水下二次定位系統的定位算法研究

張建平

(陜西工業職業設計學院 信息工程學院,陜西 咸陽 712000)

水下二次定位系統的定位算法研究

張建平

(陜西工業職業設計學院 信息工程學院,陜西 咸陽 712000)

基于目前思坦水聲定位系統主控軟件系統,采用了水聲二次定位系統的水聲傳播原理,結合水面GPS定位技術,針對水下目標的位置坐標進行精確確定技術的方法編寫的定位算法,通過思坦水聲定位系統主控軟件測試和大量實驗,軟件已經大量使用,研究的水下二次定位系統的定位算法可行性。

水聲二次定位；GPS定位；主控軟件；定位算法

水下勘探的相關技術越來越受到人們的重視,作為水下探測的一個重要分支,水聲定位在水下探測領域中的諸多場合發揮著不可替代的作用,主要在GPS定位和水聲定位相結合的水下定位系統基礎上,對水下二次定位系統軟件進行設計［1］,主控軟件的核心是數據采集和數據處理以及圖形顯示。主控軟件采用Visual Basic開發,后臺以Access數據庫作為支撐,采用ADO方式連接。通過水上GPS定位技術與水下水聲定位技術結合,達到水下應答器最精確的定位。

1 水下定位系統結構

主控軟件在本系統中主要包含以下部分內容:GPS坐標接收部分、聲學測距數據接收、串口設置、定位算法、數據界面處理及數據保存等,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測量數據的界面顯示和定位結果的界面顯示。在本主控軟件中,需要實時顯示測量船軌跡圖形［2］和實時定位結果。同時為了便于觀察圖形,圖形界面上實現了圖形的左右上下移動和放大縮小等功能。同時,為了用戶使用方便,在界面上設計了許多快捷方式,以實現整個主控軟件系統的其它功能。

1.2 串口設置及通信模塊

串口設置及通信模塊主要完成串口的設置及與外界的通信功能（。串口設置主要包括2個串口的設置:與DAU通信的串口設置和與GPS通信的串口設置。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的時候設定的通信速率一致。與外界的通信則包括與GPS設備的通信和DAU通信,與GPS設備通信完成從GPS設備接收獲得的經緯度、時間等GPS數據,不同GPS設備的數據格式不一樣,系統具有一定的辨別能力。與DAU的通信包括采用系統內部的通信協議完成指令發送和聲學測距數據的接收。

1.3 數據保存讀取模塊

本模塊主要實現將接收到的實時GPS數據、DAU聲學測距數據［4］等進行保存,同時還需要將一些中間結果及最終結果進行保存。如果需要,通過主程序可以打開以前的始源數據進行回放和事后分析。

2 水下定位系統的算法分析

定位算法模塊主要是利用通信模塊過來的GPS坐標數據和從DAU過來的聲學測距數據,采用代數方程處理方法,精確求解目標防偽坐標。在求解目標方位坐標時,充分考慮系統特點,采用多種補償方法抵消系統的固定誤差。具體算法敘述如下:

當一個應答器有4個回應的時候,軟件開始計算應答器的位置。假設4個點對應的直角坐標分別是（x1,y1）,（x2,y2）,（x3,y3）,（x4,y4）,它們對應的DAU測距分別是d1,d2,d3,d4。設應答器的坐標是（x,y）,先利用前兩個點計算應答器的位置:依據方程組:

就可以計算出一個應答器的位置,然后分別利用第1點和第3點,第1點和第4點,第2點和第3點,第2點和第4點,第3點和第4點的值計算出應答器的坐標位置,這樣就總共有6個應答器的坐標位置值,若這6個值中有沒有解的情況,則去掉該結果,然后取平均值,就可以得到一個應答器的位置坐標。當有第5個點回應的時候,用第2個點,第3個點,第4個點,第5個點又計算出應答器的位置,依次不斷更新,最后結束后用聚類算法對解算得到的點進行處理,就可以得到計算的應答器的最后位置。

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

圖3 空間大地坐標系Fig.3 Space geodetic system

圖4 空間直角坐標系Fig.4 Spatial cartesian

GPS坐標到站心切平面坐標（直角坐標）

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

圖5 站心切平面坐標Fig.5 Station eager plane

空間大地坐標到空間直角坐標的轉換公式:

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

空間直角坐標到站心切平面坐標的轉換公式:

式中,（B0,L0）為測站點（也就是通常所說的基準點）的大地緯度和大地經度,（X0,Y0,Z0）為測站點的空間直角坐標。

這樣通過上面兩步的坐標轉換,就把一點的GPS坐標值轉換成了站心切平面坐標。

站心切平面坐標（直角坐標）到GPS坐標的轉換［6-7］。

直角坐標到GPS坐標的轉換先要把直角坐標轉換成空間直角坐標,然后把空間直角坐標轉換成為GPS坐標。

直角坐標到空間直角坐標的轉換:

式中,（B0,L0）為測站點（也就是通常所說的基準點）的大地緯度和大地經度,（X0,Y0,Z0）為測站點的空間直角坐標。

空間直角坐標到GPS坐標的轉換:

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

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

3 結 論

算法的主控軟件采用visualbasic開發,軟件通過采用vb程序編寫,數據庫應用acess數據庫,算法的編寫測試已經通過,可以在實際中廣泛應用于思坦水聲定位系統,可提供高效及精確的水下定位,可應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,因此可應用于海底地質、石油、天然氣等勘探。

［1］呂雙,徐維秀,楊晶,等.基于直達波的二次定位軟件開發及應用［J］.內蒙古石油化工,2011(6):17-21.LU Shuang,XU Wei-xiu,YANG Jing,et al.Location-based software development and application of the direct wave［J］.Inner Mongolia Petrochemical Industry,2011(6):17-21.

［2］孟麗莎.無線傳感器網絡測距定位求精算法的研究［D］.大連:大連理工大學,2012.

［3］周偉,來鴻飛,劉忠.水下無線傳感器網絡的節點精確定位［J］.指揮控制與仿真,2007(1):50-52,55.ZHOU Wei,LAI Hong-fei,LIU Zhong.Node pinpoint underwater wireless sensor networks［J］.Command Control&Simulation,2007(1):50-52,55.

［4］王利朋.AUV水下對接定位技術研究［D］.大連:大連海事大學,2012.

［5］陳信.GPS數據的坐標變換［J］.大眾科技,2005(7):69-70.CHEN Xin.GPS data coordinate transformation［J］.Chen Hsin Popular Science,2005(7):69-70.

［6］吳永亭,周興華,楊龍.水下聲學定位系統及其應用［J］.海洋測繪,2003(4):18-21.WU Yong-ting,ZHOU Xing-hua,YANG Long.Underwater acoustic positioning system and its application［J］.Ocean Mapping,2003(4):18-21.

［7］梁發菊，萬國峰.無線傳感器網絡加權垂直平分線定位算法［J］.工業儀表與自動化裝置,2015(2):69-72.LIANG Faju，WAN Guofeng.Weightedmidnormal-based localization algorithm for wirelesssensornetworks［J］.Industrial Instrumentation&Automation，2015(2):69-72.

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:計算機技術。