阅读说明：本技术 一种海底应答器定位方法、系统、存储介质及应用 (Submarine transponder positioning method, system, storage medium and application ) 是由 王振杰 赵爽 聂志喜 李伟嘉 于 2020-07-25 设计创作，主要内容包括：本发明属于水下声学定位技术领域,公开了一种海底应答器定位方法、系统、存储介质及应用,精确测量GNSS天线和换能器之间的相对位置,测量船在海面上持续走航,GNSS对各时刻GNSS天线进行定位,利用GNSS天线和换能器之间的相对位置关系计算得到各时刻换能器坐标；根据声速信息和不同历元下声学信号传播时间数据,计算不同历元下换能器和水下应答器之间的斜距；构建联合海面换能器-海底应答器整体平差函数模型,对整体平差函数模型进行等效变换消参解算,基于最小二乘原理确定海底应答器准确位置。本发明结合水下定位实际,构建整体平差函数模型和相应参数估计,提供一种基于GNSS/声学技术的海底应答器高精度定位方法。(The invention belongs to the technical field of underwater acoustic positioning, and discloses a positioning method, a system, a storage medium and application of a submarine transponder, wherein the relative position between a GNSS antenna and a transducer is accurately measured, a measuring ship continuously navigates on the sea surface, the GNSS positions the GNSS antenna at each moment, and the relative position relationship between the GNSS antenna and the transducer is utilized to calculate and obtain the coordinate of the transducer at each moment; calculating the slant distance between the transducer and the underwater transponder under different epochs according to the sound velocity information and the acoustic signal propagation time data under different epochs; and constructing an integral adjustment function model combining the sea surface transducer and the seabed transponder, carrying out equivalent transformation parameter elimination calculation on the integral adjustment function model, and determining the accurate position of the seabed transponder based on the least square principle. The invention provides a high-precision positioning method of a submarine transponder based on a GNSS/acoustic technology, which combines underwater positioning practice to construct an integral adjustment function model and corresponding parameter estimation.)

一种海底应答器定位方法、系统、存储介质及应用

技术领域

本发明属于水下声学定位技术领域，尤其涉及一种海底应答器定位方法、系统、存储介质及应用。

背景技术

水下定位技术在海洋活动中发挥着重要的作用，与陆地上的卫星定位技术不同的是，电磁波无法穿透厚厚的水层，在水中衰减严重。而声波与之相反，它在海水中传播具有良好的特性，这使它作为通信、导航和监测的手段，被广泛地应用于海洋各项活动中。随着卫星通信技术的发展，将卫星定位技术与水下声学定位进行组合定位的方法也成功应用于海洋勘探开发、地质资源调查等海洋活动中。

目前，海底应答器定位主要采用海面测量船圆走航方式，利用GNSS高精度定位技术确定测量船上换能器的坐标，根据声学测距进行交会定位，由此精确确定海底应答器的位置，这种海底应答器定位方法在近些年得到了广泛的应用。但这种传统方法基于模型简化考虑忽略了换能器位置误差，进而会限制应答器定位精度，不能满足高精度水下定位需求。针对传统水声定位方法中存在的问题，为了能更好地利用换能器坐标先验信息，改善现有水下定位方法的不足，有必要研究更符合水下定位实际的平差方法。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统方法忽略了换能器位置误差，降低了应答器定位精度。

解决以上问题及缺陷的难度为：一是如何顾及换能器坐标误差，构建充分考虑换能器先验坐标信息的定位模型；二是将换能器坐标参数化，大量增加了观测方程的未知参数，因而大大增加了平差解算的计算量，如何对方程进行适当变换降低平差计算量。

解决以上问题及缺陷的意义为：可以顾及换能器位置误差，充分利用换能器先验坐标信息，建立与实际情况相符的海面换能器-海底应答器整体平差定位模型，削弱误差影响，提高海底应答器定位的精度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种海底应答器定位方法、系统、存储介质及应用。

