专利名称：深海海底应答器绝对位置的精确标校方法
技术领域：
本发明属于水声定位领域，主要涉及海底应答器绝对位置的标校方法。
背景技术：
现有的对海底应答器绝对位置标校方法，主要可以分为两类。一是利用安装在水面船上具有定位能力的基阵直接对海底应答器进行标校。该基阵既可以是超短基线，也可 以是短基线。此类方法的优点是作业效率高，仅通过单次测量就可以得到标校结果。该方 法的不足在于标校的精度相对较差，难以满足应答器位置高精度标校的要求。这是由于基 阵尺寸较小的缘故造成的。另一类是利用水声测距仪在水面多点测量相对距离信息并记录 各点位置信息，构成长基线对海底应答器绝对位置进行标校。该方法的优点是位置标校的 精度高。但是该方法至少需要选择三个测点进行测量，其精度受到测点位置的选取的影响， 并且由于多点测量使得该方法效率较低。申请号为200810209835. 2，名称为“海底应答器绝对位置三测点高精度标校方法” 的专利文件中，主要针对声速均勻分布的浅海海底应答器绝对位置的校准，通过对测点位 置的合理选取，获得一种高精度的标校方法。对深海存在声线弯曲条件下的海底应答器绝 对位置高精度校准问题，给出两种对斜距修正的方法。CNKI中文数据库中公开的博士学位 文兰华林，深海应答器定位导航技术，哈尔滨哈尔滨工程大学博士学位论文，2007给出 了一种基于球面交汇的声线弯曲修正方法。以上方法的不足在于对于当船载换能器不具备 测向能力，测点位置不能保证时，海底应答器绝对位置校准的精度变差。“一种长基线声线弯曲修正方法”，王燕，梁国龙，哈尔滨工程大学学报，2002，提 出了一种基于双曲面交汇法的声线弯曲修正方法，该方法需要精确测量各测点之间的时延 差，实现难度较大。该方法结合双曲面交汇算法对海底应答器绝对位置进行迭代计算，计算 量较大，且对测量点的选择有较高要求。

发明内容
本发明的目的在于提供一种在保证校准精度的同时，能够大大提高作业效率的深 海海底应答器绝对位置的精确标校方法。本发明的目的是这样实现的(1)在多测点利用船载换能器与海底应答器问答，测得声传播时延；(2)利用GPS测得各测点的绝对大地坐标；(3)在海底应答器锚定的海域现场测量声速分布；(4)设定平均声速，根据应答器校准方程求得海底应答器绝对位置的初值；(5)根据海底应答器绝对位置初值、测点绝对大地坐标、声传播时延和声速分布求 得各测点与海底应答器的水平距离；(6)根据各测点位置和由步骤5所得各测点与海底应答器的水平距离求解出海底 应答器的水平坐标；
(7)根据各测点位置、步骤6所得海底应答器水平坐标、声传播时延及声速分布求 得海底应答器的深度坐标。为实现本发明的目的，需要对测定声传播的时延。船载换能器对海底应答器发出 的询问信号既可以是单频信号，也可以是宽带编码信号；海底应答器发出的应答信号既可 以是单频信号，也可以是编码信号，但要求该信号能够表明相应应答器的身份特征。为实现本发明的目的，需要用GPS测定测量点的绝对大地坐标并用声速剖面仪在 应答器锚定海域对声速分布进行现场测量。本发明的特点在于利用水面船的船载换能器对深海海底应答器进行校准时，通过 声线弯曲修正获得高精度的海底应答器绝对位置坐标，在保证校准精度的同时，由于避免 了迭代搜索，能够大大提高作业效率，在大海深的情况下优势更为明显。


图1是海底应答器绝对位置精确校准的几何配置示意图。图2是深海海底应答器绝对位置精确标校的实现流程图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述本发明中，如图1应答器锚3定于海底，位置为Χτ;高精度GPSl安装于舷侧。船 载换能器2在水面多测点与海底应答器3进行N次问答，可以测得声传播时延i = 1，
29 · · · j No假设各测点与应答器之间的距离为则可得应答器位置校准方程I XGi-XT I I =ri(i = 1,2,...,N)(1)式中N表示测量次数。Xei为由GPS2测得的各测点的绝对大地坐标。Xt为待测的 海底应答器绝对大地坐标。若声传播速度恒为c，则有rt =-tt(2)不妨设平均声速，首先根据方程组(1)，求得海底应答器位置初值X/1)。在Χτ(1)、 Xei和声速分布已知的情况下，由Snell定律可以求得特征声线，进而求得各测点与海底应 答器的水平距离初值rai(1)。由于
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对式(3)，N次测量可以构成冗余方程组，求解出海底应答器的水平坐标(；？。, Λ )，再 根据式(3)求解出各测点与海底应答器的水平距离ra，。由于船载换能器的水深已知，根据水平距离、传播时延和声速分布可以求得海底 应答器的深度。有两种实现的方法。第一种方法。每个测点对应一个水平距离rai(2)和传播时延，也就意味着对应一个 海底应答器的深度估计&。然后对 ,求平均得到海底应答器的深度估计f
