超短基线纯方位定位的目标搜索航迹规划

合集下载

哈尔滨工程大学科技成果——超短基线定位系统

哈尔滨工程大学科技成果——超短基线定位系统项目概述目前正值国家大力发展海洋开发技术的阶段，与此相关的船舶技术、水下机器人技术、环境水纹监测技术以及水下作业装备均进入了蓬勃发展的状态。

近几年国家投入大量资金建设了十几条科学考察船，支持海洋科学考察工作，诸如ROV、AUV、HOV的潜器也投入了大量研究力量，海上油气开采工程更是发展迅速，并从早期的浅水海域逐步向着深远海。

作为海洋开发的重要保障设备，超短基线定位系统占据着不可替代的位置，是水下作业高精度定位的重要支撑之一。

国产超短基线定位系统的研发成功打破了目前国内科考船均采用国外进口超短基线定位系统的技术垄断格局，改变了科考船在定位系统维护、升级和出口许可限制等方面面临的被动局面。

同时国产系统在海试和应用中表现出的作用距离远、数据有效率高和定位结果持续、稳定等优点，使得科考船海上调查作业效率和质量大为提高。

此外，国产系统表现出的兼容国外声应答器信号体制的独特优点，也受到用户的高度好评。

国产化超短基线定位系统已经到了关键的时刻，具备了产业化发展的基本条件。

面对海洋科学考察、潜器水下定位导航、水下油气工程建设等重要的发展需求，超短基线定位系统的应用市场是广阔的，具备可观的效益前景。

同时超短基线定位系统的产业化也会促进定位技术在海洋作业中的普及应用，带动水下作业位置精细化，资料信息关联化的发展。

超短基线定位系统是现代海洋调查作业船只必不可少的基础性水下定位保障设备，为配备水声应答器的水下各类载体（ROV、AUV、HOV及各类拖体）提供水下高精度定位服务。

系统通过水面船安装的超短基线声学换能器基阵发射询问声信号到海水中，通过接收处理水声应答器的应答信号，确定声学换能器基阵声学中心与水声应答器声学中心间的距离和角度关系，从而可以根据水面作业船的位置信息和船舶姿态数据，最终确定由水声应答器代表的水下载体位置信息。

其主要技术指标包括声学定位精度优于2‰斜距和作用距离不小于8km。

国际市场超短基线

国际市场超短基线————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期：ﻩ目录1.ﻩ英国Sonardynｅ公司 (2)1．１．ﻩ英国Sonａrｄyne超短基线定位系统-Scout系列 .. 错误!未定义书签。

１．2.英国Sｏｎardyne超短基线定位系统-Fusioｎ系列４1.3．英国Sonaｒdyne超短基线定位系统-Ｒanger系列62.ﻩ美国ORＥ公司8ﻩTrackpoiｎｔ３Ｐ超短基线定位系统 (8)３.ﻩIＸBLUE公司 (10)３.１.ﻩGAPS全球声学定位惯性导航系统 ............................. 1０3.２.ＰOＳIDOＮIA ６000 远距离超短基线水下定位系统ﻩ错误!未定义书签。

3.3.................... Ｐosｉdｏnia IＩ超短基线水下定位系统1ﻩ４1.英国Soｎarｄynｅ公司1.1.英国Sonａrｄyｎe超短基线定位系统-Scｏut系列代理:青岛海洋该系统为英国Sonarｄyｎe公司专门为近岸带(0-５00米水深）,近距离（0-1０00米)跟踪而研发和生产的。

该系统为近岸带水下声学定位系统,主要用于跟踪一个或者最多10个水下目标物,并将跟踪到的目标物的大地坐标从系统的串口输出到外部数据采集系统从而完成水下声学定位,该系统的频率为高频（３5-55kHz），最大跟踪量程水深为0-1０00米，覆盖范围为收发机以下±９0º，如果使用内置的罗盘和倾斜仪精度为斜距的±2.75% ,使用外部高精度的罗经和姿态传感器精度可达斜距的±0．5%（最高绝对精度为5cm）,多种水下信标型号可选。

牵涉到具体的型号,当前近岸带系统根据性能从低到高分为Sｃout、ScoutPlus、ＳｃoｕｔPro三种，下面是三种型号的简要的技术指标:指标Scout SｃoutＰlusＳcoｕtPro声学仅支持高频信标支持高频、中频信标支持高频、中频信标跟踪目标个数 4个 6个 10个最大跟踪距离 50０米５0０米100０米发射接收机８０2４（姿态、艏向)8０２4（姿态、艏向)80２4（姿态、艏向) 支持Ｒesp ｏnser 不支持支持支持外部输入ＧＰS GPS 、MAHRS G ＰＳ、ＭAH ＲS 、SV Ｐ数据更新率实际实际 1HZ （与距离深度无关系统校准内部罗盘校准CASIUS 校准CASI ＵS 校准该系统的支持的信标种类和型号：78１5近岸带信标,ＯＢC 信标,ＬRT 轻型声学释放器，ＷSM 宽带信标,A ＯD Ｃ信标以及其他的信标等。

