[发明专利]一种基于多信标的超短基线标定系统及标定方法

权利要求书

1.一种基于多信标的超短基线标定系统，其特征在于，包括换能器、姿态仪、全站仪、声速计、消声试验水池以及多个信标；所述多个信标布置在所述消声试验水池的池底；所述换能器和所述姿态仪，两者固定连接且两者的艏向相近，两者均浸入所述消声试验水池的水中；所述消声试验水池外设有两个已知坐标的控制点；所述全站仪以所述控制点作为坐标参考点对每个所述信标、所述换能器和所述姿态仪进行三维坐标测量；所述声速计测量水池内的声速剖面，对所述换能器的坐标测量结果进行声线弯曲修正。

2.根据权利要求1所述的基于多信标的超短基线标定系统，其特征在于，所述信标为五个，其中四个所述信标布设在正方形的四个角点，一个所述信标布设在正方形的中心点。

3.根据权利要求2所述的基于多信标的超短基线标定系统，其特征在于，所述消声试验水池的水深≥6m，所述中心点至所述角点距离为3～5m。

4.根据权利要求1所述的基于多信标的超短基线标定系统，其特征在于，还包括一对法兰；所述换能器和所述姿态仪，两者并排接入该对法兰之间，且两者的同侧端面均与该对法兰的其中一个法兰固接。

5.根据权利要求1所述的基于多信标的超短基线标定系统，其特征在于，所述控制点坐标系为CGCS2000坐标系下的空间直角坐标。

6.一种基于多信标的超短基线标定方法，其特征在于，设置消声试验水池，将多个信标布设在池底，将相互固定连接且艏向相近的换能器和姿态仪均浸入消声试验水池的水中，在消声试验水池外设有两个已知坐标的控制点；采用全站仪以控制点作为坐标参考点对每个信标、换能器和姿态仪进行三维坐标测量；采用声速计测量水池内的声速剖面，对换能器的坐标测量结果进行声线弯曲修正；换能器以一定的频率重复测量信标位置并得到多个观测值，根据测量平差原理列出观测值的误差方程式，求解方程得到换能器角度值，将计算得出的换能器角度值与姿态仪实际测量值之间的差值作为标定值。

7.根据权利要求6所述的基于多信标的超短基线标定方法，其特征在于，将姿态仪的数据输入到换能器中，同时按照计算的校准值对其姿态数据进行修正，启动换能器测量信标的位置，将换能器测量值与全站仪的观测值进行比较，以检验标定值的准确性。

8.根据权利要求6所述的基于多信标的超短基线标定方法，其特征在于，采用五个信标，在正方形的四个角点各布设一个信标，作为公共点；在正方形的中心点布设一个信标，作为检查点。

9.根据权利要求6所述的基于多信标的超短基线标定方法，其特征在于，由全站仪测量得到信标、换能器和姿态仪的坐标均为CGCS2000坐标，由换能器测量并经声线弯曲修正得到的信标坐标是以换能器中心点为原点的相对坐标，经过坐标转换后，列出观测值的误差方程式。

10.根据权利要求9所述的基于多信标的超短基线标定方法，其特征在于，设CGCS2000坐标系为O-X_CGCS Y_CGCS Z_CGCS，设以换能器中心点为原点的相对坐标系为O-X_USBLY_USBLZ_USBL，列出观测值的误差方程式的具体步骤为：