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该方法由于每个测点都需要进行一次声线跟踪，计算量大，在测点多的情况下尤为明显。第二种方法。对任意一个测点，由第一种方法得到应答器深度初值f(1)。在深度一 定、声速分布一定的条件下，声传播的水平距离与传播时延有固定的函数关系，如下式r = f (t)(5)其中r是斜距，f ( ·)是由海深及相应声速分布确定的函数，可以根据snell定律 通过数值计算进行逼近求解。t是声传播时延。根据各测点的声传播时延可以求得各测点与应答器的水平距离rai 。定义误差 e <formula>formula see original document page 6</formula>改变深度进行搜索，当e足够小时对应的应答器深度即为海底应答器深度估 计。搜索的方法可以是二分法。
权利要求
一种深海海底应答器绝对位置的精确标校方法，其特征是(1)在多测点利用船载换能器与海底应答器问答，测得声传播时延；(2)利用GPS测得各测点的绝对大地坐标；(3)在海底应答器锚定的海域现场测量声速分布；(4)设定平均声速，根据应答器位置校准方程求得海底应答器绝对位置的初值；(5)根据海底应答器绝对位置初值、测点绝对大地坐标、声传播时延和声速分布求得各测点与海底应答器的水平距离；(6)根据各测点位置和由步骤5所得各测点与海底应答器的水平距离求解出海底应答器的水平坐标；(7)根据各测点位置、步骤6所得海底应答器水平坐标、声传播时延及声速分布求得海底应答器的深度坐标。
2.根据权利要求1所述的深海海底应答器绝对位置的精确标校方法，其特征是所述在 多测点利用船载换能器与海底应答器进行N次问答，测得声传播时延、，i = 1,2, . . .，N， 声传播时延的测量方法为船载接收换能器与发射换能器同步，对接收到的应答器应答信 号进行检测，扣除应答器固有的转发时延，得到双程传播时延。
3.根据权利要求2所述的深海海底应答器绝对位置的精确标校方法，其特征是所述的 测量点绝对位置坐标由安装在舷侧的高精度GPS测量得到。
4.根据权利要求3所述的深海海底应答器绝对位置的精确标校方法，其特征是所述在 海底应答器锚定的海域现场测量声速分布，测量设备选择高精度自容式声速剖面仪。
5.根据权利要求4所述的深海海底应答器绝对位置的精确标校方法，其特征是所述求 得各测点与海底应答器的水平距离的方法为各测点与应答器之间的距离为应答器位置校准方程 XGi-XT | = 其中 i = 1,2,... ,N式中N表示测量次数，XGi为由GPS测得的各测点的绝对大地坐标，XT为待测的海底应答器绝对大地坐标；声传播速度恒为c， c<formula>formula see original document page 2</formula>设定平均声速，首先根据方程组I |XM-XT| | 求得海底应答器位置初值X/1)，在 XT(1)、XGi和声速分布已知的情况下，由Snell定律求得特征声线，进而求得各测点与海底应 答器的水平距离初值rai(1)，由于(x,-x0)2+ (兄-yj= (r^ )2 i = 1,2,3,…,N经过N次测量，上式构成冗余方程组，求解出海底应答器的水平坐标(、,丸)，回代入上 式反解出各测点与海底应答器的水平距离rai(2)；由于船载换能器的水深已知，根据水平距离、传播时延和声速分布利用Snell定律求 得海底应答器的深度。
6.根据权利要求5所述的深海海底应答器绝对位置的精确标校方法，其特征是所述求 得海底应答器的深度坐标的方法为每个测点对应一个水平距离rai(2)和传播时延，即对应 一个海底应答器的深度估计& ；然后对毛求平均得到海底应答器的深度估计f <formula>formula see original document page 3</formula>
7.根据权利要求5所述的深海海底应答器绝对位置的精确标校方法，其特征是所述求 得海底应答器的深度坐标的方法为每个测点对应一个水平距离rai(2)和传播时延，得到应 答器深度初值；在深度一定、声速分布一定的条件下，声传播的水平距离与传播时延有固 定的函数关系式为 r = f(t)其中r是斜距，f ( )是由海深及相应声速分布确定的函数、根据snell定律通过数值 计算进行逼近求解，t是声传播时延，根据各测点的声传播时延求得各测点与应答器的水平距离rai(3)，误差e <formula>formula see original document page 3</formula>改变深度进行搜索，当e足够小时对应的应答器深度即为海底应答器深度估计，搜 索的方法是二分法。
全文摘要
本发明提供的是深海海底应答器绝对位置的精确标校方法。1、在多测点利用船载换能器与海底应答器问答，测得声传播时延；2、利用GPS测得各测点的绝对大地坐标；3、在海底应答器锚定的海域现场测量声速分布；4、根据平均声速，根据应答器位置校准方程求得海底应答器绝对位置的初值；5、根据海底应答器绝对位置初值、测点绝对大地坐标、声传播时延和声速分布求得各测点与海底应答器的水平距离；6、根据各测点位置和山步骤5所得各测点与海底应答器的水平距离求解出海底应答器的水平坐标；7、根据各测点位置、步骤6所得海底应答器水平坐标、声传播时延及声速分布求得海底应答器的深度坐标。本发明能够大大提高作业效率，在大海深的情况下优势更明显。
文档编号G01S5/28GK101833081SQ201010153499
公开日2010年9月15日 申请日期2010年4月23日 优先权日2010年4月23日
发明者兰华林, 卢逢春, 孙大军, 张殿伦, 曹忠义, 李想 申请人:哈尔滨工程大学