超短基線安裝誤差校準裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于水聲定位技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及水聲定位系統(tǒng)的安裝誤差校準裝置，具 體指一種超短基線安裝誤差校準裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 水下定位導航技術(shù)是一切海洋開發(fā)活動和海洋高技術(shù)發(fā)展的基本前提，海洋領(lǐng)域 的開發(fā)和軍事需求推動了水下高精度定位技術(shù)的發(fā)展，超短基線聲學定位系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā) 和技術(shù)研究在現(xiàn)代化海洋科學中起著重要作用。超短基線是一種常見的水聲定位技術(shù)，與 其它基線相比，超短基線定位系統(tǒng)基線基陣尺寸小，易于安裝，但由于遠距離誤差發(fā)散快， 超短基線作用距離短，所W精度通常也不高。安裝超短基線定位系統(tǒng)進行水下聲學定位測 量過程中，很難保證換能器聲學中屯、與轉(zhuǎn)臺中屯、之間Ξ坐標完全重合，各個傳感器的坐標 系統(tǒng)并不能重合一致，它們之間因平移或旋轉(zhuǎn)存在系統(tǒng)偏差，運些偏差是導致超短基線水 聲定位系統(tǒng)定位誤差的一個重要原因，必須對其進行校準。如何快速、有效地對超短基線定 位系統(tǒng)進行安裝校準，是提高整個定位系統(tǒng)定位精度和設(shè)備可操作性的一個重要方面。
[0003] 傳統(tǒng)的安裝誤差校準方法是將聲頭剛性安裝在試驗船上，并在聲頭正上方架設(shè) RTK GPS和羅徑，將應(yīng)答器沉入水底，試驗船按照預定路線（田字格或者S型)繞著應(yīng)答器進 行航行，在每個航跡位置，定位系統(tǒng)與應(yīng)答器進行應(yīng)答，確定基陣坐標系下的應(yīng)答器位置， 同時記錄航跡各個測量點上的GPS位置(DGPS接收設(shè)備或者RTK設(shè)備最佳)和方位/姿態(tài)數(shù) 據(jù)。利用安裝誤差校準算法處理采集到的數(shù)據(jù)即可得到安裝誤差校準值，再將此值代入即 可進行精確定位。傳統(tǒng)的安裝誤差校準方法雖能在一定程度上校正安裝誤差，但也存在一 些W下所述的固有缺陷：1)實踐安裝誤差校準實驗并不簡易可行；由于RTK GPS、羅徑和聲 頭剛性固定在試驗船上，試驗船需要繞著沉入水底的應(yīng)答器按照既定的路線航行;一方面 運在湖上或是海上都是較難實現(xiàn)的，另一方面實驗成本較高，影響實驗的可實施性;2)RTK GPS自身帶有誤差；由于需要利用RTK GPS記錄航跡各個測量點上的GPS值，所WRTK GPS的 自身誤差同樣得納入定位系統(tǒng)的安裝誤差內(nèi)；3)羅徑亦存在安裝誤差，因為羅徑架設(shè)在聲 頭正上方而不是集成到聲頭內(nèi)部，運樣每次安裝羅徑都會產(chǎn)生安裝誤差。為了克服現(xiàn)有超 短基線系統(tǒng)傳統(tǒng)安裝誤差校準方法存在的W上幾個固有缺點，亟需提出一個全新的安裝誤 差校準方法。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 針對上述技術(shù)問題，本實用新型提出了一種全新的超短基線安裝誤差校準裝置， 有效簡化了水聲定位系統(tǒng)安裝誤差校準的實驗操作流程，降低了實驗難度，并從根本上消 除了因誤差校準裝置存在自身固有誤差而影響校準精度的技術(shù)問題。
[0005] 本實用新型通過W下技術(shù)方案來實現(xiàn)上述目的：
[0006] -種超短基線安裝誤差校準裝置，所述校準裝置包括聲頭、應(yīng)答器、Ξ軸防水轉(zhuǎn)臺 和光纖羅經(jīng)，所述聲頭通過法蘭盤剛性固定在Ξ軸防水轉(zhuǎn)臺上，Ξ軸防水轉(zhuǎn)臺在空間坐標 系內(nèi)具有互相垂直的Χ、Υ、Ζ軸Ξ個方向的旋轉(zhuǎn)自由度，Ξ軸防水轉(zhuǎn)臺水平固定在測試水池 的池底;應(yīng)答器通過航車和支架剛性固定后放入測試水池中，并由聲頭對其定位;光纖羅經(jīng) 通過電纜與甲板處理單元連接。