步骤一，保持OZ_USBL轴不动，将O-X_USBL轴和O-Y_USBL轴旋转角度H，旋转后的坐标轴设为OX′、OY′、OZ′，则有：

式中：

X′为绕O-X_USBL和O-Y_USBL轴旋转角度H后X坐标；

Y′为绕O-X_USBL和O-Y_USBL轴旋转角度H后Y坐标；

Z′为绕O-X_USBL和O-Y_USBL轴旋转角度H后Z坐标；

X_USBL为换能器坐标系下的X坐标；

Y_USBL为换能器坐标系下的Y坐标；

Z_USBL为换能器坐标系下的Z坐标；

H为Z轴旋转角度；

步骤二，保持OY′轴不动，将OX′轴和OZ′轴旋转角度R，旋转后的坐标轴设为OX″、OY″、OZ″，则有：

式中：

X′为绕O-X_USBL和O-Y_USBL轴旋转角度H后X坐标；

Y′为绕O-X_USBL和O-Y_USBL轴旋转角度H后Y坐标；

Z′为绕O-X_USBL和O-Y_USBL轴旋转角度H后Z坐标；

X″为绕OX′和OZ′轴旋转角度R后的X坐标；

Y″为绕OX′和OZ′轴旋转角度R后的Y坐标；

Z″为绕OX′和OZ′轴旋转角度R后的Z坐标；

R为Y轴旋转角度；

步骤三，保持OX″轴不动，将OY″轴和OZ″轴旋转角度P，旋转后的坐标轴设为OX_CGCS、OY_CGCS、OZ_CGCS，则有：

式中：

X_CGCS为信标的CGCS2000坐标系下的X坐标；

Y_CGCS为信标的CGCS2000坐标系下的Y坐标；

Z_CGCS为信标的CGCS2000坐标系下的Z坐标；

X″为绕OX′和OZ′轴旋转角度R后的X坐标；

Y″为绕OX′和OZ′轴旋转角度R后的Y坐标；

Z″为绕OX′和OZ′轴旋转角度R后的Z坐标；

P为X轴旋转角度；

步骤四，将式1-1代入式1-2，再代入式1-3，换能器中心点在CGCS2000坐标系及以换能器中心点为原点的相对坐标系中的坐标差值即为全站仪测量得到的换能器中心点的CGCS2000坐标，设其为(X_T，Y_T，Z_T)，则有：

