張建平

(陜西工業(yè)職業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院 信息工程學(xué)院,陜西 咸陽 712000)

水下二次定位系統(tǒng)的定位算法研究

張建平

(陜西工業(yè)職業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院 信息工程學(xué)院,陜西 咸陽 712000)

基于目前思坦水聲定位系統(tǒng)主控軟件系統(tǒng),采用了水聲二次定位系統(tǒng)的水聲傳播原理,結(jié)合水面GPS定位技術(shù),針對水下目標(biāo)的位置坐標(biāo)進(jìn)行精確確定技術(shù)的方法編寫的定位算法,通過思坦水聲定位系統(tǒng)主控軟件測試和大量實(shí)驗(yàn),軟件已經(jīng)大量使用,研究的水下二次定位系統(tǒng)的定位算法可行性。

水聲二次定位；GPS定位；主控軟件；定位算法

水下勘探的相關(guān)技術(shù)越來越受到人們的重視,作為水下探測的一個(gè)重要分支,水聲定位在水下探測領(lǐng)域中的諸多場合發(fā)揮著不可替代的作用,主要在GPS定位和水聲定位相結(jié)合的水下定位系統(tǒng)基礎(chǔ)上,對水下二次定位系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)［1］,主控軟件的核心是數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理以及圖形顯示。主控軟件采用Visual Basic開發(fā),后臺以Access數(shù)據(jù)庫作為支撐,采用ADO方式連接。通過水上GPS定位技術(shù)與水下水聲定位技術(shù)結(jié)合,達(dá)到水下應(yīng)答器最精確的定位。

1 水下定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主控軟件在本系統(tǒng)中主要包含以下部分內(nèi)容:GPS坐標(biāo)接收部分、聲學(xué)測距數(shù)據(jù)接收、串口設(shè)置、定位算法、數(shù)據(jù)界面處理及數(shù)據(jù)保存等,軟控軟件的框架如圖1所示。主控軟件的主要工作流程（如圖2）。

圖2 主控軟件工作流程Fig.2 Master software workflow

1.1 界面處理模塊

本模塊主要處理系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的界面顯示和定位結(jié)果的界面顯示。在本主控軟件中,需要實(shí)時(shí)顯示測量船軌跡圖形［2］和實(shí)時(shí)定位結(jié)果。同時(shí)為了便于觀察圖形,圖形界面上實(shí)現(xiàn)了圖形的左右上下移動(dòng)和放大縮小等功能。同時(shí),為了用戶使用方便,在界面上設(shè)計(jì)了許多快捷方式,以實(shí)現(xiàn)整個(gè)主控軟件系統(tǒng)的其它功能。

1.2 串口設(shè)置及通信模塊

串口設(shè)置及通信模塊主要完成串口的設(shè)置及與外界的通信功能（。串口設(shè)置主要包括2個(gè)串口的設(shè)置:與DAU通信的串口設(shè)置和與GPS通信的串口設(shè)置。與DAU的通信采用固定通信速率:9600波特率,與GPS通信速率則需要與初始化GPS的時(shí)候設(shè)定的通信速率一致。與外界的通信則包括與GPS設(shè)備的通信和DAU通信,與GPS設(shè)備通信完成從GPS設(shè)備接收獲得的經(jīng)緯度、時(shí)間等GPS數(shù)據(jù),不同GPS設(shè)備的數(shù)據(jù)格式不一樣,系統(tǒng)具有一定的辨別能力。與DAU的通信包括采用系統(tǒng)內(nèi)部的通信協(xié)議完成指令發(fā)送和聲學(xué)測距數(shù)據(jù)的接收。

1.3 數(shù)據(jù)保存讀取模塊

本模塊主要實(shí)現(xiàn)將接收到的實(shí)時(shí)GPS數(shù)據(jù)、DAU聲學(xué)測距數(shù)據(jù)［4］等進(jìn)行保存,同時(shí)還需要將一些中間結(jié)果及最終結(jié)果進(jìn)行保存。如果需要,通過主程序可以打開以前的始源數(shù)據(jù)進(jìn)行回放和事后分析。

2 水下定位系統(tǒng)的算法分析

定位算法模塊主要是利用通信模塊過來的GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)和從DAU過來的聲學(xué)測距數(shù)據(jù),采用代數(shù)方程處理方法,精確求解目標(biāo)防偽坐標(biāo)。在求解目標(biāo)方位坐標(biāo)時(shí),充分考慮系統(tǒng)特點(diǎn),采用多種補(bǔ)償方法抵消系統(tǒng)的固定誤差。具體算法敘述如下:

當(dāng)一個(gè)應(yīng)答器有4個(gè)回應(yīng)的時(shí)候,軟件開始計(jì)算應(yīng)答器的位置。假設(shè)4個(gè)點(diǎn)對應(yīng)的直角坐標(biāo)分別是（x1,y1）,（x2,y2）,（x3,y3）,（x4,y4）,它們對應(yīng)的DAU測距分別是d1,d2,d3,d4。設(shè)應(yīng)答器的坐標(biāo)是（x,y）,先利用前兩個(gè)點(diǎn)計(jì)算應(yīng)答器的位置:依據(jù)方程組:

