他們的聲線基本相 同，從而聲速也相同，由此，上式變為：

Ti(xk-xi)2+(yk-yi)2+(zk-zi)2=ti(Xk-xi)2+(Yk-yi)2+(Zk-zi)2]]>

另外，通過姿態測量機構監測兩個接收機的俯仰角，若k時刻俯仰角為θ_k， 通過該俯仰角確定：

Z_k＝z_k+L·cosθ_k????(5)

此外，由于兩個接收機之間為剛性連接，所以有

(Xk-xk)2+(Yk-yk)2+(Zk-zk)2=L]]>

其中，L為兩個接收機之間的間距，

綜合上述各式得出：

T1(xk-x1)2+(yk-y1)2+(zk-z1)2=t1(Xk-x1)2+(Yk-y1)2+(Zk-z1)2T2(xk-x2)2+(yk-y2)2+(zk-z2)2=t2(Xk-x2)2+(Yk-y2)2+(Zk-z2)2T3(xk-x3)2+(yk-y3)2+(zk-z3)2=t3(Xk-x3)2+(Yk-y3)2+(Zk-z3)2T4(xk-x4)2+(yk-y4)2+(zk-z4)2=t4(Xk-x4)2+(Yk-y4)2+(Zk-z4)2Zk=zk+L·cosθk(Xk-xk)2+(Yk-yk)2+(Zk-zk)2=L]]>

由此求出位置坐標，其中，(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)分別 為應答器1、應答器2、應答器3、應答器4的坐標。