水下二次定位系统的定位算法研究

第２３卷　ＶｏＬ２３　第１８期　Ｎｏ．１８　电子设计工程　

Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｓｉ￣，ｎ　Ｅｎｚｉ　２０１５年９月　

Ｓｅｏ．２０１５　

水下二次定位系统的定位算法研究　张建平　（陕西工业职业设计学院信息工程学院，陕西成阳７１２０００）　

摘要：基于目前思坦水声定位系统主控软件系统，采用了水声二次定位系统的水声传播原理，结合水面ＧＰＳ定位技　术。针对水下目标的位置坐标进行精确确定技术的方法编写的定位算法，通过思坦水声定位系统主控软件测试和大　量实验，软件已经大量使用，研究的水下二次定位系统的定位算法可行性。　关键词：水声二次定位；ＧＰＳ定位；主控软件；定位算法　中圈分类号：ＴＮ３１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—６２３６（２０１５）１８－００４７－０３　Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｍａｓｔｅｒ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　

ｐｏｓｉｔｉｏｍｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　

ＺＨＡＮＧ　Ｊｉａｎ－ｐｉｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＤｅｓｉｇｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ，　吼ｙ口　７１２０００，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：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．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ；ＧＰＳ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ；ｍａｓｔｅｒ　ｓｏｆｔｗａｒｅ；ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　

水下勘探的相关技术越来越受到人们的重视，作为水下　探测的一个重要分支，水声定位在水下探测领域中的诸多场　合发挥着不可替代的作用，主要在ＧＰｓ定位和水声定位相结　合的水下定位系统基础上，对水下二次定位系统软件进行设　计【ｌ】，主控软件的核心是数据采集和数据处理以及图形显示。　主控软件采用Ｖｉｓｕａｌ　Ｂａｓｉｃ开发，后台以Ａｃｃｅｓｓ数据库作为　支撑，采用ＡＤＯ方式连接。通过水上ＧＰｓ定位技术与水下水　声定位技术结合，达到水下应答器最精确的定位。　

１水下定位系统结构　主控软件在本系统中主要包含以下部分内容：ＧＰｓ坐标　接收部分、声学测距数据接收、串口设置、定位算法、数据界　面处理及数据保存等，软控软件的框架如图ｌ所示。主控软　件的主要工作流程（如图２）。　

圆圈囡囡　ｌ置及通法处理Ｉｌ　Ｉ存读取ｌＩ信模块ｌ　ｌ模块Ｉ　Ｉ崔偎巩ｌ　Ｉ模块ｌ　

图１主控软件框架　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｍａｓｔｅｒ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　

收稿日期：２０１４—１２—０８　稿件编号：２０ｌ４１２０６４　作者简介：张建平（１９７８一），男，陕西岐山人，讲师。研究方向：计算机技术。　

ＧＰＳ　打开６ＰＳ串口　０ｎｃｏｕ事件捕获到有效通信事件　

否　经度、纬度　图像显　示换算ｘ，Ｙ保存　

ＧＰＳ＿Ｔ－作状态设置为有效催　

结果存储．图像显示　接收ＤＡＵ数据　

图２主控软件工作流程　Ｆｉｇ．２　Ｍａｓｔｅｒ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｗｏｒｋ￣ｏｗ　

