阅读说明：本技术 海底资产位置标定方法及系统 (Submarine asset position calibration method and system ) 是由 商志刚 杨丰茂 安妍妍 付圣峰 张博 楚立鹏 于 2020-04-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种海底资产位置标定方法及系统。海底资产位置标定方法,包括：在水面的N个测试点分别对海底资产进行测量,以获得海底资产的N个相对位置,相对位置包括海底资产相对于测量点的方位及距离；确定N个测量点的大地坐标；基于N个测量点的大地坐标、以及海底资产的N个相对位置,计算海底资产的N个第一大地坐标；基于海底资产的N个相对位置和长基线定位方法,计算海底资产的第二大地坐标；基于第一大地坐标和第二大地坐标,采用权值分配方法,确定海底资产的目标坐标。采用本发明,可以获得更加精确的海底资产大地坐标位置。(The invention discloses a method and a system for calibrating the position of a submarine asset. The method for calibrating the position of the submarine asset comprises the following steps: respectively measuring the submarine assets at the N test points on the water surface to obtain N relative positions of the submarine assets, wherein the relative positions comprise the azimuth and the distance of the submarine assets relative to the test points; determining geodetic coordinates of the N measuring points; calculating N first geodetic coordinates of the submarine asset based on the geodetic coordinates of the N measuring points and the N relative positions of the submarine asset; calculating a second geodetic coordinate of the submarine asset based on the N relative positions of the submarine asset and the long baseline positioning method; and determining the target coordinates of the submarine assets by adopting a weight distribution method based on the first geodetic coordinates and the second geodetic coordinates. By adopting the method and the device, more accurate sea floor asset geodetic coordinate position can be obtained.)

海底资产位置标定方法及系统

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种海底资产位置标定方法及系统。

背景技术

随着人类对海洋开发脚步的加快，人类在海底布设的各类资产也越来越多，如海底通信光缆、海底输电电缆、海底石油管线、海底观测仪器等，很多重要的海底资产需要进行精确定位，以便后续进行查找、检修、回收等作业。陆地上对位置进行标记采用大地坐标系，而常用的大地坐标获取方式如GPS、北斗等手段在水下无法应用。因此需要通过一些中间手段，将大地坐标系转化到水面以下的空间，目前常通过长基线定位系统、短基线定位系统、超短基线定位系统对海底资产进行相对位置测定，再通过已知的参考点大地坐标，计算海底资产的大地坐标位置，但定位精度较低。

发明内容

本发明实施例提供一种海底资产位置标定方法及系统，用以解决现有技术中海底资产位置定位精度低的问题。

一方面，本发明实施例提出一种海底资产位置标定方法，包括：

在水面的N个测试点分别对所述海底资产进行测量，以获得所述海底资产的N个相对位置，所述相对位置包括所述海底资产相对于所述测量点的方位及距离；

确定N个所述测量点的大地坐标；

基于N个所述测量点的大地坐标、以及所述海底资产的N个相对位置，计算所述海底资产的N个第一大地坐标；

基于所述海底资产的N个相对位置和长基线定位方法，计算所述海底资产的第二大地坐标；

基于所述第一大地坐标和所述第二大地坐标，采用权值分配方法，确定所述海底资产的目标坐标。

根据本发明的一些实施例，所述在水面的N个测试点分别对所述海底资产进行测量，以获得所述海底资产的N个相对位置，包括：

在每个所述测试点向所述海底资产发送定位请求信号，并接收所述海底资产发送的定位应答信号；

基于所述定位应答信号，采用侧向算法，计算所述海底资产相对于所述测量点的方位；

基于所述定位应答信号与所述定位请求信号的时延差，计算所述海底资产相对于所述测量点的距离。

在本发明的一些实施例中，所述在每个所述测试点向所述海底资产发送定位请求信号，并接收所述海底资产发送的定位应答信号，包括：

获取每个所述测试点位置的声压信息和振速信息并以模拟信号的形式输出；

将所述模拟信号转化为数字信号，并对所述数字信号进行预处理，以形成所述定位应答信号，所述预处理包括放大和/或滤波。

根据本发明的一些实施例，所述N满足：N≥3。

根据本发明的一些实施例，所述基于所述第一大地坐标和所述第二大地坐标，采用权值分配方法，确定所述海底资产的目标坐标，包括：

根据公式1，计算所述海底资产的目标坐标，

其中，(Lat_R,Lon_R,Dep_R)为所述海底资产的目标坐标，(Lat_L,Lon_L,Dep_L)为所述第二大地坐标，(Lat_i,Lon_i,Dep_i)。