高精度超短基线在水下定位中的应用

高精度超短基线在水下定位中的应用高精度超短基线定位系统在水下定位中的应用张粤宁1 刘鹏2（1.武汉长江航道救助打捞局，武汉430014；2.上海地海仪器有限公司，上海 200233）摘要：声学定位系统（Acoustic Positioning System）的技术研究和应用开发在现代海洋科学调查和水下施工中起着重要作用。

本文以某品牌超短基线定位系统为例，就超短基线（Ultra Short BaseLine）声学定位系统的原理、应用范围等几个方面展开讨论，同时介绍了高精度超短基线工程中的实际应用，对使用过程中影响定位性能的主要因素进行了简单分析。

关键词：超短基线水下定位1概述20世纪90年代以来，世界先进国家的海洋调查技术手段逐步成熟与完善，其中超短基线（简称USBL）水下设备大地定位技术也获得了长足的发展。

高精度水下定位系统具有广泛的用途，在海洋探测研究、海洋工程、水下建筑物施工、潜水员水下作业、水下考古、海洋国防建设等方面，都离不开水下定位系统为其提供高精度、高质量的定位资料，因此高精度水下定位技术对维护国家领土权益和国民经济建设都具有重要意义。

1．1关于水下声学定位系统20世纪50～60 年代，在国际上，随着光、声、磁等技术的不断发展，在大力开发海洋自然资源和海洋工程的进程中，水下探测技术得到了较大发展，相继开发了一系列先进的、高效能的水下探测设备：在各种水下检测的光、声、磁技术中，由于水下光波衰减很快，即使是波长最长、传播最远的红外光波在水中传播到了几米以后也衰减完了，而声波和电磁波在水中有良好的传播性，因而，声呐、磁探和超短基线成为水下检测的有效方法。

声学定位系统最初是在19世纪60年代的时候被开发出来用于支持水下调查研究。

从那时起，这类系统便在为拖体，ROV等水下目标的定位中成为了重要角色。

声学定位系统能够在有限的区域内提供非常高的位置可重复精度，甚至在远离海岸。

对大多数用户来说，可重复性精度要比绝对精度重要。

超短基线水声定位课件

超短基线（USBL）主要用户——水下打捞与救助系统
• 中国交通下属海事局、救助打捞局以及文物考古所等。
如海底沉船、失事飞机残骸的搜索打捞作业中必须动用ROV或AUV对失事区域进行大范围搜索，同样需要水声定位系统，水声定位系统可监测引导ROV/AUV 的行进路线。
蛟龙号上使用的长基线定位系统
超短基线（USBL）主要用户——水下工程施工
水声定位产品在水下铺排定位的应用
• RTKGPS参考站
水声定位产品在水下铺排定位的应用
• 水下应答器定位结果：
x 3508773.077
x 3508772.986
高斯投影平面坐标对比 RTKGPS参考值： y 12075.115 测量值: y 12075.535
h 19.905
h 19.252
水声定位产品在水下铺排定位的应用
应答器编号 33 31 40
x（米） 3466136.744 3466109.662 3466118.658
y（米） 384922.491 384908.772 384960.271
第一张排布上应答器的高斯投影平面坐标
水声定位产品在水下铺排定位的应用
实际施工后测量第二张排布测量结果 3月7日下午2点施工，至晚上8点完成施工，排上放置5个应答器（编号为3,23,28,42,46）。第二天上午进行测量，5个应答器全部正常应答，测量结果如下：
水声定位产品在水下铺排定位的应用
铺排过程中，采用超短基线定位模式，对排体位置进行实时跟踪，指导施工。
排布铺设完毕后，采用长基线定位模式，对排体在水下的最终位置进行高精度定位检测，定位精度达到0.5米以内。
水声定位产品在水下铺排定位的应用
• 用于铺排作业定位的抛弃型应答器

