第2章短基线水声定位系统SBL.ppt

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1、2023-11-1412023-11-142n 由定位方程进行定位解算的方法由定位方程进行定位解算的方法n 定位误差的分析定位误差的分析n 基阵校准与水下姿态修正基阵校准与水下姿态修正n 距离模糊问题（定位系统存在的普遍问题）距离模糊问题（定位系统存在的普遍问题）2023-11-143是安装在船上的发射器和接收器。它以一个频率发出询问信号，并以另一频率接收回答信号。接收频率可以多个，对应于多个应答器，常常只相隔0.5kHz。发射和接收换能器是无指向性的。是置于海底或装在载体上的发射/接收器。它接收问答机的询问信号（或指令），发回另一与接收频率不同的回答信号。收发换能器无指向性的。问答器：先发后

2、收，发射器和接收器可在一起也可分开。应答器：先收后发，发射和接收共用一个换能器。注意：问答器和应答器的区别。注意：问答器和应答器的区别。置于海底或装在水下载体（潜器）上的发射器，它以特定频率不停的发出声脉冲。它是自主工作的。声信标分同步式和非同步式两种。置于海底或装在水下载体（潜器）上的发射器，它由外部硬件（如控制线）的控制信号触发，发出询问信号。问答机或其它水听器接收它的信号。它常用于噪声较强的场合。n 询问器或问答机（询问器或问答机（Interogator）n 应答器（应答器（Transponder）n 声信标（声信标（Beacon或或Pinger）n 响应器（响应器（Responder）

3、2023-11-144n 被定位的船或被定位的船或潜器上至少有潜器上至少有3个水听器。个水听器。n 间距在间距在520米的量级。米的量级。n 水面船上面装水面船上面装有问答机有问答机n 一个同步信标一个同步信标（或应答器）（或应答器）置于海底置于海底n 问答机接收来自信标（或应答器）发出的信号，根据问答机接收来自信标（或应答器）发出的信号，根据信号到达各基元的时间，求得斜距，据此可计算水面信号到达各基元的时间，求得斜距，据此可计算水面船相对于信标（或应答器）的位置。船相对于信标（或应答器）的位置。2023-11-145 2023-11-146n 有无其它的信号形式？有无其它的信号形式？n 有无

4、其它的测时方法？效果如何？有无其它的测时方法？效果如何？n 采用常规脉冲包络检波和相对到达时间测量方法。采用常规脉冲包络检波和相对到达时间测量方法。n 一般在长基线和超短基线系统之间。一般在长基线和超短基线系统之间。n 水听器需要安装在载体的不同位置，有些水听器有时不水听器需要安装在载体的不同位置，有些水听器有时不可避免地会处于噪声较大的位置，从而影响定位效果。可避免地会处于噪声较大的位置，从而影响定位效果。2023-11-147n 用信标定位的目的：要知道船或目标（应答用信标定位的目的：要知道船或目标（应答器）的大地位置，首先需要知道船与信标的器）的大地位置，首先需要知道船与信标的相对位置。

5、相对位置。n 定位条件：船上只需定位条件：船上只需3只接收器只接收器n 设要求解的船的坐标是：设要求解的船的坐标是：x、y、z，信号的为信号的为x，已知，已知信标深度为信标深度为Z、两换能器的间距分别、两换能器的间距分别为为D1、D2，测得两两水听器接收信号的时延，测得两两水听器接收信号的时延差。差。n 可用通过几何关系可列出它们之间的关系方可用通过几何关系可列出它们之间的关系方程。程。2023-11-148n 通过测量两两水听器接收信号的时间差，确定信标相对通过测量两两水听器接收信号的时间差，确定信标相对水面船的距离。水面船的距离。o 由于使用的是非同步信标，只能利用由于使用的是非同步信标，

6、只能利用进行测向，进行测向，在进行定位。在进行定位。n 利用几何关系建立利用几何关系建立。n 解方程，确定水面船的相对信标的位置。解方程，确定水面船的相对信标的位置。n 根据信标的绝对位置，确定水面船的位置坐标。根据信标的绝对位置，确定水面船的位置坐标。2023-11-149 H3 H1 H2 D1 D2 y x H3 H1 R3 R1 x z x x xxzxtanR1dR1313ctctRRdRxDsin1Xxx为沿为沿x轴的轴的两个水听器的两个水听器的信号入射角信号入射角 A EDB C2023-11-1410 当船在信标上方附近时，当船在信标上方附近时，X X很小，有很小，有 。因此有