第二方面，本发明实施例提出一种海底资产位置标定系统，包括：

测量模块，用于在水面的N个测试点分别对所述海底资产进行测量，以获得所述海底资产的N个相对位置，所述相对位置包括所述海底资产相对于所述测量点的方位及距离；

定位模块，用于确定N个所述测量点的大地坐标；

计算机，与所述测量模块、以及所述定位模块均通信连接，用于基于N个所述测量点的大地坐标、以及所述海底资产的N个相对位置，计算所述海底资产的N个第一大地坐标；基于所述海底资产的N个相对位置和长基线定位方法，计算所述海底资产的第二大地坐标；基于所述第一大地坐标和所述第二大地坐标，采用权值分配方法，确定所述海底资产的目标坐标。

根据本发明的一些实施例，所述测量模块，包括：

矢量水听器模块，用于在每个所述测试点向所述海底资产发送定位请求信号，并接收所述海底资产发送的定位应答信号；基于所述定位应答信号，采用侧向算法，计算所述海底资产相对于所述测量点的方位；基于所述定位应答信号与所述定位请求信号的时延差，计算所述海底资产相对于所述测量点的距离。

在本发明的一些实施例中，所述矢量水听器模块，包括：

矢量水听器，用于获取每个所述测试点位置的声压信息和振速信息并以模拟信号的形式输出；

预处理模块，与所述矢量水听器通信连接，所述预处理模块用于将所述模拟信号转化为数字信号，并对所述数字信号进行预处理，以形成所述定位应答信号，所述预处理包括放大和/或滤波。

根据本发明的一些实施例，所述N满足：N≥3。

根据本发明的一些实施例，所述计算机，用于：

根据公式1，计算所述海底资产的目标坐标，

其中，(Lat_R,Lon_R,Dep_R)为所述海底资产的目标坐标，(Lat_L,Lon_L,Dep_L)为所述第二大地坐标，(Lat_i,Lon_i,Dep_i)。

采用本发明实施例，取N个测量点，有N+1个定位结果进行融合计算，其中1个定位结果来自长基线定位，另外N个定位结果来自N个测量点的矢量水听器定位结果，通过一定的加权方法可以获得更加精确的海底资产大地坐标位置。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的

具体实施方式

。

附图说明

通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例中海底资产位置标定方法流程图；

图2是本发明实施例中海底资产位置标定系统结构图；

图3是本发明实施例中海底资产位置标定系统应用示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

一方面，如图1所示，本发明实施例提出一种海底资产位置标定方法，包括：

S1，在水面的N个测试点分别对所述海底资产进行测量，以获得所述海底资产的N个相对位置，所述相对位置包括所述海底资产相对于所述测量点的方位及距离；

S2，确定N个所述测量点的大地坐标；

S3，基于N个所述测量点的大地坐标、以及所述海底资产的N个相对位置，计算所述海底资产的N个第一大地坐标；

S4，基于所述海底资产的N个相对位置和长基线定位方法，计算所述海底资产的第二大地坐标；

S5，基于所述第一大地坐标和所述第二大地坐标，采用权值分配方法，确定所述海底资产的目标坐标。

采用本发明实施例，取N个测量点，有N+1个定位结果进行融合计算，其中1个定位结果来自长基线定位，另外N个定位结果来自N个测量点的矢量水听器定位结果，通过一定的加权方法可以获得更加精确的海底资产大地坐标位置。

