[发明专利]一种座底式水声被动定位基阵自校准方法

摘要

本发明提供了一种座底式水声被动定位基阵自校准方法，包括水下基阵的阵形校准、位置校准和测向基准校准。应用本发明对座底固定式水下被动定位系统定位基阵进行校准后，系统定位精度指标达到了设计要求，从而说明本发明的方法合理、可行，有效解决了系统坐标基准统一关键技术问题，并通过简化、优化设计提高了系统研制使用中的可靠性和费效比，具有良好的军事、经济价值，从原理上说可推广应用至其他水下固定式被动定位系统。

主权项

1.一种座底式水声被动定位基阵自校准方法，其特征在于，包括水下基阵的阵形校准、位置校准和测向基准校准，具体包括如下步骤：步骤1：测量水下基阵基线长度；采用同步测距的方法，具体为：利用水下测量基阵水声信号收发功能，控制水下基阵分时轮流发射同步水声信号，其他未发射信号的基阵接收同步信号并传输至系统信号处理设备完成同步时延估计，系统数据处理设备利用如式(1)所示的同步测距原理计算得到水下基阵之间的基线长度。L＝ct  (1)式中，L为基线长度，C为声速，t为同步时延；步骤2：水下基阵位置校准：基线长度确定后建立以某一基阵为原点的相对坐标系x’‑y’，并得到各基阵在自身相对坐标系下的位置坐标；所述相对坐标系x’‑y’与系统最终定位解算使用的东‑北地绝对坐标系x‑y存在一定的平移量(Δx，Δy)和旋转量(θ)所述平移量(Δx，Δy)和旋转量(θ)的计算方法为：利用三套水下基阵接收水面目标声源发射的合作定位声信号，系统在基阵相对坐标系下基于球面交汇原理并采用声线修正方法实现对目标声源的相对定位，校准时保证三个以上不同位置的测量点位，相对定位位置为P_i′(x′_i，y′_i)(i＝1，2，3，…)，i表示不同测量位置的序号；系统同时接收与目标声源安装于同一位置作为定位标准的DGPS设备的定位数据，DGPS定位基于东‑北地绝对坐标系，定位位置为P_i(x_i，y_i)(i＝1，2，3，…)；数据处理模块通过遍历尝试法自动在一定范围内带入不同的阵心平移量和旋转量(Δx，Δy，θ)，通过平面坐标转换公式(2)计算P_i′(i＝1，2，3，…)的新位置nP_i(nx_i，ny_i)(i＝1，2，3，…)；遍历中计算修正后的新位置NP_i(nx_i，y_i)(i＝1，2，3，…)与DGPS位置P_i(x_i，y_i)(i＝1，2，3，…)的总均方根误差δ_a，见式(3)；式(3)中，M为测量的点位数，N为每点位测量的样本数，nx_{i_j}和ny_{i_j}为在i测量点位第j组的水声定位样本值，和为DGPS在i点位多次测量的统计均值，也就是位置校准时的基准标称值；假设自动位置校准遍历计算次数为K，则遍历计算完成后可得到一组修正量ΔP_i(Δx_i，Δy_i，θ_i i＝1，2，3，…，K)及对应的一组总均方根误差δ_{a_i}，i＝1，2，3，…，K，总均方根误差中的最小值对应的一组修正量(Δx，Δy，θ)即为位置校准的最佳修正量；步骤3：水下被动基阵高精度测向校准；在基阵位置精确校准的基础上，利用水声被动测向自校准方式，间接测量得到基阵测向修正值即基阵自身0°测向基线与大地坐标0°测向基线的夹角，从而完成水下被动基阵高精度测向校准，具体方法为：水声被动跟踪系统跟踪定位解算建立的坐标系为直角坐标系，其中，x轴为正东方向，y轴为正北方向，并以x轴为系统0°测向基线即大地坐标0°测向基线；A1、A2和A3分别表示系统的三个水下被动测向基阵，在东‑北地绝对坐标系中的位置，分别为A1(x₁，y₁)、A2(x₂，y₂)和A3(x₃，y₃)；通过A2基阵发射被动测向水声信号来模拟噪声，A1阵接收处理该水声模拟噪声信号完成对A2阵的被动测向，测量得到的A2阵相对于A1阵的方位角为α′，在系统东‑北地直角坐标系下，A2对A1的绝对方位角为α，α可根据式(4)计算得到：将相对测向值α′加上修正量Δα，Δα＝α′‑α，使A1阵的相对被动测向值修正统一为以系统坐标系x轴为0°测向基线的绝对测向值即完成A1阵测向校准；同理，分别测量和计算获得A2和A3阵的测向基准修正量，完成水声被动定位基阵自校准。