CN107462891B - 一种三点式深海潜标定位方法 - Google Patents
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Abstract
一种三点式深海潜标定位方法，涉及深海潜标定位。获取3个释放器响应距离内不同位置的经纬度和相应的测距值；把数据代入设计的几何模型中；通过计算程序进行计算处理，得到重块经纬度和深度的计算值和示意图。为深海潜标回收工作中的定位工作提供了一种实施简便、科学有效的方法，仅需通过“三点定位”，即可得到的潜标在水中的实际位置再进行回收，能很大程度节约回收需要的时间，有效降低了潜标丢失的风险。
Description
技术领域
本发明涉及深海潜标定位，尤其是涉及可应用于深海潜标系统的定位、回收和检测的一种三点式深海潜标定位方法。
背景技术
潜标是获取海洋环境噪声信息的重要技术装备。潜标装置能携带多种测量和探测仪器,在恶劣海况条件下相对隐蔽地进行长期、定点、连续、多层面同步测量,所以潜标装置在海洋科学调查研究、海洋军事侦察等方面得到了广泛的应用。
深海潜标定位：潜标入水后，重块在海流的影响下会发生漂移，在深海海域漂移的距离随着海深增大，导致潜标在海中的实际位置与入水经纬度存在数百米的误差。对于深海海域，与浅海海域相比，潜标整体长度在1000～6000m之间，在海流的影响下，潜标姿态往往有一定的倾斜，主浮体和重块的水平距离可以达到几百米到近千米。为了得到潜标在水中的实际位置以便后续回收，有必要进行重新定位以降低回收风险。特别在潜标回收时，如果遇到潜标无法回收的情况，卫通设备无法工作，必须先进行定位，得到潜标的实际位置才可开展打捞工作。
1.深海潜标的一般结构
深海潜标的结构如图1，一般由以下几部分构成：
卫通设备21：可与卫星通信，在海中处于休眠状态，出水后处于工作状态，负责把潜标的主浮体的坐标经纬度发送给回调查人员；
主浮体11：提供整套潜标系统的主要浮力，其上可绑漂流绳便于回收；
Xm接收阵23：潜标搭载的记录设备(如水听器和深度记录仪(TD))，具体固定位置根据海域情况和水文条件决定；
Xm过渡绳24：用于连接接收阵和底部设备的缆绳；
浮球14：提供整套系统的部分浮力以及释放器上浮所需要的浮力，个数和单位浮力需要具体计算；
声学释放器15：潜标回收的主要设备，通过与调查船甲板单元的通信，可返回甲板单元到释放器的距离数据，并可触发释放模式断开与重块的连接，使整套系统上浮；
钢缆27：连接释放器与重块，长度不宜过短；
重块16：使整套系统能沉入海底，重量需具体计算，一般应大于系统浮力的二至三倍，其上可加减速伞降低沉底速度。
2.深海潜标工作方式
深海潜标主要工作流程：调查船航行到设计站位后，按照主浮体到重块的顺序依次吊入海中，待完全沉入海底后与声学释放器通信确认距离稳定后，完成布放工作；进行相关测线的航行和声学实验；回到设计站位，通知声学释放器释放，等待卫通设备发回潜标坐标，航行到该坐标进行潜标回收。
3.深海潜标的工作风险
风险主要包括潜标设计合理性、水密、连接、耐压、净浮力等等。其中最大也最不可预见的风险是潜标的丢失或者回收失败。一旦潜标无法回收，其所记录的数据和价值昂贵的设备全部损失，且往往造成科研任务无法完成，损失的人力、物力无法估计。多年来已发生过数起潜标丢失的事故。
发明内容
本发明的目的在于针对深海潜标准确定位存在的上述问题，提供可应用于深海潜标系统的定位、回收和检测的一种三点式深海潜标定位方法。
本发明包括以下步骤：
1)获取3个释放器响应距离内不同位置的经纬度和相应的测距值；
2)把数据代入设计的几何模型中；
3)通过计算程序进行计算处理，得到重块经纬度和深度的计算值和示意图。