7、。因此有131)(ttdt122)(ttdt111/)(/sinDdtcDdRxxzxtan11/)(Ddtczx22/)(Ddtczyxxsintan2023-11-1411n 只有问答机发出询问信号时，应答器才回答。无询问只有问答机发出询问信号时，应答器才回答。无询问信号时，它保持安静，使电池寿命得以延长；信号时，它保持安静，使电池寿命得以延长；n 可利用绝对往返时间求解，不需要简化假设。使用非可利用绝对往返时间求解，不需要简化假设。使用非同步信标方式，只能利用时差，不得不作假设；同步信标方式，只能利用时差，不得不作假设；n 可以编程询问，按需要调整数据速率。在多个应答器可以编程询问，按需

8、要调整数据速率。在多个应答器的情况下，可在时间上调整询问，避免回答重叠；的情况下，可在时间上调整询问，避免回答重叠；n 因询问时刻已知，可用时间窗接收，从而降低虚警并因询问时刻已知，可用时间窗接收，从而降低虚警并减小多途回波的干扰；减小多途回波的干扰；n 在两个问答机和两个应答器的情况，有可能根据几何在两个问答机和两个应答器的情况，有可能根据几何关系确定最佳可视范围。关系确定最佳可视范围。2023-11-14122023-11-1413),(zyxT),(zyxT2023-11-1414xy应答器应答器PR1R2H1H2H3H4R3R4T T（x，y，z）22221)()(zbyaxR2222

9、2)()(zbyaxR22223)()(zbyaxR22224)()(zbyaxR(a,-b)(-a,-b)(a,b)(-a,b)2023-11-1415axRR42123axRR42224byRR42221byRR42423aRRRRx8)()(22242123bRRRRy8)()(242322212/122211)()(byaxRz2/122222)()(byaxRz2/122233)()(byaxRz2/122244)()(byaxRz44321zzzzz2023-11-1416aRRx4)(2123bRRy4)(22213321zzzzn 在船中心只有一个发射器（不是问答器）时，应在船

10、中心只有一个发射器（不是问答器）时，应答器到各水听器的距离可用各信号的往返距离的答器到各水听器的距离可用各信号的往返距离的1/2代替。代替。n 若采用若采用，则容易通过它得到船中心（发射，则容易通过它得到船中心（发射器位置）与应答器的距离，从而得到应答器到各器位置）与应答器的距离，从而得到应答器到各水听器的距离。水听器的距离。2023-11-1417xy应答器应答器PR1R2H1H2H3H4R3R4T2/04cTR 141ctRR)2(20101411TtccTctRctR)2(200TtccTctRiii2023-11-1418n船有纵摇（船有纵摇（pitch在船的在船的XZ平面内）、横摇平

11、面内）、横摇（roll在在YZ平面内）平面内）n测量是以基阵坐标系进行的测量是以基阵坐标系进行的 n 进行坐标变换进行坐标变换n 什么是坐标变换什么是坐标变换o 将测量坐标系（如基阵坐标系）下将测量坐标系（如基阵坐标系）下测量的目标位置或者说目标的坐标（视测量的目标位置或者说目标的坐标（视在坐标）转换到另一个坐标系（如船坐标系、大地坐标系），即求在坐标）转换到另一个坐标系（如船坐标系、大地坐标系），即求出目标在新的坐标系下的坐标。出目标在新的坐标系下的坐标。n 将基阵坐标系下的目标位置转换为大地坐标系下的坐标将基阵坐标系下的目标位置转换为大地坐标系下的坐标需要：基阵坐标系需要：基阵坐标系船坐标