本发明是这样实现的，一种海底应答器定位方法，所述海底应答器定位方法包括：

精确测量GNSS天线和换能器之间的相对位置，测量船在海面上持续走航，GNSS对各时刻GNSS天线进行定位，利用GNSS天线和换能器之间的相对位置关系计算得各时刻换能器坐标；

根据声速信息和不同历元下声学信号传播时间数据，计算不同历元下换能器和水下应答器之间的斜距；

构建联合海面换能器-海底应答器整体平差函数模型，对整体平差函数模型进行等效变换消参解算，基于最小二乘原理确定海底应答器准确位置。

进一步，所述精确测量GNSS天线和换能器之间的相对位置，测量船在海面上持续走航，GNSS对各时刻GNSS天线进行定位，利用GNSS天线和换能器之间的相对位置关系计算得各时刻换能器坐标包括：

(1)在测量船走航前，精确测量GNSS天线和船底换能器之间相对位置；

(2)测量船在海面持续走航，各时刻GNSS天线由高精度GNSS定位技术给出坐标，根据GNSS天线和换能器之间相对位置关系和姿态数据计算换能器坐标。

进一步，所述根据声速信息和不同历元下声学信号传播时间数据，计算不同历元下换能器和水下应答器之间的斜距包括：

(1)根据声速剖面数据，计算加权平均声速；

(2)测量船在海面上持续走航过程中，由船台发射机通过安置于船底的换能器向水下应答器发射声脉冲信号，海底应答器接收该信号后即发回一个应答声脉冲信号，得到应答器接收两次信号的时间间隔，根据传播时间和声速信息，计算出换能器与水下应答器之间的距离。

进一步，所述构建联合海面换能器-海底应答器整体平差函数模型，对整体平差函数模型进行等效变换消参解算，基于最小二乘原理确定海底应答器准确位置包括：

(1)将海面换能器-海底应答器坐标设为待求参数，由海面换能器和海底应答器之间的几何距离和测量斜距构建声距观测方程；

(2)将海面换能器的先验坐标视为虚拟观测值，构建虚拟观测方程；

(3)对线性化观测方程进行等效变换，消除海面换能器坐标参数；

(4)基于最小二乘原理，对变换后观测方程进行解算，求得海底应答器坐标。

进一步包括：

(1)海面GNSS技术定位换能器坐标，在测量船走航前，精确测量GNSS天线和换能器之间的相对位置，海面测量船持续走航，GNSS对各时刻GNSS天线进行定位，各时刻GNSS天线由高精度GNSS定位技术给出坐标，根据GNSS天线和换能器之间相对位置关系解算换能器坐标；

(2)声学测距实施；

(3)联合海面换能器-海底应答器整体平差方案。

进一步，所述声学测距实施方案包括：

第一步，根据声速剖面数据，计算加权平均声速；

第二步，由船台发射机通过安置于船底的换能器向水下应答器发射脉冲信号，应答器接收该信号后即发回一个应答声脉冲信号，船台接收机记录发射信号和接收应答信号的时间间隔，通过传播时间和声速信息即可得到船至应答器的距离；