在步骤1)中，所述获取3个释放器响应距离内不同位置的经纬度和相应的测距值，只需要调查船在靠近潜标的航行中做3次测量，设计测线进行定位。
在步骤2)中，所述把数据代入设计的几何模型中进行计算，其几何原理为：
3次测量实验的坐标记为A、B、C，所述A、B、C三点不在同一直线上，所测得的3个距离值记为ra，rb，rc，以A为球心、ra为半径的球与以B为球心，rb为半径的球相交于面1，同理以A为球心、ra为半径的球与以C为球心，rc为半径的球相交于面2，A、B、C三点所处面为海面，以A球与B球相交面在海面的投影记为OD，以A球与C球相交面在海面的投影记为OE，垂直海面于O点，O点为线OL在海面的投影。在海面的投影记为O点，垂直于O点的直线记为OL；易知面1与面2必垂直于海面且二者相交于直线OL，则OL也垂直于海面，所以O点的经纬度即为所求重块的位置，OL的长度为重块处的海深。
在步骤3)中，所述计算程序可基于Matlab软件编写，计算结果包括重块经纬度、重块所处位置海深和测量结果位置示意图等。
潜标由于其极低的自噪声低且数据质量良好，是目前海上声学调查使用的主要设备，但同时也具备较大的风险。与浅海海域相比，深海海域海洋环境多变，且潜标长度很多，回收潜标是深海潜标工作中最重要也是最困难的步骤。目前,国内外潜标装置观测得到的数据和信息基本都存储在测量设备或潜标专用记录仪中。人们要想获取这些资料，只能通过读取回收的潜标的信息，一旦潜标丢失或回收失败，就将一无所获，给海洋科研造成较大的困难和不便。本发明为深海潜标回收工作中的定位工作提供了一种实施简便、科学有效的方法，本方法仅需通过“三点定位”，即可得到的潜标在水中的实际位置再进行回收，能很大程度节约回收需要的时间，有效降低了潜标丢失的风险。
附图说明
图1为现有的深海潜标结构示意图。
图2为本发明实施例的空间几何模型示意图。
图3为本发明实施例的平面几何模型示意图。
图4为本发明实施例的实施方法流程图。
图5为本发明实施例的验证实验结果。
图6为本发明实施例的验证实验误差分析。
具体实施方式
本发明公开了一种三点式深海潜标定位方法，该方法实施简易，测量过程可在回收航行过程中完成，并可较准确地定位出潜标系统中的重块在海底的实际位置，为后续的回收或打捞工作打下基础。首先，测量记录三个站位的数据，本发明对所需数据站位的要求极低，可在回收的航行过程中完成测量，只需保证三个测量点不在同一直线上即可；其次，把测量数据代入几何模型中进行计算；再次，计算得到目标经纬度并绘制测量实验示意图；最后，可通过实验验证所得结果。以下结合附图对本发明的实施方式进行说明。
本发明的具体实施方式及作业关键包括：
1)获取3个释放器响应距离内不同位置的经纬度和相应的测距值，只需要调查船在靠近潜标的航行中做3次测量，设计测线进行定位。
2)把数据代入设计的几何模型中，其几何模型及示意图如下所述：
3次测量实验的坐标记为A、B、C，所述A、B、C三点不在同一直线上，所测得的3个距离值记为ra，rb，rc，以A为球心、ra为半径的球与以B为球心，rb为半径的球相交于面1，同理以A为球心、ra为半径的球与以C为球心，rc为半径的球相交于面2，如图2所示。为方便说明，其平面示意图如图3。A、B、C三点所处面为海面，OD为A球与B球相交面在海面的投影，OE为A球与C球相交面在海面的投影，OL垂直海面于O点，O点为线OL在海面的投影。易知面1与面2必垂直于海面且二者相交于直线OL，则OL也垂直于海面。所以O点的经纬度即为所求重块的位置，OL的长度为重块处的海深。
3)通过计算程序进行计算处理，得到重块经纬度和深度的计算值和示意图。
参见图4，本发明的实施方法流程图如下：