无人机航迹规划算法的初步研究

4、无人机航迹规划常用算法的优缺点
4、无人机航迹规划常用算法的优缺点
（1）基于图论的算法：计算速度快，适用于静态环境和简单的动态环境。但是灵活性不足，对于复杂动态环境的处理能力有限。
4、无人机航迹规划常用算法的优缺点
（2）基于优化理论的算法：能够得到全局最优解，考虑了多种约束条件。但是计算量较大，实时性较差。对于复杂环境和大规模任务的适应性有点
并指出了未来需要进一步探讨的问题。希望能为相关领域的研究提供参考和启示，推动无人机技术的不断发展。
谢谢观看
主体部分
1、无人机航迹规划常用算法概述
1、无人机航迹规划常用算法概述
无人机航迹规划是指根据任务需求，在综合考虑无人机性能、威胁环境和作战规则等因素的基础上，为无人机规划一条最优或次优航迹，以实现任务目标的过程。常用的无人机航迹规划算法主要包括基于图论的算法、基于优化理论的算法、基于人工智能的算法等。
结论与展望
结论与展望
本次演示对无人机航迹规划算法进行了初步研究，提出了一种基于强化学习的航迹规划方法。通过实验验证，该算法在处理复杂环境和动态任务时具有较好的适应性和鲁棒性。然而，无人机航迹规划算法的研究仍面临许多挑战和问题，
结论与展望
例如如何处理更加复杂的环境和任务、如何提高算法的实时性和鲁棒性等。因此，未来研究可以从以下几个方面展开：
主要内容
主要内容
本次演示主要介绍一种基于强化学习的无人机航迹规划算法。首先，利用无人机采集相关数据，包括地形信息、障碍物位置、任务目标等。接下来，对采集的数据进行预处理，将其转化为可用于算法处理的形式。然后，采用强化学习算法训练无人机航
主要内容
迹规划模型，让无人机在模拟环境中不断尝试飞行，并根据飞行结果进行学习，逐步优化航迹规划策略。最后，对训练好的模型进行测试和评估，将其应用于实际无人机飞行任务中，验证其有效性和鲁棒性。

基于虚拟仪器的超短基线水声定位系统

基于虚拟仪器的超短基线水声定位系统虚拟仪器技术（Virtual Instrumentation，VI）是指以计算机为核心的仪器与测量系统（硬件和软件）的设计方案，该技术通过软件编程的方式，实现仪器硬件控制、信号处理、仪器测量、数据采集等多种功能集成于一个仪器系统中。

基于虚拟仪器的超短基线水声定位系统（Ultra-short baseline Acoustic Positioning System，USBL）是一种通过水声信号实现目标定位的仪器系统，具有定位精度高、实时性好和使用灵活等优点。