[0007] 作為本校準裝置的優(yōu)化方案，所述光纖羅徑一體化集成在聲頭內(nèi)部。
[0008] 作為本校準裝置的優(yōu)化方案，所述Ξ軸防水轉(zhuǎn)臺包括基座，基座上設(shè)有互相垂直 的可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸I、II、III，其中轉(zhuǎn)軸I頂部固定連接有U形架，U形架上端設(shè)有可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸 II，轉(zhuǎn)軸II固定連接大矩形旋轉(zhuǎn)支架，大矩形旋轉(zhuǎn)支架短邊中屯、軸端設(shè)有可旋轉(zhuǎn)的中屯、轉(zhuǎn) 軸III，轉(zhuǎn)軸ΙΠ 固定連接小矩形旋轉(zhuǎn)支架，所述聲頭通過轉(zhuǎn)軸III固定安裝在小矩形旋轉(zhuǎn)支 架內(nèi)，在矩形旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)轉(zhuǎn)軸II與轉(zhuǎn)軸III互相垂直;每個軸的轉(zhuǎn)動依靠伺服電機驅(qū)動，且 Ξ個轉(zhuǎn)軸上均安裝有用于測量旋轉(zhuǎn)角度的高精度光電編碼器。
[0009] 作為本校準裝置的優(yōu)化方案，所述聲頭為便攜式聲頭。
[0010] 本實用新型的有益效果是：
[0011] 1、聲頭通過法蘭盤剛性固定在Ξ軸防水轉(zhuǎn)臺上，每個軸的轉(zhuǎn)動依靠伺服電機驅(qū) 動，且Ξ個轉(zhuǎn)軸上均安裝有用于測量旋轉(zhuǎn)角度的高精度光電編碼器，使得Ξ軸轉(zhuǎn)臺在空間 坐標系內(nèi)具有互相垂直的Χ、Υ、Ζ軸Ξ個方向的旋轉(zhuǎn)自由度，能實現(xiàn)任意旋轉(zhuǎn);轉(zhuǎn)臺按一定方 式旋轉(zhuǎn)進行數(shù)據(jù)采集，代替了現(xiàn)有試驗船需按既定路線繞應(yīng)答器航行進行數(shù)據(jù)采集的實驗 方式，有效簡化了水聲定位系統(tǒng)安裝誤差校準的實驗操作流程，降低了實驗難度，提高了實 驗的可行性；
[0012] 2、將高精度光纖羅經(jīng)一體化集成到聲頭內(nèi)部，成品之前只需一次安裝校準即可， 避免了使用中安裝光纖羅經(jīng)而存在的安裝誤差，提高了定位系統(tǒng)安裝誤差的校準精度；
[0013] 3、因聲頭的聲學中屯、的地理坐標不變，所W不需要記錄航跡各個測量點上的地理 坐標數(shù)據(jù)，即不存在RTK GPS帶來的誤差，進一步提高了定位系統(tǒng)安裝誤差的校準精度；
[0014] 4、利用本校準裝置對安裝誤差進行校準，通過校準前后的數(shù)據(jù)對比分析，校準后 的定位結(jié)果方差較校準前減少50% W上且定位誤差服從正態(tài)分布，相比校準W前的定位數(shù) 據(jù)更加聚焦。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2為本實用新型中Ξ軸防水轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖3為本實用新型中聲學坐標系；
[0018] 圖4為坐標系旋轉(zhuǎn)變換公式圖解；
[0019] 圖5為聲頭姿態(tài)坐標圖；
[0020] 圖6為聲學坐標平移圖；
[0021] 圖7為評估誤差曲線；
[0022] 圖中：1-聲頭，2-換能器，3-應(yīng)答器，4-光纖羅徑，5-Ξ軸防水轉(zhuǎn)臺，6-測試水池，7-航車，8-支架，9-電纜，10-甲板處理單元，11-基座，12-轉(zhuǎn)軸I，13-U形架，14-轉(zhuǎn)軸II ,15-轉(zhuǎn) 軸III，16-大矩形旋轉(zhuǎn)支架，17-小矩形旋轉(zhuǎn)支架。
【具體實施方式】
[0023] 下面將結(jié)合附圖及實施例對本實用新型及其效果作進一步闡述。
[0024] 如圖1所示，一種超短基線安裝誤差校準裝置，所述校準裝置包括聲頭1、應(yīng)答器3、 Ξ軸防水轉(zhuǎn)臺5和光纖羅經(jīng)4,所述聲頭1為便攜式聲頭，聲頭1通過法蘭盤剛性固定在Ξ軸 防水轉(zhuǎn)臺5上，Ξ軸防水轉(zhuǎn)臺5在空間坐標系內(nèi)具有互相垂直的Χ、Υ、Ζ軸Ξ個方向的旋轉(zhuǎn)自 由度，Ξ軸防水轉(zhuǎn)臺5水平固定在測試水池6的池底;應(yīng)答器3通過航車7和支架8剛性固定后 放入測試水池6中，并由聲頭1對其定位;光纖羅經(jīng)4通過電纜9與甲板處理單元10連接。