12、系（经摇摆修正后）船坐标系（经摇摆修正后）大地大地坐标系。坐标系。XYZXYZXYZ2023-11-1419n船有纵摇（船有纵摇（pitch在船的在船的XZ平面内）、横摇平面内）、横摇（roll在在YZ平面内）平面内）n测量是以基阵坐标系进行的测量是以基阵坐标系进行的 n 水听器、基阵坐标系与船坐标系是一致运动的水听器、基阵坐标系与船坐标系是一致运动的o 阵坐标系与船坐标系原点重合阵坐标系与船坐标系原点重合o 只要作坐标旋转变换只要作坐标旋转变换n 水听器、基阵的坐标轴是平行的水听器、基阵的坐标轴是平行的o 阵坐标系与船坐标系阵坐标系与船坐标系XY平面平行平面平行o 只要作坐标平移变换只要作坐

13、标平移变换n 水听器、基阵坐标系与船坐标系是任意情况水听器、基阵坐标系与船坐标系是任意情况 o 先坐标平移，再旋转，或先旋转再平移先坐标平移，再旋转，或先旋转再平移XYZXYZXYZXYZ2023-11-14202023-11-1421n 1)假定基阵坐标系与船坐标系的坐标轴是平行的，假定基阵坐标系与船坐标系的坐标轴是平行的，只是两个坐标系的中心点不同。只是两个坐标系的中心点不同。n 2)先考虑二维的情况。先考虑二维的情况。n 3）第一步进行坐标平移。）第一步进行坐标平移。n 4）第二步进行坐标旋转。）第二步进行坐标旋转。)()(00ZZZXXXaaaaPaPavZZXXPMTPXsin)(c

14、os)(00PaPavconZZXXMNONZ)(sin)(00设基阵一个平面的坐标系为设基阵一个平面的坐标系为，测得的海底应答器在此坐标系的，测得的海底应答器在此坐标系的视在坐标为视在坐标为 。船的坐标系。船的坐标系为为 （已转动过的），应答（已转动过的），应答器在此坐标系中的坐标为器在此坐标系中的坐标为 。两个坐标系的偏移量为两个坐标系的偏移量为 。AAAZOXaaZX,AAAZOXaaZX,00,ZX2023-11-1422应答器应答器T应答器NQMPZa基阵坐标系下测得应基阵坐标系下测得应答器的位置为答器的位置为aaZX,船坐标系，应答船坐标系，应答器的位置为器的位置为aaZX,两个坐

15、标系两个坐标系的偏移量为的偏移量为 旋转到旋转到XVOZV坐标系坐标系00 ZZZXXXaaaaPaPavZZXXPMTPXsin)(cos)(00PaPavXXconZZMNONZsin)()(00Xa基阵坐标系船坐标系XVYV2023-11-1423写成矩阵形式有写成矩阵形式有n 5)把把y轴的横滚角加上，就可得到轴的横滚角加上，就可得到矩阵表示先平移到船坐标系，然后以矩阵表示先平移到船坐标系，然后以X轴为轴旋转，轴为轴旋转，得到的结果再以得到的结果再以Y轴为轴旋转，便可得到对纵横摇的轴为轴旋转，便可得到对纵横摇的修正结果修正结果。PaPavZZXXPMTPXsin)(cos)(00PaP

16、avconZZXXMNONZ)(sin)(0000cossinsincosZZXXZXaappppvv000cossin0sincos0001cos0sin010sin0cosZZYYXXZYXaaarrrrppppvvv2023-11-1424n 应用背景应用背景o 要测量、定位的目标是什么？要测量、定位的目标是什么？o 系统的作用距离、定位精度要求是什么？系统的作用距离、定位精度要求是什么？o 确定采用确定采用SBL、SSBL、LBL那种定位系统。那种定位系统。n 基线的阵形？需要几个水听器（基元）？基线的阵形？需要几个水听器（基元）？n 定位解算方程定位解算方程n 定位精度定位精度o 误差有多大？与什么参数有关？误差有多大？与什么参数有关？o 目的：寻求提高定位精度的方法。目的：寻求提高定位精度的方法。2023-11-1425n 应用背景应用背景n 基线的阵形？需要几个水听器（基元）？基线的阵形？需要几个水听器（基元）？n 定位解算方程定位解算方程n 定位精度定位精度n 实际使用中还有哪些问题？如何解决？实际使用中还有哪些问题？如何解决？o 基阵的安装，安装误差如何修正？基阵的安