超短基线水声定位系统
第3章超短基线水声定位系统
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
超短基线水声定位系统相位差解模糊算法研究
超短基线水声定位系统相位差解模糊算法研究王燕;李晴;张光普;梁国龙;马世龙【摘要】基于窄带信号的超短基线水声定位系统通常面临相位差模糊与定位精度之间的矛盾.针对信号频率较高时难以构造传统解模糊方法所需的小于信号半波长阵元间距的问题,提出了一种基于广义最大似然准则的相位差解模糊算法.该算法通过模糊数向量初始化将解模糊问题转化为多元复合假设检验问题,并采用广义最大似然准则判决,进而估计信号方向.该算法无需构造小于半波长的阵元间距,有效扩大了无模糊阵列孔径,且对阵元布放方式要求较低;允分利用了相位差观测数据的统计特性,测向精度接近克拉美-罗界.仿真结果验证了该算法的有效性.%Ultra-short baseline (USBL) underwater acoustic positioning systems utilizing narrow band signals are always confronted with the contradiction between phase-difference ambiguity and positioning accuracy.When the signal frequency is high,it is difficult to construct an array with an interval less than a half-wavelength which is always employed in traditional ambiguity resolution technique.Aiming at this problem,a phase-difference ambiguity resolution method based on the generalized maximum likelihood (GML) rule is proposed.Firstly,with vectors of the ambiguity integers initialized,the ambiguity resolution problem is formulated as problem of multiple composite hypothesis testing.Then decision can be made through the GML rule and direction of arrival is obtained.With inter-sensor spacing exceeding half the wavelength,the proposed method effectively extends the unambiguous array aperture and constraint on array configuration is easy to be met.Additionally,under full consideration of the statisticalcharacteristics of observation data,accuracy of direction estimation approaches the Cramer-Rao bound.Simulation results verify the effectiveness of the proposed method.【期刊名称】《电子学报》【年(卷),期】2017(045)011【总页数】8页(P2787-2794)【关键词】相位差模糊;测向;多元复合假设检验;超短基线定位【作者】王燕;李晴;张光普;梁国龙;马世龙【作者单位】哈尔滨工程大学水声技术重点实验室,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学水声工程学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学水声技术重点实验室,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学水声工程学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学水声技术重点实验室