(1)在潜标布放点附近3个不同站位进行3次声学释放器响应实验，得到3组数据；可在回收潜标的航行过程中进行。
(2)输入重块落水点、当地平均声速、地球平均半径等参数，所述参数可包括超短基线测试结果。
(3)以A点、B点、C点中的一点为基点，把地球坐标系转换为以A点为原点的空间坐标系，记为A坐标系，求出A坐标系中的B坐标和C坐标，所述A点、B点、C点为海面上的点；所述A点、B点、C点应视为曲面，以便减小误差。
(4)根据空间几何关系，计算得到目标点的坐标以及OL的长度，具体计算步骤如下：
a.求出A点、B点与A点、C点的两个相交圆所在平面的方程；
b.求出ABC平面单位法向量；
c.由ABC平面和两个相交圆所在平面定出O点坐标以及OL长度。
(5)还原为地球坐标系，得到目标的经纬度值和海深。
以下给出实验验证：
本发明在某海域的调查航次期间利用潜标上搭载的超短基线定位设备进行了验证。实验所布放的潜标所在海域水深约在2000m，符合深海的标准。
验证方法：在潜标的浮球上安装了一个超短基线水下定位系统，该系统激活后，通过与船载部分GPS的通信可以得到水下设备所在处的经纬度以及与调查船之间的距离。通过本发明与该数据位置进行对比，可以判断本发明的准确性以及误差范围。
实验过程：调查船布放潜标后，记录重块的入水点；在附近海域分别进行三次测量，为提高实验的准确性，分别在重块入水点的三个不同方位的三个站位进行了测量，如图5所示。
实验结果与误差分析：实验结果重块16距落水点水平漂移距离379m，超短基线水下定位系统12返回的坐标与本发明计算的坐标二者相差359m，考虑到超短基线所在浮球14位置与声学释放器15之间线缆13长度为1420m(设计)，再根据深度传感器数据，判断潜标在水中的姿态倾角约为14度，则二者实际水平距离应为343.5m，实际误差为55.7m，如图6所示，在图6中，标记11为主浮体。
Claims (2)
1.一种三点式深海潜标定位方法，其特征在于包括以下步骤：
1)获取释放器响应距离内3个不同位置的经纬度和相应的测距值，所述获取释放器响应距离内3个不同位置的经纬度和相应的测距值，只需要调查船在靠近潜标的航行中做3次测量，设计测线进行定位；
2)把数据代入设计的几何模型中；
3)通过计算程序进行计算处理，得到重块经纬度和深度的计算值和示意图；把数据代入设计的几何模型中进行计算，其几何原理为：3次测量实验的坐标记为A、B、C，所述A、B、C为曲面，所述A、B、C三点不在同一直线上，所测得的3个距离值记为ra，rb，rc，以A为球心、ra为半径的球与以B为球心，rb为半径的球相交于面1，同理以A为球心、ra为半径的球与以C为球心，rc为半径的球相交于面2，A、B、C三点所处面为海面，以A球与B球相交面在海面的投影记为OD，以A球与C球相交面在海面的投影记为OE，垂直海面于O点，O点为线OL在海面的投影；在海面的投影记为O点，垂直于O点的直线记为OL；易知面1与面2必垂直于海面且二者相交于直线OL，则OL也垂直于海面，所以O点的经纬度即为所求重块的位置，OL的长度为重块处的海深；
根据空间几何关系，计算得到目标点的坐标以及OL的长度，具体计算步骤如下：
a.求出A点、B点与A点、C点的两个相交圆所在平面的方程；
b.求出ABC平面单位法向量；
c.由ABC平面和两个相交圆所在平面定出O点坐标以及OL长度。
2.如权利要求1所述一种三点式深海潜标定位方法，其特征在于在步骤3)中，所述计算程序基于Matlab软件编写，计算结果包括重块经纬度、重块所处位置海深和测量结果位置示意图。
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