就可以計(jì)算出一個(gè)應(yīng)答器的位置,然后分別利用第1點(diǎn)和第3點(diǎn),第1點(diǎn)和第4點(diǎn),第2點(diǎn)和第3點(diǎn),第2點(diǎn)和第4點(diǎn),第3點(diǎn)和第4點(diǎn)的值計(jì)算出應(yīng)答器的坐標(biāo)位置,這樣就總共有6個(gè)應(yīng)答器的坐標(biāo)位置值,若這6個(gè)值中有沒有解的情況,則去掉該結(jié)果,然后取平均值,就可以得到一個(gè)應(yīng)答器的位置坐標(biāo)。當(dāng)有第5個(gè)點(diǎn)回應(yīng)的時(shí)候,用第2個(gè)點(diǎn),第3個(gè)點(diǎn),第4個(gè)點(diǎn),第5個(gè)點(diǎn)又計(jì)算出應(yīng)答器的位置,依次不斷更新,最后結(jié)束后用聚類算法對解算得到的點(diǎn)進(jìn)行處理,就可以得到計(jì)算的應(yīng)答器的最后位置。

從GPS接收到的是經(jīng)度信息和緯度信息,也就是我們通常所說的空間大地坐標(biāo)系（如圖3所示）,而我們在定位計(jì)算的時(shí)候用到的是直角坐標(biāo),也就是通常所說的站心切平面坐標(biāo),所以要進(jìn)行這兩個(gè)坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換。他們之間轉(zhuǎn)換的時(shí)候要經(jīng)過一個(gè)空間直角坐標(biāo)系（（如圖4所示）。它們的定義如下所示。

圖3 空間大地坐標(biāo)系Fig.3 Space geodetic system

圖4 空間直角坐標(biāo)系Fig.4 Spatial cartesian

GPS坐標(biāo)到站心切平面坐標(biāo)（直角坐標(biāo)）

GPS坐標(biāo)到直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換要先把GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成空間直角坐標(biāo),然后把空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成站心切平面坐標(biāo)（如圖5所示）,（即通常所說的直角坐標(biāo)）。

圖5 站心切平面坐標(biāo)Fig.5 Station eager plane

空間大地坐標(biāo)到空間直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換公式:

式中:B,L,H——橢球面上的大地緯度,大地經(jīng)度和大地高；X,Y,Z——空間直角坐標(biāo)；

空間直角坐標(biāo)到站心切平面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換公式:

式中,（B0,L0）為測站點(diǎn)（也就是通常所說的基準(zhǔn)點(diǎn)）的大地緯度和大地經(jīng)度,（X0,Y0,Z0）為測站點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)。

這樣通過上面兩步的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,就把一點(diǎn)的GPS坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成了站心切平面坐標(biāo)。

站心切平面坐標(biāo)（直角坐標(biāo)）到GPS坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換［6-7］。

直角坐標(biāo)到GPS坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換先要把直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成空間直角坐標(biāo),然后把空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成為GPS坐標(biāo)。

直角坐標(biāo)到空間直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換:

式中,（B0,L0）為測站點(diǎn)（也就是通常所說的基準(zhǔn)點(diǎn)）的大地緯度和大地經(jīng)度,（X0,Y0,Z0）為測站點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)。

空間直角坐標(biāo)到GPS坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換:

式中:B,L,H——橢球面上的大地緯度,大地經(jīng)度和大地高；X,Y,Z——空間直角坐標(biāo)；這樣通過上面兩步的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,就把一點(diǎn)的站心切平面坐標(biāo)（直角坐標(biāo)）轉(zhuǎn)換成了GPS坐標(biāo)。

最后,為了消除一些突發(fā)性錯(cuò)誤而帶來的毛刺影響,采用了聚類方法對定位結(jié)果進(jìn)行了處理,以提高算法精度,最后結(jié)果保存顯示。

3 結(jié) 論

算法的主控軟件采用visualbasic開發(fā),軟件通過采用vb程序編寫,數(shù)據(jù)庫應(yīng)用acess數(shù)據(jù)庫,算法的編寫測試已經(jīng)通過,可以在實(shí)際中廣泛應(yīng)用于思坦水聲定位系統(tǒng),可提供高效及精確的水下定位,可應(yīng)用于地震勘探并修正水下檢波器的位置從而提高地震儀成像精度,因此可應(yīng)用于海底地質(zhì)、石油、天然氣等勘探。

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Underwater research master software and localization algorithm secondary positioning system

ZHANG Jian-ping
（College of Information Engineering,Shaanxi College of Design Industrial Vocational,Xianyang 712000,China）

Based on the current Sitan acoustic positioning system control software system,using underwater acoustic propagation principle secondary acoustic positioning system,GPS technology combined with water,underwater target location coordinates for accurate method to determine the technical preparation of the localization algorithm by Sitan acoustic positioning system control software testing and a lot of experiments,the software has been widely used,location algorithm feasibility study underwater secondary positioning system.

acoustic secondary positioning；GPS positioning；master software；positioning algorithm

TN31

：A

：1674-6236（2015）18-0047-03

2014-12-08稿件編號：201412064

張建平(1978—),男,陜西岐山人,講師。研究方向:計(jì)算機(jī)技術(shù)。