,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学水声工程学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学水声技术重点实验室,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学水声工程学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学水声技术重点实验室,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学水声工程学院,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TN911.7信号波达方向(Direction of Arrival,DOA)估计在雷达、声纳、通信等军事及民用领域具有重要的应用价值[1～3].超短基线水声定位系统通过测量接收基元间的相位差估计信号波达方向从而实现对水下目标的定位[4].当阵元间距大于信号半波长时，测量相位差可能与真实相位差相差2π的整数倍，称之为相位差模糊，该倍数称为模糊数，求解模糊数的过程则称为解模糊.相位差解模糊是超短基线系统实现准确定位的关键问题.工程应用中通常利用小于半波长的较短基线与较长基线相结合的方式消除相位差模糊.测量误差一定时，其性能随较长基线与较短基线长度之比增大而降低.此外，信号频率较高时，考虑到遮挡与耦合问题，可能难以实现半波长间距的阵元配置.通过构造多元非均匀阵列，利用多条基线的长度关系可以实现相位差解模糊[5～7]，且最小阵元间距可以超过半波长.基于余数定理法[8]理论上可以直接求得最长基线的模糊数，但是要求基线长度两两互质，且对噪声敏感.逐次解模糊法[9,10]通过构造小于半波长的虚拟基线得到无模糊的二次相位差，从而逐步求解其它基线的模糊数，通常只适用于特定的阵型，且解模糊性能受相位差误差及各基线长度之比影响较大.多组比值解模糊法[11]先利用相邻基线的长度比求解可能的模糊数组合，再得到一组公共的模糊数，其性能受相邻基线长度的最大公因子大小的影响.相关搜索法[12,13]建立理论参考数据与测量相位差之间的相似性代价函数，并通过网格搜索的方法选取使代价函数最小的角度作为信号入射方向.当网格划分较大时，容易产生理论数据与实际相位差的失配，从而导致解模糊失败；而网格划分较小时，所需要的存储空间及运算量增大，算法效率降低.另外，现有的多基线解模糊方法通常将基线间相位差测量误差看作统计独立的，测向结果通常是利用最长基线或一部分基线估计得到的，估计精度具有局限性.文献[14]中考虑了相位差测量误差之间的相关性并采用最小二乘方法估计波达角度，但并未考虑相位差模糊问题.本文利用相位差测量误差的统计特性将相位差解模糊问题转化为多元复合假设检验问题，并提出了基于广义最大似然准则的解模糊方法.该方法以最长基线测量相位差为基准进行模糊数向量初始化，减少了多维整数搜索的次数.文中推导了波达角的可观测条件并对其估计精度进行了理论分析.该算法有效增大了无模糊阵列孔径，且对阵型要求较低，充分利用了相位差观测数据，可以实现对信号方向的高精度估计.超短基线系统定位原理[15]如图1所示，三个阵元位于两条互相垂直的基线上，基线长度均为d，阵元1位于坐标原点处.设目标位于S0处，其水平位置坐标为[x,y]T，测量得到目标与阵元1间的斜距为R，则其中，αx和αy分别为目标位置矢量与x轴和y轴的夹角.S′为S0在xoy平面上的投影，其位置矢量与x轴的夹角αS0为目标水平方位角，且αx和αy可以通过分别测量信号到达阵元1和阵元2间的相位差φ12以及阵元1和阵元3间的相位差φ13得到，即其中，κ=为信号波数，λ=为信号波长，f0为信号频率，c为水中声速.可见，准确测量信号波达角αx和αy对提高超短基线系统定位精度具有重要意义.增大阵元间距通常有利于提高波达角估计精度，但是当d>时，测量相位差可能会出现2π模糊，即产生相位差模糊问题.相位差模糊会进一步导致定位模糊，因此，解模糊测向是超短基线系统实现准确定位的关键问题，本文重点针对此问题展开研究.考虑到两组阵元波达角估计过程相对独立，为了便于分析，下面均以一组阵元为模型进行相位差模糊问题的描述及解模糊算法的研究.不失一般性，考虑由阵元1和阵元2构成的二元阵列，两阵元间相位差为其中，α∈[0,π]为信号入射方向与x轴正方向的夹角.设测量相位差为ψ∈(-π,π]，则其中，δ为相位差测量误差，整数k为模糊数，k=0,±1,±2….