虚拟仪器的超短基线水声定位系统由测量设备和数据处理系统两部分组成。

测量设备包括超短基线水声测距系统、目标跟踪系统和船舶姿态传感器三部分。

超短基线水声测距系统由一个发射器和多个接收器组成，其基本原理是通过发射出的水声信号，在目标位置处被接收器接收到，并记录下信号传播的时间。

测量设备中的目标跟踪系统可以实时记录目标的位置和运动状态，船舶姿态传感器可以实时记录船舶姿态和位置信息。

数据处理系统主要由计算机和虚拟仪器软件构成。

虚拟仪器软件根据接收到的信号和目标位置信息，计算出目标与船舶的距离和方位角等实时定位数据。

这些数据可以通过计算机的显示屏或者数据接口输出给用户使用。

在数据处理过程中，虚拟仪器软件会对信号进行滤波、去噪、补偿等处理，以提高定位精度和可靠性。

虚拟仪器的超短基线水声定位系统主要应用于海洋勘探、船舶导航、海洋救援等领域。

其中，海洋勘探中的水下生物调查、环境监测和地形测量等任务需要对海底目标进行定位和跟踪。

而船舶导航和海洋救援中，则需要对周围的船只和人员进行定位和跟踪。

虚拟仪器的超短基线水声定位系统相较于传统的超短基线水声定位系统具有更高的定位精度和更好的实时性。

而且，虚拟仪器软件可以根据用户的需求进行修改和开发，使得系统更具有灵活性和可扩展性。

因此，虚拟仪器的超短基线水声定位系统有着广泛的应用前景，可以满足研究者和工程师在海洋科学、航海技术和海洋工程方面的需求。

航迹规划的概念

航迹规划的概念航迹规划是航空领域中的一个重要概念，指的是为飞机规划最佳航行路径的过程。

航迹规划的目的是确保飞机能够以最高效、最安全的方式到达目的地。

航迹规划的核心是确定飞行航线。

在决定飞行航线时，需要综合考虑多种因素，包括飞行距离、飞机性能、天气条件、空域限制、航空交通管制等等。

航迹规划需要分析和评估各种因素，以制定一条最佳的航线，使飞机能够经济高效地完成任务。

在航迹规划过程中，需要考虑以下几个主要因素：1. 飞行距离和飞行时间：航迹规划首先需要确定起点和终点之间的距离，以及飞行所需的时间。

飞行距离和时间对燃油消耗和效率有直接影响，因此在规划航迹时需要尽量减少空中飞行距离和时间。

2. 飞机性能和限制：不同型号的飞机具有不同的性能特点和限制条件。

例如，不同飞机的巡航速度、升限、最大爬升率等都有所不同，在规划航迹时需要充分考虑飞机的性能特点和限制条件。

3. 天气状况：天气对航迹规划有着重要影响。

恶劣的天气条件可能会导致飞机遭遇气流、风切变、雷暴等不利因素，因此在规划航迹时需要充分考虑天气状况，选择最安全的飞行路径。

4. 空域限制和航空交通管制：在航空领域，空域划分和航空交通管制是保障航空安全和效率的重要手段。

航迹规划需要遵循空域划分规定，并考虑航空交通管制的限制和要求，以确保飞行过程中能够顺利与其他飞机保持安全距离。

航迹规划可以使用专门的航迹规划软件或系统进行。

这些软件通常根据输入的起点、终点以及其他相关数据，自动计算出最佳的航迹。

航迹规划软件能够根据飞机性能、天气条件、空域限制等多种因素进行综合评估，并给出最优解决方案。

航迹规划的最终目标是确保飞机能够安全、高效地飞行，并最终到达目的地。

良好的航迹规划可以减少燃油消耗、提高飞行效率、降低运营成本，并最大程度地保障飞行安全。

总之，航迹规划是航空领域中的一个重要概念，通过综合考虑飞行距离、飞机性能、天气条件、空域限制等因素，为飞机规划最佳航行路径。

航迹规划的目标是确保飞机能够以最高效、最安全的方式到达目的地。

无人机航空测绘及后期制作课件：航迹规划原理及流程

航迹规划原理
优点
1. 航迹规划技术充分利用了预先得到的地形信息，最终的
规划航迹具有更好的安全性，因而无人机在完成任务时，
安全性更高
2. 在航迹规划时，飞行器有很多飞行性能约束，必须要进行
充分考虑，并且把这些因素加入规划过程中，保证规划的
最终航迹是满足任务要求的航迹
3. 在航迹规划时考虑了飞行器燃料制约、规划环境中的禁飞
有效作业里程，航线设计一般采用双数敷设，航线尽可能长，且采取往返飞行 ② 航线设计长度一般按有效作业里程的1/2，1/4，1/6或1/8等设计 ③ 航摄分区应考虑无人机的有效通信及控制距离，确保无人机安全
航迹规划流程
航线设计
2. 影像地面分辨率与三维建模处理系统的性能 ① 影像地面分辨率的高低，决定了倾斜照片的数量 ② 建议每次同时进行三维建模计算的照片数量控制在25000张以内 ③ 一般2cm/px分辨率的航摄分区范围最大不超过5km2；5cm/px
航迹规划流程
航线设计
倾斜摄影分区划分原则当倾斜摄影飞行范围较大时，应将飞行范围划分为若干航摄分区，以便设计飞行航线和对任务进行分工航摄分区的划分主要考虑几个方面： ① 无人机类型及续航里程 ② 影像地面分辨率与三维建模处理系统的性能 ③ 摄区相对高差
航迹规划流程
航线设计
1. 无人机类型及续航里程 ① 在无人机飞行作业时，飞机起降一般都在同一地点，为有效利用
确定航线方向
② 根据航飞天气确定相机相关参数
③ 根据测图精度确定地面分辨率（GSD）
④ 根据GSD计算航高
⑤ 根计算航飞参数与任务量
航迹规划流程
航线设计
航线设计涉及GSD、相机质量、飞机类型的建议要求 1. 影像GSD、飞机类型与搭载的相机 ① 影像GSD要求在2cm/px，建议选择多旋翼无人机和双相机

【CN110294080A】一种利用超短基线实现水下精确作业的方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910395440.4(22)申请日 2019.05.13(71)申请人自然资源部第一海洋研究所地址 266061 山东省青岛市崂山区高科园仙霞岭路6号(72)发明人孙永福　张志平　赵晓龙　王立松　张浩然　李杨　孙杨　俞启军　(74)专利代理机构烟台上禾知识产权代理事务所(普通合伙) 37234代理人孙俊业(51)Int.Cl.B63B 49/00(2006.01)B63C 11/52(2006.01)G01S 15/08(2006.01)G01S 5/18(2006.01)G01S 19/42(2010.01)(54)发明名称一种利用超短基线实现水下精确作业的方法(57)摘要本发明公开了一种利用超短基线实现水下精确作业的方法，包括以下步骤：(1)、系统安装，(2)、水下载体地理坐标位置获取，(3)、动力定位：本发明声基阵坐标系与船的坐系之间的关系要无需在安装时精确测定，不需要在海上快速、有效地对超短基线定位系统进行安装校准，大大降低了对母船的安装调试等繁琐工作的难度，本发明结构简单，精度高，具有广泛的应用前景。

