一种智能化船载水声定位装置、系统及定位方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种智能化船载水声定位装置、系统及定位方法，其中定位系统包括船载短基阵(1)、信号处理设备(4)、水下信标(3)，船载短基阵(1)与工作母船(2)通过刚性连接杆(3)固定连接，在船载短基阵(1)底部的中心位置和刚性连接杆(3)的入水端分别设有发射换能器(11)和发射换能器(31)，且设有对应的GPS天线(111)和对应的GPS天线(311)；信号处理设备(4)设置于工作母船(2)上的数据处理舱(41)；水下信标(3)设置于水下目标(6)，通过短基阵接受水下信标发射的同步/异步水声脉冲信号，经过信号处理设备解算后，进行定位信息的绘制与显示，连续定位便可实现水下目标的航行轨迹跟踪，本发明专利技术实现了无需人工实施的自动化校准及智能定位跟踪。

An intelligent underwater acoustic positioning device, system and positioning method

【技术实现步骤摘要】
一种智能化船载水声定位装置、系统及定位方法
本专利技术属于水声定位跟踪
，具体涉及一种智能化船载水声定位装置、系统及定位方法，可在系统安装完成后，直接进行水下目标的定位跟踪及导航，无需进行常规的试前人工校准。
技术介绍
当前船载水声定位跟踪系统，多为超短基线和短基线系统。通常利用水声定位原理实时获得水下目标相对于船载基阵的位置信息，再结合船只当前的GPS/北斗定位信息，以及船载基阵的姿态等信息，进行坐标转换获得水下目标的绝对坐标信息；利用水声通信原理实现水下目标的遥测、遥控，以及水下导航等功能。由于水声定位系统均存在坐标系转换问题，例如船载式水声定位系统存在基阵坐标系、船只坐标系、大地坐标系等多个坐标系的转换，其水声定位导航的精度直接与坐标系的转换相关。因此，船载水声定位系统在安装完成后，必须需要进行校准，获得不同坐标系之间的坐标偏移量，经过修正后才能实现水声定位及导航等功能，才能确保其水声定位的精度。通常情况下，船载水声定位跟踪系统在安装完成后，需要采用动态跑船或静态吊放声源的方式进行系统校准，解算不同坐标系之间的旋转参数矩阵。由此可见，常规水声定位系统无论是采用动态还是静态方式，均存在校准工作量较大，经济性差，准备时间过长等不足。虽然国内进行了多种方法的研究和测试，在动态校准的基础上提出了静态校准的实施方法，但均需要人工跑船或静态吊放声源进行比对校准。特别是在需要反复拆装船载基阵的工程应用上，每次船载基阵安装后均需进行适应性校准，试验效率较低，且用户使用成本较高。如能研制一种无需人工校准的智能化船载水声定位系统，将大大提高工作效率。
技术实现思路
为解决上述现有技术存在的问题及不足，本专利技术提供了一种智能化船载水声定位装置、系统及定位方法。具体采用了以下设计结构及设计方案：一种智能化船载水声定位装置，包括船载短基阵(1)、工作母船(2)、信号处理设备(4)、水下信标(5)，船载短基阵(1)与工作母船(2)通过刚性连接杆(3)固定连接，在船载短基阵(1)底部的中心位置和刚性连接杆(3)的入水端分别设有发射换能器(11)和发射换能器(31)，且在发射换能器(11)同一垂直线上方设有对应的GPS天线(111)，发射换能器(31)同一垂直线上方设有对应的GPS天线(311)；信号处理设备(4)设置于工作母船(2)内，水下信标(5)设置于水下目标(6)上。优选的，所述船载短基阵(1)由五元组合换能器构成，且船载短基阵(1)与刚性连接杆(3)采用卡槽防差错结构，使船载短基阵(1)坐标系和工作母船(2)坐标系的夹角小于5°。优选的，所述船载短基阵(1)中心为水密电子舱，高精度姿态传感器及其他电子组件均安装在水密电子舱内。优选的，所述信号处理设备(4)包括模拟信号调理、数字信号处理、数据处理显控、航姿测量以及系统供电；优选的，所述水下信标(3)包括信号源、功率放大器、组合换能器以及内置电源，其中信号源用于产生声信号，经功率放大器放大后通过组合换能器发出，内置电源用于供电。