进一步，所述联合海面换能器-海底应答器整体平差方案包括：

第一步，换能器坐标参数的引入导致声学测距方程式发生变化，通过泰勒级数展开法线性化，具体为：

式中，

是高精度GNSS定位技术给出的换能器在第i历元的近似坐标；是海底应答器的近似坐标；是换能器在第i历元的坐标改正数；

是应答器的坐标改正数；a_i,b_i分别对应于应答器坐标和换能器坐标的一阶偏导数；

表示几何距离；δ_ρvi是第i历元与声速相关的系统误差；δ_ρti是第i历元与时间相关的系统误差；ε_i是第i历元随机误差。

如果测量n个历元换能器和应答器之间的距离，则观测方程为：

L₁＝A₁Φ_p+B₁Φ^d+ε_l1

式中，L₁是n维的距离观测向量；A₁，B₁表示n×3和n×3n维的设计矩阵；Φ_p是应答器三维未知坐标；Φ^d是换能器三维坐标，ε_l1是随机误差向量。

第二步，由GNSS高精度定位技术提供的换能器的位置信息被视为虚拟观测，如下所示：

式中，l_i是3维坐标观测向量，E_3×3是3×3的单位矩阵，ε_di是3维的随机误差向量；

n个历元虚拟观测方程为：

L₂＝A₂Φ_p+B₂Φ^d+ε_l2

式中，L₂(l₁l₂…l_n)是3n维向量，A₂是一个3×3的零矩阵，B₂是一个3n×3n的分块对角矩阵，B₂＝blkdiag(E_3×3,E_3×3,…,E_3×3)，ε_l2是3n维的随机误差向量，得到海面-海底联合平差方程系统为：

AΦ_p+BΦ^d+ε_l＝L

式中，A，B是4n×3和4n×3n维的系数矩阵，A＝[A₁ A₂]^T，B＝[B₁ B₂]^T；L是4n维的观测向量L＝[L₁ L₂]^T；ε是4n维的误差向量，ε＝[ε_l1 ε_l2]^T；

第三步，对海面换能器-海底应答器整体平差观测方程进行等效变换，从而消掉海面换能器坐标参数，并基于最小二乘原理进行应答器坐标解算：

线性化观测方程系统重新表示为：

式中，P是观测值权矩阵，是一个4n×4n的分块对角矩阵；

对线性化观测方程进行等效变换，消除海面换能器坐标参数：

L＝D₁Φ_p+U₁

式中

D₁＝(E-J)A

M₂₂＝B^TPB

式中，U₁为4n维的误差向量。

基于最小二乘原理估计水下应答器未知参数：

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储于计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

精确测量GNSS天线和换能器之间的相对位置，测量船在海面上持续走航，GNSS对各时刻GNSS天线进行定位，利用GNSS天线和换能器之间的相对位置关系计算得各时刻换能器坐标；

根据声速信息和不同历元下声学信号传播时间数据，计算不同历元下换能器和水下应答器之间的斜距；

构建联合海面换能器-海底应答器整体平差函数模型，对整体平差函数模型进行等效变换消参解算，基于最小二乘原理确定海底应答器准确位置。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述海底应答器定位方法的海底应答器定位系统，所述海底应答器定位系统包括：

各时刻换能器坐标计算模块，用于精确测量GNSS天线和换能器之间的相对位置，测量船在海面上持续走航，GNSS对各时刻GNSS天线进行定位，利用GNSS天线和换能器之间的相对位置关系计算得各时刻换能器坐标；

斜距计算模块，用于根据声速信息和不同历元下声学信号传播时间数据，计算不同历元下换能器和水下应答器之间的斜距；

海底应答器坐标解算模块，用于构建联合海面换能器-海底应答器整体平差函数模型，对整体平差函数模型进行等效变换消参解算，基于最小二乘原理确定海底应答器准确位置。

本发明的另一目的在于提供一种海洋水下定位系统，所述海洋水下定位系统安装有所述的海底应答器定位系统。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明结合水下定位实际，构建整体平差和参数估计的函数模型，提供一种基于GNSS/声学技术的海底应答器高精度定位方法。本发明结合水下定位实际，通过加权平均声速和不同历元下声学信号传播时间数据，计算不同历元下海面换能器和海底应答器之间的斜距；将海面换能器和海底应答器坐标设为待求参数，由海面换能器和海底应答器之间的几何距离和测量斜距构建联合海面换能器-海底应答器整体平差函数模型，基于最小二乘原理，对整体平差函数模型通过等效变换进行消参处理，消掉换能器坐标参数，基于最小二乘原理，求得海底应答器坐标，比传统的平差函数模型能获得更高的水下定位精度，改善了水下定位结果，在深远海域海底控制点布设、海洋大地基准网构建、海底地壳形变监测等多方面具有一定的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的海底应答器定位方法流程图。

