一种水下运动目标高精度定位方法

　　1 前言

　　电磁波在水中衰减严重,广泛用于地面和海面的GPS定位技术不能直接用来对水下运动目标进行定位;单纯采用水声定位技术,则只能测量水下运动目标相对于测量设备的位置,不能获得目标的绝对位置。DGPS和高精度水声定位技术的发展,为水下运动目标精确定位提供了技术支撑,法国于2001年开发出水下全球定位系统,我国目前也正在研究开发,但是都是一些耗资巨大的工程。本文提出采用DGPS和ATSII超短基线定位系统相结合水下定位方法,能够完成水面目标的经纬度数据测量并实时转换得到水下运动目标的经纬度值,实现水下运动目标的精确定位。

　　2 定位系统的构成与工作原理

　　定位系统硬件主要由四个部分组成:DGPS天线与接收机、ATSII超短基线定位系统(以下简称ATSII系统)、水深及姿态方位测定、数据采集与处理。ATSII系统是一套先进的超短基线水声定位系统,由澳大利亚Nautronix公司研制生产,对噪声、反射、混响和多途效应有很强的适应能力,可对声基阵换能器外侧整个半球内的声信标进行精确定位,定位精度优于0.25%,系统在精确跟踪定位船体等方面有着广泛的应用[1]。ATSII系统主要由主控机、声基阵和声信标组成,可外接两套声基阵,每个声基阵可同时跟踪定位4个声信标,整个系统可同时跟踪定位8个声信标[1]。

　　目标在水下运动时通过钢缆与数据电缆拖拽一浮标,目标外部安装有声基阵和测深仪,内部有主控机;浮标上安装DGPS天线与接收机、姿态方位仪和声信标。GPS、姿态方位、深度等数据通过电缆下行到主控机进行采集与处理,目标水下深度由深度传感器确定,浮标和目标之间的相对位置由ATSII系统确定,系统构成及各单元间的逻辑关系如图1所示。

　　3 定位解算的数学模型

　　DGPS天线中心的大地经纬度坐标是系统最主要也是最原始的测量数据,要获得水下运动目标的经纬度值,只要能求出其相对DGPS天线中心的经纬度偏差就可以了。在以DGPS天线中心为原点的北东地站心地平直角坐标系O-XYZ下,这个偏差值恰好可以由水下目标的坐标经适当变换获得。

　　3.1 水下运动目标在北东地站心地平直角坐标系下的坐标求解

　　在北东地站心地平直角坐标系下,目标坐标值的求解过程两次涉及到坐标旋转变换运算,坐标旋转变换可由下式表示[2]:

　　在不同的两个三维直角坐标系O-XYZ和o-xyz中,空间一点P的坐标分别为[X Y Z]和[x yz]。坐标系O-XYZ到o-xyz的旋转变换可经四步操作完成,如图2所示。

　　(1)平移坐标系O-XYZ,使两坐标系的原点重合,平移量为[X0Y0Z0];