一种智能化船载水声定位系统，包括船载的发射换能器模组、GPS定位模组、信号处理模组，以及水下的水下目标组件，其中：水下目标组件，用于发出水声信号；发射换能器模组，用于接收水下目标组件发出的声信号，并对声信号进行校准并发传输至信号处理模组；GPS定位模组，用于获取发射换能器模组的绝对位置信息，作为水声定位跟踪解算基础数据。并输送至信号处理模组；信号处理模组，用于接收发射换能器模组和GPS定位模组所发出的信号、信息，获得水下目标组件相对于发射换能器模组的位置坐标、绝对位置信息，并进行坐标系统的修正和转换，最终获得水下目标组件的精确定位信息。优选的，所述发射换能器模组还用于获取其自身的姿态信息并发传输至信号处理模组；所述信号处理模组还用于结合所述姿态信息后，通过模拟信号调理对水声信号进行放大、调理之后，进行水声脉冲信号帧行识别以及获得深度调制时延、频率后由数据处理显控设备对脉冲信号进行匹配、分组、定位结算、声线修正；所述发射换能器模组中，通过至少两套换能器来接收水下目标组件发出的声信号，并对声信号依次进行校准并发传输至信号处理模组。一种智能化船载水声定位方法，包括以下步骤，步骤S1：定位系统安装完成后，对船载短基阵(1)进行入水检测，并自动完成基阵孔径测量，作为水声定位跟踪解算基础数据；步骤S2：控制发射换能器(11)和发射换能器(31)依次进行校准声信号发射，获得对应的船载短基阵(1)坐标系下的位置信息，同时由GPS天线(111)和GPS天线(311)获得发射换能器(11)和发射换能器(31)的绝对位置信息；步骤S3：水下目标(6)发出声信号，船载短基阵(1)的阵元接收，传输至信号处理设备(4)进行数据处理，结合步骤S1获得的基阵孔径，获得水下目标(3)相对于船载短基阵(1)位置坐标；步骤S4：最后带入船载短基阵(1)内部的姿态信息，结合步骤S2获得的绝对位置信息，进行坐标系统的修正和转换，最终获得水下目标的精确定位信息。优选的，所述步骤S3中信号处理设备(4)的数据处理包括对声信号放大、调理、获取脉冲延时、对目标深度信息进行频率编码和脉冲间隔解调，以及对脉冲信号进行匹配、分组、定位结算、声线修正。优选的，所述定位结算采用同步式球面交汇定位算法：，(x-xi)2+(y-yi)2+(z-zi)2＝c2·ti2其中i＝1,2,3；(x,y,z)为所求的水下目标位置；(xi，yi，zi)为已知的船载基阵阵元的坐标；c为平均声速；ti为声信号到达各阵元的时间；所述对目标深度信息采用双脉冲深度遥测，利用双脉冲件的时延差为目标深度进行编码，计算式为，其中时延差T的最小值为Tmin,，代表目标最小深度Hmin；时延差最大值为Tmax，代表目标最大深度Hmax。优选的，所述坐标系统的修正和转换公式为，其中Ф、α、β分别为船体姿态的航向角、横滚角、俯仰角，在大地坐标系和系统基阵坐标系中的位置分别为X＝(X,Y,Z)T和x＝(x,y,z)T。本专利技术的工作原理如下：本专利技术中船载短基阵(1)与工作母船(2)通过刚性连接杆(3)固定连接，在船载短基阵(1)底部的中心位置和刚性连接杆(3)的入水端分别设有发射换能器(11)和发射换能器(31)，且在发射换能器(11)同一垂直线上方设有对应的GPS天线(111)，发射换能器(31)同一垂直线上方设有对应的GPS天线(311)，水下目标(6)上的水下信标(5)产生信号源，发射换能器(11)和发射换能器(31)对声信号依次进行校准并发射，由船载短基阵(1)阵元接收并传输至信号处理设备(4)进行处理，同时GPS天线(111)和GPS天线(311)分别获得发射换能器(11)和发射换能器(31)的绝对位置信息；通过工作母船(2)上的信号处理设备(4)进行信号数据处理，模拟信号调理对水声信号进行放大、调理之后传本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种智能化船载水声定位装置，包括船载短基阵(1)、工作母船(2)、信号处理设备(4)、水下信标(5)，其特征在于：船载短基阵(1)与工作母船(2)通过刚性连接杆(3)固定连接，在船载短基阵(1)底部的中心位置和刚性连接杆(3)的入水端分别设有发射换能器(11)和发射换能器(31)，且在发射换能器(11)同一垂直线上方设有对应的GPS天线(111)，发射换能器(31)同一垂直线上方设有对应的GPS天线(311)；信号处理设备(4)设置于工作母船(2)内，水下信标(5)设置于水下目标(6)上。/n