[0025] 具體地，如圖2所示，Ξ軸防水轉(zhuǎn)臺5包括基座11，基座11上設(shè)有互相垂直的可旋轉(zhuǎn) 的轉(zhuǎn)軸I 12、轉(zhuǎn)軸II 14、轉(zhuǎn)軸III 15,其中轉(zhuǎn)軸I 12頂部固定連接有U形架13，U形架13上端 設(shè)有可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸II 14,轉(zhuǎn)軸II 14固定連接可繞轉(zhuǎn)軸II 14旋轉(zhuǎn)的大矩形旋轉(zhuǎn)支架16,大 矩形旋轉(zhuǎn)支架16短邊中屯、軸端設(shè)有可旋轉(zhuǎn)的中屯、轉(zhuǎn)軸III 15，轉(zhuǎn)軸II115固定連接可繞轉(zhuǎn) 軸III 15旋轉(zhuǎn)的小矩形旋轉(zhuǎn)支架17,所述聲頭1通過轉(zhuǎn)軸III 15固定安裝在小矩形旋轉(zhuǎn)支 架17內(nèi)，在矩形旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)轉(zhuǎn)軸II 14與轉(zhuǎn)軸III 15互相垂直;每個軸的轉(zhuǎn)動依靠伺服電機 驅(qū)動，且Ξ個轉(zhuǎn)軸上均安裝有用于測量旋轉(zhuǎn)角度的高精度光電編碼器，實現(xiàn)可按不同步長 旋轉(zhuǎn)W及繞其中一個軸旋轉(zhuǎn)時另外兩個軸固定不動等多種旋轉(zhuǎn)方式。轉(zhuǎn)臺5按一定的方式 旋轉(zhuǎn)進行數(shù)據(jù)采集，代替了現(xiàn)有試驗船需按既定路線繞應(yīng)答器航行進行數(shù)據(jù)采集的實驗方 式，有效簡化了水聲定位系統(tǒng)安裝誤差校準的實驗操作流程，降低了實驗難度，提高了實驗 的可行性。
[0026] 所述光纖羅徑4 一體化集成在便攜式聲頭內(nèi)部，成品之前只需一次安裝校準即可， 避免了使用中安裝光纖羅而存在的安裝誤差，W及系統(tǒng)不存在RTK GPS帶來的誤差，有效保 證了定位系統(tǒng)安裝誤差的校準精度。。
[0027] 利用上述超短基線安裝誤差校準裝置的校準方法，具體包括W下步驟：
[0028] 1)應(yīng)答器安裝:將應(yīng)答器3用航車7和支架8剛性固定后放入測試水池6中；
[0029] 2)聲頭安裝:將光纖羅經(jīng)4 一體化集成到聲頭1內(nèi)部，聲頭通過法蘭盤剛性固定在 Ξ軸防水轉(zhuǎn)臺5上，Ξ軸防水轉(zhuǎn)臺5在空間坐標系內(nèi)具有互相垂直的Χ、Υ、Ζ軸Ξ個方向的旋 轉(zhuǎn)自由度，每個轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動依靠伺服電機驅(qū)動，且Ξ個轉(zhuǎn)軸上均安裝有用于測量旋轉(zhuǎn)角度 的高精度光電編碼器，Ξ軸防水轉(zhuǎn)臺5水平固定在水池底部，由聲頭1對應(yīng)答器3進行定位；
[0030] 3)數(shù)據(jù)采集:轉(zhuǎn)臺依照Χ、Υ、Ζ軸的順序分別進行旋轉(zhuǎn)，繞其中一個軸旋轉(zhuǎn)時另外兩 個軸固定不動，旋轉(zhuǎn)時W固定步長15度從0度順時針旋轉(zhuǎn)到360度，再從360度逆時針旋轉(zhuǎn)到 0度，每轉(zhuǎn)一個固定步長為一個測量點，在各個測量點上由聲頭1對應(yīng)答器3進行定位，記錄 光電編碼器的角度測量值，確定聲學坐標系下應(yīng)答器3的位置數(shù)據(jù)，同時甲板處理單元10輸 出光纖羅經(jīng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)；
[0031] 4)數(shù)據(jù)處理：利用安裝誤差校準算法處理采集到的數(shù)據(jù)即可得到安裝誤差校準 值；
[0032] 校準檢驗，通過校準前后的定位數(shù)據(jù)對比分析，校準后的定位結(jié)果方差較校準前 減少50% W上且定位誤差服從正態(tài)分布，