[发明专利]一种基于立体六元阵的水下移动平台定位系统及方法

说明书

本发明提供了一种基于立体六元阵的水下移动平台定位系统和方法，该系统包括水面信标、立体六元阵、姿态仪、深度计和测速仪；所述水面信标用于按预先设定的时间间隔发射声学信号；所述立体六元阵安装在水下移动平台上；包括五个接收水听器与一个中心换能器，接收所述水面信标发送的声学信号。所述方法包括：立体六元阵获取相对时间延迟数据，结合水下移动平台的深度数据、姿态数据经过几何解算、坐标转换得到水下移动平台空间位置的第一估计值；然后在以水面信标为原点的测量坐标系下，建立水下移动平台的状态方程，计算得到水下移动平台的空间位置的第二估计值；将第一估计值和第二估计值进行数据融合得到所述水下移动平台空间位置的最终估计值。

技术领域

本发明涉及水声导航定位技术领域，具体涉及一种基于立体六元阵的水下移动平台定位系统及方法。

背景技术

水下移动平台是海洋科学考察、海洋资源勘探、海洋资源开发等工程的必备平台，而水下电磁波信号衰减快，卫星导航系统无法直接应用于水下移动平台定位，所以水声定位技术是目前水下定位系统的主要研究方向。

水声传感器阵列可分为线阵、面阵和立体阵。对于固定式阵列来说，线阵只能对阵列所在直线为界的半个平面进行定向；面阵可以在整个平面对目标进行定向,也可以对阵列所在平面为界的半个空间进行定向；立体阵可以对整个空间定向。

现有的水下声学定位系统主要有长基线定位系统、短基线定位系统、超短基线定位系统三种。长基线和短基线定位系统相对于超短基线定位系统来说，虽然定位精度高，但是布放和校正复杂、耗时多、缺乏灵活性。超短基线定位系统的特点则是安装方便、操作简单、成本低廉，适用于水下移动平台的定位、导航和通信。

传统超短基线一般采用平面四元阵用于水下定位，但由于平面阵本身阵元较少且缺乏垂直方向上的时延信息，因此在大俯仰角时定位性能急剧下降，同时传统超短基线定位方法中其询问应答的工作方式使得位置信息更新率低，并且往返时间的测量也会给定位精度带来一定的误差。整体而言，基于几何关系解算的超短基线平面阵应用于水下移动平台定位的探测范围与探测精度受到很大的限制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提供了一种探测范围大、定位精度高的基于立体六元阵的水下移动平台定位系统及方法。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于立体六元阵的水下移动平台定位系统，该系统包括水面信标、姿态仪、深度计和测速仪；所述系统还包括立体六元阵；

所述水面信标安装在母船船底或者水面浮标底部，用于发送一次声学唤醒信号激活立体六元阵然后按预先设定的时间间隔发射声学信号；

所述立体六元阵安装在水下移动平台的顶部或者前部；包括五个接收水听器与一个收发合置的中心换能器，用于接收所述水面信标发送的声学信号；

所述姿态仪安装在水下移动平台上，用于获取水下移动平台的加速度和姿态数据；

所述深度仪安装在水下移动平台上，用于获取水下移动平台的深度信息；

所述测速仪安装在水下移动平台上，用于获得水下移动平台相对于海底的速度信息。

作为上述系统的一种改进，所述水面信标发送的声学信号包括用于多普勒频偏补偿、时延估计的宽带导频信号和用于与水下移动平台通信的宽带编码信号。

作为上述系统的一种改进，所述中心换能器为中心阵元，以中心阵元为原点建立立体六元阵坐标系：X轴指向水下移动平台艏部，Y轴指向水下移动平台右舷，Z轴正方向指向水下移动平台的垂直上方；在所述立体六元阵坐标系中，以原点为中心在X轴上对称安装两个接收水听器，以原点为中心在Y轴上对称安装两个接收水听器，在Z轴正方向上安装一个接收水听器；所有接收水听器到中心阵元的距离相等。

作为上述系统的一种改进，通过调整所述接收水听器到中心阵元的距离能够实现接收不同频率的信号。