[發明專利]一種平均聲速水下聲吶定位方法

有效

• 申請號: 202110503040.8
• 申請日: 2021-05-10
• 公開（公告）號: CN113406645B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 劉以旭;王勝利;劉毅;胡亮亮;齊珂;鄭夢柳
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G01S15/42
• 分類號: G01S15/42;G01H5/00
• 代理公司: 青島智地領創專利代理有限公司 37252
• 代理人: 陳海濱

1.一種平均聲速水下聲吶定位方法，其特征在于，包括：

S1.獲取海面測船的三維空間位置和水下未知目標應答器的概略坐標；

通過所述概略坐標反算聲線入射角；

S2.通過聲速剖面儀測得水下未知點所在海域的聲速剖面；

使用聲線跟蹤定位算法計算所述聲線入射角下的水下未知點的精確坐標；

S3.采用平均聲速最小二乘定位算法進行定位，尋找最佳平均聲速；

所述最佳平均聲速，滿足平均聲速最小二乘定位結果與聲線跟蹤定位結果的誤差要求；

S4.變化所述聲線入射角，重復步驟S1至S3，得到聲線入射角與平均聲速之間的函數關系，建立基于聲線入射角的平均聲速定位模型；

S4.1.通過S1、S2和S3步驟得到在聲線入射角θ_i下的最佳平均聲速獲得該聲速下水下目標未知點的精確位置；

S4.2.通過改變海面測船的位置，改變聲線入射角θ_i；

S4.3.重復S1、S2和S3步驟，建立聲線入射角與平均聲速之間的函數關系，公式如下：

其中，a、b、c表示待定參數；

S4.4.根據平均聲速定位原理，在聲線入射角與平均聲速之間的函數關系基礎上，建立平均聲速定位模型，公式如下：

其中，表示距離觀測值，表示建立的聲速函數，t_i表示聲信號傳播時間，ε_L表示測距誤差；

S5.在平均聲速定位模型下進行定位，得到水下未知點的精確位置，完成對水下目標的快速精確定位。

2.根據權利要求1所述的一種平均聲速水下聲吶定位方法，其特征在于，所述步驟S1包括如下子步驟：

S1.1.通過POS定位定向系統獲取海面測船的精確三維位置信息(X_b,Y_b,Z_b)；

S1.2.通過坐標轉換，獲得測船底部換能器的三維位置(X_i,Y_i,Z_i)；

S1.3.在已知水下未知目標應答器概略坐標(X₀,Y₀,Z₀)的基礎上，通過坐標反算獲得此刻的聲線入射角θ_i，公式如下：

3.根據權利要求1所述的一種平均聲速水下聲吶定位方法，其特征在于，所述步驟S2包括如下子步驟：

S2.1.通過聲速剖面儀獲取水下未知點的水域溫度、鹽度、壓力水文數據，反演水下未知點所在海域的聲速剖面，所述聲速剖面指聲速關于水深的關系；

S2.2.在獲得聲速剖面的基礎上，將該海域分為N層，采用等梯度聲線跟蹤算法計算第i層的聲信號傳播的時間t_i，公式如下：

其中，表示聲速梯度，α表示聲線掠射角，v表示聲速，z表示水深；

S2.3.通過累加傳播的時間t_i，得到聲線總的傳播時間

S2.4.獲取已知實際測量聲信號傳播時間T，通過最小二乘法得到坐標改正值dx，公式如下：

dx＝(A^TPA)^-1A^TPb，

其中，A表示雅可比矩陣，P表示觀測權陣，b表示測距殘差；

S2.5.迭代步驟S2.4，通過dx坐標改正，得到聲線入射角θ_i下，水下目標未知點的精確位置(X,Y,Z)。

4.根據權利要求1所述的一種平均聲速水下聲吶定位方法，其特征在于，所述步驟S3包括如下子步驟：

S3.1.測得聲速剖面后，計算平均聲速公式如下：

其中，表示平均聲速，N表示聲速剖面分層數，v_i表示第i層聲速值；

S3.2.當聲速為平均聲速時，采用平均聲速最小二乘定位算法進行定位，得到聲線入射角θ_i下的水下未知點的粗略坐標(X′,Y′,Z′)；

S3.3.變化平均聲速尋找最佳平均聲速使得平均聲速最小二乘定位結果(X′,Y′,Z′)與聲線跟蹤定位結果(X,Y,Z)滿足限差要求。

5.根據權利要求1所述的一種平均聲速水下聲吶定位方法，其特征在于，步驟S5包括如下子步驟：

S5.1.根據S4提出的平均聲速定位模型，進行線性化，公式如下：

其中，e_i表示方向余弦，r_i表示線性化殘余項，ε表示其它誤差，e_i＝(x₀-x_i)/d_i(x₀)；

S5.2.進行最小二乘定位解算，公式如下：

dx＝(A^TPA)^-1A^TPb；

S5.3.得到水下未知點的精確位置(X,Y,Z)″，公式如下：

(X,Y,Z)″＝(X₀,Y₀,Z₀)+dx；

由以上步驟可完成對水下目標的快速精確定位。