由式(6)可见，当d>时，相位差模糊问题导致测量相位差ψ与多个可能的信号入射方向对应，但是只有真实模糊数对应的角度为波达角α的估计值.解模糊的目的就是通过求得真实模糊数，对测量相位差进行补偿从而得到无模糊的相位差，进而估计信号的入射角度.3.1 理论模型在间距大于半波长的双阵元之间加入(M-2)个辅助阵元，形成M元非均匀线列阵，且阵元间距最小值超过半波长.以第M个阵元为基准，形成N=M-1条基线，如图2所示，基线长度分别为d1,d2,…,dN.对于第n条基线，有其中，φn=κdncosα为相位差真值，δn为第n个阵元和参考阵元间的相位差测量误差，δn=εn-εM，εn和εM分别为第n个阵元和参考阵元的相位测量误差.假设不同阵元的相位测量误差统计独立，且均服从方差为σ2的零均值高斯分布，即εn～N(0,σ2)，n=1,2,…,M，则其中N.设各条基线测量相位差向量为X=[ψ1,ψ2,…,ψN]T，信号入射角度余弦值为β=cosα，模糊数向量k=[k1,k2,…,kN]T，则观测数据可以写成如下形式其中，L=[κd1,κd2,…,κdN]T，δ=[δ1,δ2,…,δN]T为相位差测量误差向量，其协方差矩阵为C，即δ～N(0,C)，其中，C=σ2C0，C0=I+UUT，I为N×N阶单位矩阵，U为元素均为1的N×1维向量.由式(8)可见，阵列的一组相位差观测量对应多种可能的模糊数向量，但是只有一个真实模糊数向量对应的角度为信号真实方向的估计值.因此，问题的关键在于如何从多个可能的模糊数向量中判别出真实模糊数向量.本文将解模糊问题转化为多元复合假设检验问题，将各个可能的模糊数向量与不同的假设条件对应，判决真实模糊数向量对应的假设为真则实现了正确解模糊.3.2 模糊数向量初始化理论上可以通过多维整数搜索获得所有的模糊数向量，但是这样得到的模糊数向量存在大量的冗余，极大地增加了后续假设检验问题求解的复杂度.下面，在充分挖掘相位差观测数据中隐含的信号入射角度信息的基础上，给出本文模糊数向量的初始化方法.由式(7)可得图2中阵列最长基线的模糊数k1的表达式为其中为最长基线的无模糊相位差，相位差真值φ1∈[-κd1,κd1].当时，k1的可能取值集合为为整数集，对应的可能取值构成集合}.可见，由集合Sψ={ψ1}到Sφ为一对多映射，记为算子f:Sψ→Sφ.当信号入射方向靠近阵列轴向时，相位差真值φ1趋近于其取值范围的边界.受测量误差的影响，实际值可能超过边界，即∉[-κd1,κd1].而Sφ中元素均在[-κd1,κd1]范围内，则当超过边界时，Sφ中没有与φ1相对应的元素.针对此问题，本文将φ1取值范围的边界值作为其合理估计对Sφ进行补充，设估计误差为则|.设补充相位差集合为则其中和分别为集合Sφ中元素的最大值和最小值，门限γ满足γ≤2π-δmax，δmax为相位差测量误差的最大值，且|δn|≤δmax，n=1,2,…,N.关于门限γ的取值，下文将给出更进一步的说明.至此得到补充后的离散相位差集合且对于中均包含与相位差真值φ1相对应的元素，将其记为则且设的基数为由中的元素对各基线的模糊数进行估计其中，[·]表示取整，则一共得到Q个模糊数向量Q.由于需要通过后续的多元假设检验从这Q个向量中判别出真实模糊数向量进而解模糊，因此能够实现正确解模糊的前提是这组向量中包括真实模糊数向量，又中的元素与相位差真值相对应，则要求通过可以求得各基线的真实模糊数.将的表达式代入式(11)，并结合式(7)可得其中，kn为第n条基线的真实模糊数，φ1dn=φnd1，则需满足由于δn≤δmax，则相位差测量误差的最大值需满足δmax<πd1/(d1+dn).又dn≤d1，则当δmax<π/2时，可以由求得各基线的真实模糊数，从而得到真实模糊数向量kt=[k1,k2,…,kN]t.式(10)中，对Sφ进行补充的门限需满足γ≤2π-δmax，因此，当δmax<π/2时，只需使门限值γ≤3π/2即可确保中包含并且由求得kt=k.综上，当相位差测量误差最大值满足δmax<π/2时，通过上述初始化方法可以得到Q个模糊数向量且其中包括真实模糊数向量.下面通过构建多元复合假设检验模型对这组向量中的真实模糊数向量进行判别，从而实现解模糊.3.3 多元复合假设检验模型的构建及算法实现考虑(N+2)×1维参数矢量的复合假设检验问题，其中θr=k是N×1维的模糊数向量，θs=[β,σ2]T是2×1维未知的非随机参数向量，β=cosα为信号入射角度余弦值，σ2为相位测量误差方差，本文算法无需相位测量误差方差的先验信息.