－４７－　《电子设计工程）２０１５年第ｌ８期　１．１界面处理模块　本模块主要处理系统测量数据的界面显示和定位结果　的界面显示。在本主控软件中，需要实时显示测量船轨迹图　形嘲和实时定位结果。同时为了便于观察图形，图形界面上实　现了图形的左右上下移动和放大缩小等功能。同时，为了用　户使用方便，在界面上设计了许多快捷方式，以实现整个主　控软件系统的其它功能。　１．２串口设置及通信模块　串口设置及通信模块主要完成串口的设置及与外界的　通信功能（。串口设置主要包括２个串口的设置：与ＤＡＵ通　信的串口设置和与ＧＰＳ通信的串口设置。与ＤＡＵ的通信采　用固定通信速率：９６０ｏ波特率，与ＧＰＳ通信速率则需要与初　始化ＧＰＳ的时候设定的通信速率一致。与外界的通信则包括　与ＧＰＳ设备的通信和ＤＡＵ通信，与ＧＰＳ设备通信完成从　ＧＰＳ设备接收获得的经纬度、时间等ＧＰＳ数据，不同ＧＰＳ设　备的数据格式不一样，系统具有一定的辨别能力。与ＤＡＵ的　通信包括采用系统内部的通信协议完成指令发送和声学测　距数据的接收。　１．３数据保存读取模块　本模块主要实现将接收到的实时ＧＰＳ数据、ＤＡＵ声学　测距数据嗍等进行保存，同时还需要将一些中间结果及最终　结果进行保存。如果需要，通过主程序可以打开以前的始源　数据进行回放和事后分析。　２水下定位系统的算法分析　定位算法模块主要是利用通信模块过来的ＧＰＳ坐标数　据和从ＤＡＵ过来的声学测距数据，采用代数方程处理方法，　精确求解目标防伪坐标。在求解目标方位坐标时，充分考虑　系统特点，采用多种补偿方法抵消系统的固定误差。具体算　法叙述如下：　当一个应答器有４个回应的时候，软件开始计算应答器　的位置。假设４个点对应的直角坐标分别是（　，Ｙ－），（　２，　），　（奶，Ｙ３），（　，Ｙ４），它们对应的ＤＡＵ测距分别是ｄ－，ｄ２，ｄ３，ｄ４。设　应答器的坐标是（　，Ｙ），先利用前两个点计算应答器的位置：　依据方程组：　ｆ（Ｘｌ　）　＋（　Ｉ－ｙ）Ｚ＝－ｄｌ　【（　２．　）　＋（ｙ２＿＿ｙ）２＝ｄ２２　就可以计算出一个应答器的位置，然后分别利用第１点　和第３点，第１点和第４点，第２点和第３点，第２点和第４　点，第３点和第４点的值计算出应答器的坐标位置，这样就　总共有６个应答器的坐标位置值，若这６个值中有没有解的　情况，则去掉该结果，然后取平均值，就可以得到一个应答器　的位置坐标。当有第５个点回应的时候，用第２个点，第３个　点，第４个点，第５个点又计算出应答器的位置，依次不断更　新，最后结束后用聚类算法对解算得到的点进行处理，就可　以得到计算的应答器的最后位置。　从ＧＰＳ接收到的是经度信息和纬度信息，也就是我们通　－４８－　常所说的空间大地坐标系（如图３所示），而我们在定位计算　的时候用到的是直角坐标，也就是通常所说的站心切平面坐　标，所以要进行这两个坐标之间的转换。他们之间转换的时　候要经过一个空间直角坐标系（（如图４所示）。它们的定义　如下所示。　

图３空间大地坐标系　Ｆｉｇ．３　Ｓｐａｃｅ　ｇｅｏｄｅｔｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ　

图４空间直角坐标系　Ｆｉｇ．４　Ｓｐａｔｉａｌ　ｃａｒｔｅｓｉａｎ　ＧＰＳ坐标到站心切平面坐标（直角坐标）　ＧＰＳ坐标到直角坐标的转换要先把ＧＰＳ坐标转换成空　问直角坐标，然后把空间直角坐标转换成站心切平面坐标　（如图５所示），（即通常所说的直角坐标）。　

图５站心切平面坐标　Ｆｉｇ．５　Ｓｔａｔｉｏｎ　ｅａｇｅｒ　ｐｌａｎｅ　空间大地坐标到空间直角坐标的转换公式：　

Ｘ＝（Ｎ＋Ｈ）ｃｏｓＢｘｃｏｓＬ　ｙ＝（Ⅳ＋Ｈ）ｃｏｓＢｘｓｉｎＬ　［Ⅳ（１　）柑】ｓｉｎＢ　（２）　式中：曰，　，日——椭球面上的大地纬度，大地经度和大地　高；　，ｙ，Ｚ＿一空间直角坐标；　空间直角坐标到站心切平面坐标的转换公式：　