图2是本发明实施例提供的海底应答器定位系统的结构示意图；

图2中：1、各时刻换能器坐标计算模块；2、斜距计算模块；3、海底应答器准确位置确定模块。

图3是本发明实施例提供的海底应答器定位方法的实现流程图。

图4是本发明实施例提供的基于测量船的水声定位示意图。

图5是本发明实施例提供的典型Munk声速剖面示意图。

图6是本发明实施例提供的传统平差方法和新方法定位精度对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种海底应答器定位方法、系统、存储介质及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的海底应答器定位方法包括以下步骤：

S101：精确测量GNSS天线和换能器之间的相对位置，测量船在海面上持续走航，GNSS对各时刻GNSS天线进行定位，利用GNSS天线和换能器之间的相对位置关系计算得各时刻换能器坐标；

S102：根据声速信息和不同历元下声学信号传播时间数据，计算不同历元下换能器和水下应答器之间的斜距；

S103：构建联合海面换能器-海底应答器整体平差函数模型，对整体平差函数模型进行等效变换消参解算，基于最小二乘原理确定海底应答器准确位置。

本发明提供的海底应答器定位方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的海底应答器定位方法仅仅是一个具体实施例而已。

如图2所示，本发明提供的海底应答器定位系统包括：

各时刻换能器坐标计算模块1，用于精确测量GNSS天线和换能器之间的相对位置，测量船在海面上持续走航，GNSS对各时刻GNSS天线进行定位，利用GNSS天线和换能器之间的相对位置关系计算得各时刻换能器坐标；

斜距计算模块2，用于根据声速信息和不同历元下声学信号传播时间数据，计算不同历元下换能器和水下应答器之间的斜距；

海底应答器准确位置确定模块3，用于构建联合海面换能器-海底应答器整体平差函数模型，对整体平差函数模型进行等效变换消参解算，基于最小二乘原理确定海底应答器准确位置。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图3所示，本发明提供的海底应答器定位方法包括以下步骤：

S1、精确测量GNSS天线和换能器之间的相对位置，测量船在海面上持续走航，GNSS对各时刻GNSS天线进行定位，利用GNSS天线和换能器之间的相对位置关系计算得各时刻换能器坐标，具体过程包括以下步骤：

S1.1、在测量船走航前，精确测量GNSS天线和船底换能器之间的相对位置；

S1.2、测量船在海面持续走航，各时刻GNSS天线由高精度GNSS定位技术给出坐标，根据GNSS天线和换能器之间相对位置关系和姿态数据计算换能器坐标。

S2、根据声速信息和不同历元下声学信号传播时间数据，计算不同历元下换能器和水下应答器之间的斜距；具体过程包括以下步骤：

S2.1、根据声速剖面数据，计算加权平均声速；

S2.2、测量船在海面上持续走航过程中，由船台发射机通过安置于船底的换能器向水下应答器发射声脉冲信号，海底应答器接收该信号后即发回一个应答声脉冲信号，得到应答器接收两次信号的时间间隔，根据传播时间和声速信息，计算出换能器与水下应答器之间的距离。

S3、构建联合海面换能器-海底应答器整体平差函数模型，对整体平差函数模型进行等效变换消参解算，基于最小二乘原理确定海底应答器准确位置，具体过程包括以下步骤；

S3.1、将海面换能器-海底应答器坐标设为待求参数，由海面换能器和海底应答器之间的几何距离和测量斜距构建声距观测方程；

S3.2、将海面换能器的先验坐标视为虚拟观测值，构建虚拟观测方程；

S3.3、对线性化观测方程进行等效变换，消除海面换能器坐标参数；

S3.4、基于最小二乘原理，对变换后观测方程进行解算，求得海底应答器坐标。具体实施方案包括：

1、海面GNSS技术定位换能器坐标。在测量船走航前，精确测量GNSS天线和换能器之间的相对位置，海面测量船持续走航，GNSS对各时刻GNSS天线进行定位，各时刻GNSS天线由高精度GNSS定位技术给出坐标，根据GNSS天线和换能器之间相对位置关系解算换能器坐标；