在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。

根据本发明的一些实施例，所述在水面的N个测试点分别对所述海底资产进行测量，以获得所述海底资产的N个相对位置，包括：

在每个所述测试点向所述海底资产发送定位请求信号，并接收所述海底资产发送的定位应答信号；

基于所述定位应答信号，采用侧向算法，计算所述海底资产相对于所述测量点的方位；

基于所述定位应答信号与所述定位请求信号的时延差，计算所述海底资产相对于所述测量点的距离。

在本发明的一些实施例中，所述在每个所述测试点向所述海底资产发送定位请求信号，并接收所述海底资产发送的定位应答信号，包括：

获取每个所述测试点位置的声压信息和振速信息并以模拟信号的形式输出；

将所述模拟信号转化为数字信号，并对所述数字信号进行预处理，以形成所述定位应答信号，所述预处理包括放大和/或滤波。

根据本发明的一些实施例，所述N满足：N≥3。

根据本发明的一些实施例，所述基于所述第一大地坐标和所述第二大地坐标，采用权值分配方法，确定所述海底资产的目标坐标，包括：

根据公式1，计算所述海底资产的目标坐标，

其中，(Lat_R,Lon_R,Dep_R)为所述海底资产的目标坐标，(Lat_L,Lon_L,Dep_L)为所述第二大地坐标，(Lat_i,Lon_i,Dep_i)。

第二方面，如图2所示，本发明实施例提出一种海底资产位置标定系统1，包括：

测量模块，用于在水面的N个测试点分别对所述海底资产进行测量，以获得所述海底资产的N个相对位置，所述相对位置包括所述海底资产相对于所述测量点的方位及距离；

定位模块10，用于确定N个所述测量点的大地坐标；

计算机20，与所述测量模块、以及所述定位模块10均通信连接，用于基于N个所述测量点的大地坐标、以及所述海底资产的N个相对位置，计算所述海底资产的N个第一大地坐标；基于所述海底资产的N个相对位置和长基线定位方法，计算所述海底资产的第二大地坐标；基于所述第一大地坐标和所述第二大地坐标，采用权值分配方法，确定所述海底资产的目标坐标。

采用本发明实施例，取N个测量点，有N+1个定位结果进行融合计算，其中1个定位结果来自长基线定位，另外N个定位结果来自N个测量点的矢量水听器定位结果，通过一定的加权方法可以获得更加精确的海底资产大地坐标位置。

在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。

根据本发明的一些实施例，所述测量模块，包括：

矢量水听器模块30，用于在每个所述测试点向所述海底资产发送定位请求信号，并接收所述海底资产发送的定位应答信号；基于所述定位应答信号，采用侧向算法，计算所述海底资产相对于所述测量点的方位；基于所述定位应答信号与所述定位请求信号的时延差，计算所述海底资产相对于所述测量点的距离。

如图2所示，在本发明的一些实施例中，所述矢量水听器模块30，包括：

矢量水听器31，用于获取每个所述测试点位置的声压信息和振速信息并以模拟信号的形式输出；

预处理模块32，与所述矢量水听器31通信连接，所述预处理模块32用于将所述模拟信号转化为数字信号，并对所述数字信号进行预处理，以形成所述定位应答信号，所述预处理包括放大和/或滤波。

根据本发明的一些实施例，所述N满足：N≥3。

根据本发明的一些实施例，所述计算机20，用于：

根据公式1，计算所述海底资产的目标坐标，

其中，(Lat_R,Lon_R,Dep_R)为所述海底资产的目标坐标，(Lat_L,Lon_L,Dep_L)为所述第二大地坐标，(Lat_i,Lon_i,Dep_i)。

下面参照图2-图3以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的海底资产位置标定系统1。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本发明的具体限制。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

如图2-图3所示，海底资产位置标定系统1包括水面测量端设备和海底资产端设备。水面测量端设备包括矢量水听器模块30、计算机20、定位模块10(如GPS)、以及姿态传感器模块40。其中，矢量水听器模块30包括矢量水听器31、预处理模块32、声源33、以及发射模块34。

