[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

技術領域

本發明涉及水聲工程領域，特別涉及一種用于水聲導航和水聲定位系統的基于 二元結構的水下目標定位系統及定位方法。

背景技術

圖1是現有的長基線定位系統的工作示意圖。它利用應答器陣來確定被定位載 體的位置。工作前，通常由水面的母船布放海底應答器陣，并對海底應答器陣進行 位置校準。實施定位時，被定位裝置進入水下，被定位裝置上裝有詢問機，用于發 射詢問聲波，當各個海底應答器收到詢問聲波后，將返回一個應答聲波。各個海底 應答器的應答聲波頻率通常是不同的，被定位裝置上的一個接收機接收不同頻率的 應答聲波就可以區分不同的應答器，被定位裝置記錄詢問時刻以及各應答信號到達 時刻，利用聲波到各應答器的往返時間確定各應答器與被定位裝置的距離，根據這 些距離，通過定位方程便可以解算出需要的位置坐標。但是，定位方程中，距離的 計算是水中聲速與往返時間的乘積，傳統長基線系統定位方法中認為聲音沿直線傳 播，聲速是常數，而實際上嚴格來講，水中聲速并不是常數，聲音在水下傳播路徑 是彎曲的。這就造成水中聲速是一個隨空間變化的量，受到水下環境，如噪聲、折 射、溫度、鹽度等因素的影響，傳統的水聲定位系統主要缺陷在于忽略了這些影響， 導致定位精度不高。

對此許多人提出了解決方法，主要的思路是對聲速進行修正，如聲線修正法、 平均聲速法、多項式近似法等等。這些方法有一定的效果，但由于海底環境異常復 雜，在實際運用中存在不易收斂或精度受到限制等問題。近些年也有人提出通過多 重迭代對聲速進行實時修正，使通過計算獲得的測量位置逐步接近其真實位置，但 是這種方法需要經過多次迭代才能逐漸逼近真實值，實時性較差。

發明內容

為了解決水聲長基線定位系統中聲速修正問題，本發明的目的是提供一種基于 二元結構的水下目標定位系統及定位方法，該系統基于水聲信號進行，通過測量兩 個接收機與應答器之間的聲信號傳播時間來實時確定接收機的位置，不需要對聲速 進行修正或迭代，實時性較好。

為了實現上述目的，本發明的基于二元結構的水下目標定位系統，包括：水聲 應答器、被定位裝置(通常是需要進行水下定位的裝置，如各種潛器)，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，兩個接收機之間剛性連接， 保證其相對位置不變，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，即兩個應答器之間的最遠距離；被定位 裝置上同時應安裝一個姿態測量機構，能夠連續輸出兩個接收機的俯仰角，在將被 定位裝置放入水中時，啟動詢問機，發出詢問信號，所述水聲應答器收到詢問機發 出的詢問信號后發送應答信號，各所述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；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。

其中，所述水聲應答器布成任意多邊形陣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。

另外，本發明的基于二元結構的水下目標定位方法，包括如下步驟：

1)將水聲應答器布成任意多邊形陣(通常布成正多邊形陣)，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，即兩個應答器之間的最遠距離。其間距使得從發射器到兩個接收機的聲線接 近，其聲速變化基本相同，從而可以抵消。

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。

本發明的基于二元結構的水下目標定位系統的有益效果在于：通過剛性連接的 兩個接收機抵消了彎曲聲線對定位系統的影響，并且無需對聲速進行實時修正；通 過姿態測量機構監測接收機的姿態可以減少需要的水聲應答器數，并且定位迅速， 無需迭代。

附圖說明

圖1為現有的長基線定位系統的工作過程示意圖；