2、声学测距实施方案。

第一步，根据声速剖面数据，计算加权平均声速；

第二步，由船台发射机通过安置于船底的换能器向水下应答器发射脉冲信号，应答器接收该信号后即发回一个应答声脉冲信号，船台接收机记录发射信号和接收应答信号的时间间隔，通过传播时间和声速信息即可得到船至应答器的距离：

3、联合海面换能器-海底应答器整体平差方案。

第一步，换能器坐标参数引起声学测距方程式发生变化，通过泰勒级数展开法线性化，具体为：

式中，是高精度GNSS定位技术给出的换能器在第i历元的近似坐标；是海底应答器的近似坐标；是换能器在第i历元的坐标改正数；

是应答器的坐标改正数；a_i,b_i分别对应于应答器坐标和换能器坐标的一阶偏导数；表示几何距离；δρ_vi是第i历元与声速相关的系统误差；δρ_ti是第i历元与时间相关的系统误差；ε_i是第i历元随机误差。

如果测量n个历元换能器和应答器之间的距离，则矩阵方程构造为：

L₁＝A₁Φ_p+B₁Φ^d+ε_l1

式中，L₁是n维的距离观测向量；A₁，B₁表示n×3和n×3n维的设计矩阵；Φ_p是应答器三维未知坐标；Φ^d是换能器三维坐标，ε_l1是随机误差向量。

第二步，由GNSS高精度定位技术提供的换能器的位置信息被视为虚拟观测，如下所示：

式中，l_i是3维坐标观测向量，E_3×3是3×3的单位矩阵，ε_di是3维的随机误差向量；

n个历元虚拟观测方程的矩阵表达式构造为：

L₂＝A₂Φ_p+B₂Φ^d+ε_l2

式中，L₂(l₁l₂…l_n)是3n维零向量，A₂是一个3×3的零矩阵，B₂是一个3n×3n的分块对角矩阵，B₂＝blkdiag(E_3×3,E_3×3,…,E_3×3)，ε_l2是3n维的随机误差向量，得到海面-海底联合平差方程系统建立为：

AΦ_p+BΦ^d+ε_l＝L

式中，A，B是4n×3和4n×3n维的系数矩阵，A＝[A₁ A₂]^T，B＝[B₁ B₂]^T；L是4n维的观测向量L＝[L₁ L₂]^T；ε是4n维的误差向量，ε_l＝[ε_l1 ε_l2]^T；

第三步，对海面换能器-海底应答器整体平差观测方程进行等效变换，从而消掉海面换能器坐标参数，并基于最小二乘原理进行应答器坐标解算：

线性化观测方程系统重新表示为：

式中，P是观测值权矩阵，是一个4n×4n的分块对角矩阵；

对线性化观测方程进行等效变换，消除海面换能器坐标参数：

L＝D₁Φ_p+U₁

式中

D₁＝(E-J)A

M₂₂＝B^TPB

式中，U₁为4n维的误差向量。

基于最小二乘原理估计水下应答器未知参数：

下面结合测试对本发明的技术效果作详细的描述。

根据设计航线，结合100m、500m、1000m和3000m四种不同水深环境，分别进行仿真实验500次，然后对比了传统方法和本发明的水下定位精度。

如图6所示，测试表明，传统最小二乘平差方法和本发明定位结果有明显差异。传统方法水下定位精度分别为0.088m、0.188m、0.306m和0.676m，本发明水下定位精度分别为0.066m、0.155m、0.248m和0.545m，定位精度分别提高25.0％、17.6％、19.0％和19.4％。

综上所述，本发明结合水下定位实际，通过加权平均声速和不同历元下声学信号传播时间数据，计算不同历元下海面换能器和海底应答器之间的斜距；将海面换能器和海底应答器坐标设为待求参数，由海面换能器和海底应答器之间的几何距离和测量斜距构建联合海面换能器-海底应答器整体平差函数模型，基于最小二乘原理，对整体平差函数模型通过等效变换进行消参处理，消掉换能器坐标参数，基于最小二乘原理，求得海底应答器坐标，比传统的平差函数模型能获得更高的水下定位精度。改善了水下定位结果，具有一定的应用价值。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。