【技术特征摘要】
1.一种智能化船载水声定位装置，包括船载短基阵(1)、工作母船(2)、信号处理设备(4)、水下信标(5)，其特征在于：船载短基阵(1)与工作母船(2)通过刚性连接杆(3)固定连接，在船载短基阵(1)底部的中心位置和刚性连接杆(3)的入水端分别设有发射换能器(11)和发射换能器(31)，且在发射换能器(11)同一垂直线上方设有对应的GPS天线(111)，发射换能器(31)同一垂直线上方设有对应的GPS天线(311)；信号处理设备(4)设置于工作母船(2)内，水下信标(5)设置于水下目标(6)上。


2.根据权利要求1所述的一种智能化船载水声定位装置，其特征在于：所述船载短基阵(1)由五元组合换能器构成，且船载短基阵(1)与刚性连接杆(3)采用卡槽防差错结构，使船载短基阵(1)坐标系和工作母船(2)坐标系的夹角小于5°。


3.根据权利要求1所述的一种智能化船载水声定位装置，其特征在于：所述船载短基阵(1)中心为水密电子舱，高精度姿态传感器及其他电子组件均安装在水密电子舱内。


4.根据权利要求1所述的一种智能化船载水声定位装置，其特征在于：所述信号处理设备(4)包括模拟信号调理、数字信号处理、数据处理显控、航姿测量以及系统供电；
所述水下信标(3)包括信号源、功率放大器、组合换能器以及内置电源，其中信号源用于产生声信号，经功率放大器放大后通过组合换能器发出，内置电源用于供电。


5.一种智能化船载水声定位系统，包括船载的发射换能器模组、GPS定位模组、信号处理模组，以及水下的水下目标组件，其特征在于：
水下目标组件，用于发出水声信号；
发射换能器模组，用于接收水下目标组件发出的声信号，并对声信号进行校准并发传输至信号处理模组；
GPS定位模组，用于获取发射换能器模组的绝对位置信息，作为水声定位跟踪解算基础数据。并输送至信号处理模组；
信号处理模组，用于接收发射换能器模组和GPS定位模组所发出的信号、信息，获得水下目标组件相对于发射换能器模组的位置坐标、绝对位置信息，并进行坐标系统的修正和转换，最终获得水下目标组件的精确定位信息。


6.根据权利要求5所述的一种智能化船载水声定位系统，其特征在于：所述发射换能器模组还用于获取其自身的姿态信息并发传输至信号处理模组；所述信号处理模组还用于结合所述姿态信息后，通过模拟信号调理对水声信号进行放大、调理之后，进...

【专利技术属性】
技术研发人员：张庆国，汤志峰，匡彪，黄其培，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司七五零试验场，
类型：发明
国别省市：云南;53