矢量水听器31用于感知布设位置处声压和振速信息，数据输出为模拟信号。预处理模块32用于将矢量水听器31采集的模拟信号转换为数字信号，同时进行滤波、放大等信号预处理操作。计算机20用于对预处理后的数字信号进行分析处理，运行高分辨测向、时延距离计算、坐标转换、长基线定位、数据融合等算法，得到海底资产绝对位置。声源33用于将电信号转化为声信号，通过水下声信道发送出去。发射模块34用于驱动声源发送指定波形的模拟信号。姿态传感器40用于获取水面参考点的姿态信息。定位模块10用于水面参考点的大地坐标。

海底资产端设备包括水声应答器，水声应答器设于海底资产，水声应答器用于接收定位请求信号及回复定位应答信号。海底资产位置的测量等效于水声应答器位置的测量。

在测量过程中，如图3所示，水面参考点(常为测量船)选择N个测量点，逐次对海底资产位置进行测量，测量船首先在水面测点1对海底资产位置进行测量，单测点测量原理为通过矢量水听器测量海底资产方位；通过应答机制测量海底资产距离。即测量船向水下发送定位信号，海底资产收到定位信号后立刻回复应答信号，测量船收到应答信号后，可通过矢量水听器测向算法测算海底资产相对于测量船的方位，再根据发射定位信号和收到应答信号的时延差计算海底资产到测量船的距离；测量船的大地坐标可通过GPS模块获取，进而得到海底资产的大地坐标(Lat₁,Lon₁,Dep₁)。

然后将测量船移动到水面测点2，重复上述测量步骤，得到海底资产的大地坐标(Lat₂,lon₂,Dep₂)；在继续移动测量船到测点3、4、…、N；得到海底资产的大地坐标(Lat₃,Lon₃,Dep₃)、(Lat₄,Lon₄,Dep₄)、…、(Lat_N,Lon_N,Dep_N)。

当全部测点测量完成后，根据各测点测得的距离信息，利用长基线定位原理计算得到海底资产的大地坐标(Lat_L,Lon_L,Dep_L)。

再利用随测点数变化的权值分配方法对长基线定位结果和矢量水听器定位结果进行融合计算。测点越多，矢量水听器测量结果越多，长基线定位测量结果所占的权值越大，设海底资产真实定位结果为(Lat_R,Lon_R,Dep_R)，具体方法如下：

当N＝3时，则长基线定位结果的权重为75％，三个测点矢量水听器定位结果的权重合计为25％，每个矢量水听器定位结果的权重相同，均为约8.3％；当测点越多时，长基线定位结果的权重越高，单次矢量水听器定位结果的权重越低。

例如，采用本发明实施例的海底资产位置标定系统进行海底观测网中的海底接驳盒位置标定。

海底接驳盒是海底观测网中的核心设备，为了方便后续检修、更换及维护，需要准确标定其大地坐标位置具体步骤如下：

将水声应答器安装在海底接驳盒上；

水面测量船将本发明的矢量水听器前端布放下水；

测量船移动到水面测点1；

通过矢量水听器前端中的声源发送定位信号；

水声应答器收到定位信号后回复应答信号；

矢量水听器收到应答信号后，进行测距、测向、坐标转换的算法；

测量船移动到下一个水面测点，直到全部测点测量完毕；

运行长基线定位、数据融合算法，得到海底资产的精确位置。

采用本发明实施例，利用每个测点定位信号的振速信息：传统长基线定位方案中只关注每个测点的声压信号，而本方法中充分利用了每个测点的声压和振速信息，对海底资产的方位进行了估计，使每个测点都能单独给出一个位置估计结果；采用随测点数变化的权值分配方法：单测点矢量水听器的定位结果误差还比较大，而长基线的定位精度随着测点数的增多而不断提高，因此根据测点数的不断变化改变权值分配，能够有效提高精确的测量结果在融合系统中的比重。本发明实施例主要用于对海底资产的大地坐标位置进行标定，是在传统长基线定位方法的基础上进行的改进，相比于传统的长基线定位方法不增加任何步骤，工作流程完全一致，只是在数据采集及信号处理上充分利用了各测点矢量振速信息，可以提高测量精度。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。