ｆ　１　ｆ—ｓｉｎＢｏ　—ｓｉｎ玩　ｃｏｓＢ０　１　ｌＹ　１＝ｌ－ｓｉｎＬｏ　ｃｏｓＢｏ　０　Ｉ　Ｊ【ｃｏｓＢｏｃｏｓＬｏ　ｃｏｓＢｏｓｉｎＬｏ　ｓｉｎＢｏ』　张建平　水下二次定位系统的定位算法研究　ｆ　—　ｏ　１　｛ｙ—ｙ。Ｊ　（３）　【２　Ｊ　式中，（曰。，Ｊ已。）为测站点（也就是通常所说的基准点）的大　地纬度和大地经度，（　ｏ，ｙｏ，Ｚ０）为测站点的空间直角坐标。　这样通过上面两步的坐标转换，就把一点的ＧＰＳ坐标值　转换成了站心切平面坐标。　站心切平面坐标（直角坐标）到ＧＰＳ坐标的转换　。　直角坐标到ＧＰＳ坐标的转换先要把直角坐标转换成空　间直角坐标，然后把空间直角坐标转换成为ＧＰＳ坐标。　直角坐标到空间直角坐标的转换：　ｆ　０¨一ｓｉｎＢ０　ｅｏｓＬｏ—ｓｉｎＬ０　ｃｏｓＢ０　ｃｏｓＬ０　１　ｌ　ｙ—Ｙ０　ｌ＝ｌ—ｓｉｎＢｏｓｉｎＬ０　ｃｏｓｆ０　ｃｏｓＢｏｓｉｎＬ０　ｌ　ｌｚ－ｚ０　Ｊ　ｌ　ｃｏｓＢｏ　０　ｓｉｎＢｏ　Ｊ　（４）　式中，（曰ｏ，　ｏ）为测站点（也就是通常所说的基准点）的大　地纬度和大地经度，（　ｏ，ｙｏ，ｚ０）为测站点的空间直角坐标。　空间直角坐标到ＧＰＳ坐标的转换：　Ｌ＝ａｒｃｔａｎ（　）　胁ｒｃｔａｎ（而　）　（５）　日　（１－Ｅ　）　式中：曰，　，　一椭球面上的大地纬度，大地经度和大地　高；　，ｙ，　空间直角坐标；这样通过上面两步的坐标转换，　就把一点的站心切平面坐标（直角坐标）转换成了ＧＰＳ坐标。　最后，为了消除一些突发性错误而带来的毛刺影响，采　用了聚类方法对定位结果进行了处理，以提高算法精度，最　后结果保存显示。　３结　论　算法的主控软件采用ｖｉｓｕａｌｂａｓｉｃ开发，软件通过采用ｖｂ　程序编写，数据库应用ａｃｅｓｓ数据库，算法的编写测试已经通　过，可以在实际中广泛应用于思坦水声定位系统，可提供高　效及精确的水下定位，可应用于地震勘探并修正水下检波器　的位置从而提高地震仪成像精度，因此可应用于海底地质、　石油、天然气等勘探。　参考文献：　【１】吕双，徐维秀，杨晶，等．基于直达波的二次定位软件开发　及应用［Ｊ】．内蒙古石油化工，２０ｌ１（６）：１７－２１．　ＬＵ　Ｓｈｕａｎｇ，ＸＵ　Ｗｅｉ－ｘｉｕ，ＹＡＮＧ　Ｊｉｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｌｏｃａｔｉｏｎ－ｂａｓｅｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｒｅｃｔ　ｗａｖｅ［Ｊ】．　Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔ￣，２０１１（６）：ｌ７—２１．　［２］孟丽莎．无线传感器网络测距定位求精算法的研究【Ｄ】．大　连：大连理工大学，２０１２．　【３】周伟，来鸿飞，刘忠．水下无线传感器网络的节点精确定　位【Ｊ］．指挥控制与仿真，２００７（１）：５０－５２，５５．　ＺＨＯＵ　Ｗｅｉ，ＬＡＩ　Ｈｏｎｇ－ｆｅｉ，ＬＩＵ　Ｚｈｏｎｇ．Ｎｏｄｅ　ｐｉｎｐｏｉｎｔ　ｕｎｄｅｒ－　ｗａｔｅｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ１．Ｃｏｍｍａｎｄ　ＣｏｎｔｒｏＩ＆Ｓｉｒｅ－　ｕｌ￣ｉｏｎ，２００７（１）：５０－５２，５５．　［４］王利朋．ＡＵＶ水下对接定位技术研究［Ｄ］．大连：大连海事　大学，２０１２．　【５】陈信．ＧＰＳ数据的坐标变换［Ｊ］．大众科技，２００５（７）：６９－７０．　ＣＨＥＮ　Ｘｉｎ．Ｃ　ＰＳ　ｄａｔａ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｃｈｅｎ　Ｈｓｉｎ　Ｐｏｐｕｌａｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００５（７）：６９—７０．　［６】吴永亭，周兴华，杨龙．水下声学定位系统及其应用［Ｊ］．海　洋测绘，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】梁发菊，万国峰．无线传感器网络加权垂直平分线定位算　法［Ｊ］．工业仪表与自动化装置，２０１５（２）：６９－７２．　ＬＩＡＮＧ　Ｆａｊｕ，ＷＡＮ　Ｇｕｏｆｅｎｇ．Ｗｅｉｇｈｔｅｄ　ｍｉｄｎｏｒｍａｌ－ｂａｓｅｄ　ｌｏｃａｌｉｚ￣ｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ【Ｊ】．　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，２０１５（２）：６９—７２．