权利要求书2页说明书5页附图2页CN 110294080 A 2019.10.01C N 110294080A权　利　要　求　书1/2页CN 110294080 A1.一种利用超短基线实现水下精确作业的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、系统安装：a、在母船上选取一参考点，通过参考点并指向母船艏向的为X轴，通过参考点并指向母船右舷的为Y轴，通过参考点并垂直向下的为Z轴，建立右手母船参考坐标系；b、将若干换能器按照一定的规律排列而成，组成水声接收基阵并安装在母船的参考点位置，并获得水声接收基阵坐标系，在母船上安装运动参考单元和姿态传感器，获得姿态传感器坐标系，以及用于分析、坐标转换计算母船绝对坐标位置及水下载体相对坐标位置的控制系统；c、在母船任意位置选取并安装一用于接收GPS无线信号的天线接收器，并在母船任意位置选取并安装一与天线接收器安装位置相关联的坐标参考位置，该坐标参考位置与水声接收基阵的坐标位置相关联；d、母船安装动力定位系统，动力定位系统与GPS建立信号连接；(2)、水下载体地理坐标位置获取：a、GPS发送信号至母船天线接收器，控制系统根据接收到的信号经处理获得母船的绝对坐标位置，坐标参考位置与母船的绝对坐标位置相比较，经控制系统分析，获得坐标参考位置的实际坐标数据；b、在先安装在母船上的水声接收基阵根据坐标参考位置的实际坐标数据获得水声接收基阵的实际坐标位置；c、换能器向水下发射声波信号至水下载体，水下载体的声学应答器在收到讯问信号后，发射区别于讯问信号的响应信号至水声接收基阵，经控制系统的软件处理后得到水下载体的相对方位和距离，经坐标转换计算最终确定水下载体的最终准确的相对位置坐标；(3)、动力定位：a、根据母船当前的绝对位置坐标及水下载体的相对位置坐标，结合水声接收基阵坐标系，经控制系统计算获得水下载体在水声接收基阵坐标系中的实际位置；b、该实际位置通过水声接收基阵坐标系判断，获得水下载体的声学应答器在水声接收基阵下方的的锥体范围内或范围外的实际空间位置；c、当水下载体的声学应答器在水声接收基阵下方的的锥体范围外时，设定母船的实际位置，将水下载体的声学应答器置入水声接收基阵下方的的锥体范围内，并将其输入控制系统内，测量部分测量部分采集的信息进行处理并根据所设定的母船的实际位置，将控制指令输出至推力器部分以实现预定的母船运动至设定位置；d、到达设定位置后，测量部分发送信号至控制系统，控制系统结合测量部分收到的风、浪、流实时信息，对主推进器和/或侧推进器发送启动信号，改变船舶位置或艏向，在平衡作用于船舶的扰动力和扰动力矩的前提下，控制母船稳定停止在设定位置，以确保水下载体的声学应答器始终在水声接收基阵下方一个有限的锥体范围内。

第3章超短基线水声定位系统

1 c c f0 c 12 Xa R代入上式可得 X a T 2 c 12 d 2 d Xa T c 12 d
有
R T c R T c
以水平位置精度与斜距之比来衡量定位精度时有
斜距相对定位精度
X a 12 R 2d
响应器方式
带有深度的应答器/响应器方式
2 2019/4/9
一类是根据声线入射角和已知超短基线系统的几种定位解算方式深度进行位置解算
（（测）量信声标线方入式射角）（单程距离和角度） (c)
另一类则是根据测量的距离和声线入射角进行定位解算。
r
X Y
2 a
2 a
8
2019/4/9
3.3 入射角与距离算法（应答器或响应器方式）
目标斜距若使用应答器代替信标
1 R cTT , R 2
通过相位测量得到角度，直接求出位置坐标
hR cos mx X cos a mx Xa
1 cos2 mx cos2 my
1 mx
，
Xa
3.2 入射角和深度方式（非同步信标 h cos mx 2 信标方式）位置解算 1 cos cos2
con my Ya 1 tan X tan con mx a
1
1 13 tan 21
c 2 T 2 d 2 2 2 2 12 c T d 2 d
2 2 总的均方误差类似地，可得到 x y
13 2 Y 2d