其中：

r_1,1＝cosHcosR；

r_1,2＝cosHsinRsinP+sinHcosP；

r_1,3＝sinHsinP-cosHsinRcosP；

r_2,1＝-sinHcosR；

r_2,2＝cosHcosP-sinHsinRsinP；

r_2,3＝sinHsinRcosP+cosHsinP；

r_3,1＝sinR；

r_3,2＝-cosRsinP；

r_3,3＝cosRcosP；

式中：

X_CGCS为信标的CGCS2000坐标系下的X坐标；

Y_CGCS为信标的CGCS2000坐标系下的Y坐标；

Z_CGCS为信标的CGCS2000坐标系下的Z坐标；

X_USBL为换能器坐标系下的X坐标；

Y_USBL为换能器坐标系下的Y坐标；

Z_USBL为换能器坐标系下的Z坐标；

r_1,1为矩阵第1行第1列的数值；

r_1,2为矩阵第1行第2列的数值；

r_1,3为矩阵第1行第3列的数值；

r_2,1为矩阵第2行第1列的数值；

r_2,2为矩阵第2行第2列的数值；

r_2,3为矩阵第2行第3列的数值；

r_3,1为矩阵第3行第1列的数值；

r_3,2为矩阵第3行第2列的数值；

r_3,3为矩阵第3行第3列的数值；

H为Z轴旋转角度；

P为X轴旋转角度；

R为Y轴旋转角度；

X_T为换能器中心点的CGCS2000坐标系下的X坐标；

Y_T为换能器中心点的CGCS2000坐标系下的Y坐标；

Z_T为换能器中心点的CGCS2000坐标系下的Z坐标；

步骤五，设旋转矩阵对式1-4进行泰勒级数展开，忽略二次项及其以上项，可得：

其中

其中：

T₁₁＝-sinRcosPdR-cosRsinHdH；

T₁₂＝(-sinPsinH+cosPsinRcosH)dP+(cosPcosH-sinPsinRsinH)dH+sinPcosRcosHdR；

T₁₃＝(cosPsinH+sinPsinRcosH)dP+(sinPcosH+cosPsinRsinH)dH+cosPcosRcosHdR；

T₂₁＝sinRsinHdR-cosRcosHdH；

T₂₂＝(-sinPcosH+cosPsinRsinH)dP-(cosPsinH-cosPsinRcosH)dH+sinPcosRsinHdR；

T₂₃＝(cosPcosH+sinPsinRsinH)dP-(sinPsinH+cosPsinRcosH)dH-cosPcosRsinHdR；

T₃₁＝cosRdR；

T₃₂＝-cosPcosRdP+sinPsinRdR；

T₃₃＝-sinPcosRdP-cosPsinRdR；

式中：

X_CGCS为信标的CGCS2000坐标系下的X坐标；

Y_CGCS为信标的CGCS2000坐标系下的Y坐标；

Z_CGCS为信标的CGCS2000坐标系下的Z坐标；

X_USBL为换能器坐标系下的X坐标；

Y_USBL为换能器坐标系下的Y坐标；

Z_USBL为换能器坐标系下的Z坐标；

H为Z轴旋转角度；

P为X轴旋转角度；

R为Y轴旋转角度；

r_1,1为矩阵第1行第1列的数值；

r_1,2为矩阵第1行第2列的数值；

r_1,3为矩阵第1行第3列的数值；

r_2,1为矩阵第2行第1列的数值；

r_2,2为矩阵第2行第2列的数值；

r_2,3为矩阵第2行第3列的数值；

r_3,1为矩阵第3行第1列的数值；

r_3,2为矩阵第3行第2列的数值；

r_3,3为矩阵第3行第3列的数值；

X_T为换能器中心点的CGCS2000坐标系下的X坐标；

Y_T为换能器中心点的CGCS2000坐标系下的Y坐标；

Z_T为换能器中心点的CGCS2000坐标系下的Z坐标；

T为旋转矩阵；

T⁰为旋转矩阵初值；

dT为旋转矩阵的导数；

T₁₁为旋转矩阵第1行第1列的数值；

T₁₂为旋转矩阵第1行第2列的数值；

T₁₃为旋转矩阵第1行第3列的数值；

T₂₁为旋转矩阵第2行第1列的数值；

T₂₂为旋转矩阵第2行第2列的数值；

T₂₃为旋转矩阵第2行第3列的数值；

T₃₁为旋转矩阵第3行第1列的数值；

T₃₂为旋转矩阵第3行第2列的数值；

T₃₃为旋转矩阵第3行第3列的数值；

步骤六，将式1-5进行变换，则有：

其中：

其中：

B₁₁＝sinRcosH(Y_USBLcosP+Z_USBLsinP)+sinH(Z_USBLcosP-Y_USBLsinP)；

B₁₂＝cosRcosH(Y_USBLsinP+Z_USBLcosP)-X_USBLsinRcosP；

B₁₃＝X_USBLcosRsinH+sinRsinH(Z_USBLcosP-Y_USBLsinP)+cosH(Y_USBLcosP+Z_USBLsinP)；

B₂₁＝cosH(Z_USBLcosP-Y_USBLsinP)+sinRsinH(Y_USBLcosP+Z_USBLsinP)；

B₂₂＝X_USBLsinRsinH+cosRsinH(Y_USBLsinP-Z_USBLcosP)；

B₂₃＝-X_USBLcosRcosH-sinH(Y_USBLcosP+Z_USBLsinP)+cosPsinRcosH(Y_USBL-Z_USBL)；

B₃₁＝-cosR(Y_USBLcosP+Z_USBLsinP)；

B₃₂＝X_USBLcosR+sinR(Y_USBLsinP-Z_USBLcosP)；

B₃₃＝0；

式中：

X_CGCS为信标的CGCS2000坐标系下的X坐标；

Y_CGCS为信标的CGCS2000坐标系下的Y坐标；

Z_CGCS为信标的CGCS2000坐标系下的Z坐标；

X_USBL为换能器坐标系下的X坐标；

Y_USBL为换能器坐标系下的Y坐标；

Z_USBL为换能器坐标系下的Z坐标；

X_T为换能器中心点的CGCS2000坐标系下的X坐标；

Y_T为换能器中心点的CGCS2000坐标系下的Y坐标；

Z_T为换能器中心点的CGCS2000坐标系下的Z坐标；

H为Z轴旋转角度；

P为X轴旋转角度；

R为Y轴旋转角度；

T⁰为旋转矩阵初值；

dT为旋转矩阵的导数；

为待求的未知数；

dP为X轴旋转角度的导数；

dR为Y轴旋转角度的导数；

dH为Z轴旋转角度的导数；

B为误差方程系数矩阵；

B₁₁为系数矩阵第1行第1列的数值；

B₁₂为系数矩阵第1行第2列的数值；

B₁₃为系数矩阵第1行第3列的数值；

B₂₁为系数矩阵第2行第1列的数值；

B₂₂为系数矩阵第2行第2列的数值；

B₂₃为系数矩阵第2行第3列的数值；

B₃₁为系数矩阵第3行第1列的数值；

B₃₂为系数矩阵第3行第2列的数值；

B₃₃为系数矩阵第3行第3列的数值；

步骤七，按照最小二乘原理，将式1-6化为误差方程：

式中，

其中：

X_CGCS为信标的CGCS2000坐标系下的X坐标；

Y_CGCS为信标的CGCS2000坐标系下的Y坐标；

Z_CGCS为信标的CGCS2000坐标系下的Z坐标；

X_USBL为换能器坐标系下的X坐标；

Y_USBL为换能器坐标系下的Y坐标；

Z_USBL为换能器坐标系下的Z坐标；

X_T为换能器中心点的CGCS2000坐标系下的X坐标；

Y_T为换能器中心点的CGCS2000坐标系下的Y坐标；

Z_T为换能器中心点的CGCS2000坐标系下的Z坐标；

T⁰为旋转矩阵初值；

V为测量误差值；

为待求的未知数；

B为误差方程系数矩阵；

l为在CGCS2000坐标系及以换能器中心点为原点的相对坐标系中的坐标差值。