概率密度函数以θ为参数，可以表示为p(X;θ)=p(X;k,θs).假设检验是对于式(14)中含有未知参量的多元假设检验问题，根据广义最大似然准则[16]，如果当q=t是最大时判Ht，其中是θs在Hq条件下的最大似然估计(Maximum Likelihood Estimation，MLE)，可以通过使p(X;kq,θs|Hq)关于θs最大而求得.Hq条件下的概率密度函数为首先，通过使p(X;kq,β,σ2|Hq)关于β最大求取对数似然函数关于β的导数，并令它等于零，得σ2在Hq条件下的MLE是通过使关于σ2最大而求得的，令Xq=X+2πkq，有其中，则根据式(15)，有忽略常数项，再乘以-1，我们有因此，如果当q=t时，式(21)最小，则判Ht为真，而使式(21)达到最小等价于使Aq达到最小，因此最终的检验统计量简化为Aq，判决准则为如果当q=t时，Aq 最小，则判Ht为真，对应的为信号入射角余弦MLE.考虑到信号入射方向靠近阵列轴向时，实际无模糊相位差受噪声影响存在超过边界的问题，可能有∉-1,1，因此进行如下处理则波达角估计值为综上所述，基于广义最大似然准则的相位差解模糊算法的具体实现步骤总结如下:(1)根据算子f求得集合Sφ，并由式(10)求得集合进而得到(2)根据式(11)，由集合中的元素对各基线的模糊数进行估计，从而对模糊数向量进行初始化.(3)利用第(2)步得到的模糊数向量构建多元复合假设检验模型，计算各个假设条件下的检验统计量，如式(19)所示，并判决使其最小的假设Ht为真.最后由式(22)修正得到角度估计值4.1 波达角可观测性分析首先给出本文算法在[0,π]范围内角度估计无模糊，即波达角可观测的条件.设图2中N条基线的长度为dn=d0Pn，且d1>d2>…>dN，其中，d0为正有理数，Pn 为正整数，则波达角可观测需要满足以下条件：(1) P1,P2,…,PN的最大公因子为1，记为GCD(P1,P2,…,PN)=1，即P1,P2,…,PN为最大公因子为1的递减互异正整数.(2)d0<.证明如下：不考虑噪声的干扰，在假设条件Hq和Ht下分别可以得到其中，X0为(-π,π]区间内的相位差真值向量和分别为两个假设下β的MLE，且和et分别为对应的估计偏差向量.设kt为真实模糊数向量，则et=0，对应的检验统计量At=0.由式(23)及式(24)可得Hq条件下检验统计量为其中如果对于Aq，q=1,2,…,Q，且q≠t，均有Aq>At，则本文算法可以实现对波达角的无模糊估计.相反地，如果存在Aq，q≠t，使得Aq=At=0，则产生角度估计模糊，此时根据式(25)，有ρL=2πΔ，对其整理可得其中，γ0=ρd0/λ.当GCD(P1,P2,…,PN)=1时，式(26)成立需满足，γ0≥1，即ρ≥λ/d0.又ρ≤2，则有d0≥λ/2，这与d0<λ/2相矛盾，因此当GCD(P1,P2,…,PN)=1且d0<λ/2时不会产生模糊.余数定理法解模糊[8]要求P1,P2,…,PN两两互素，即GCD(Pi,Pj)=1，i=1,2,…,N，j=1,2,…,N，且i≠j.逐级解模糊算法[9,10]需要构造间距差小于半波长的一组阵元对，且算法只适用于特定的阵型.与二者相比，本文算法对阵元分布的要求更加宽松，在实际应用中更容易达到，且算法通用性较强.4.2 波达角估计精度分析设无模糊相位差向量则且X′的联合概率密度函数为则X′的Fisher信息为可得波达角估计克拉美-罗界(Cramer-Rao Bound,CRB)为其中，σα为标准差下界.由式(17)可得本文算法方向余弦的均方误差(Mean Square Error，MSE)为又则其中为式(30)中真实角度α的估计.结合式(30)和式(32)可见，在一定相位差测量误差条件下，本文算法的角度估计均方误差近似于CRB.因此，与传统构造小于半波长阵元间距的解模糊测向方法相比，本文算法有效增大了无模糊阵列孔径，且考虑了相位差测量误差之间的相关性，充分利用了所有基线的观测数据，波达角估计精度更高.为了验证本文算法的解模糊测向性能，采用Monte Carlo重复试验统计正确解模糊概率及测向误差.设Monte Carlo试验次数为NMC，仿真中NMC=10000.将求得的各基线模糊数等于对应的真实模糊数称为正确解模糊，则正确解模糊概率是指正确解模糊的次数与NMC之比.角度估计均方根误差(Root Mean Square Error，RMSE)为其中为单次仿真的波达角估计值.场景条件如下：信号为CW脉冲，频率f0=75kHz，水中声速c=1500m/s，信号波长λ=0.02m.参照文献[9]中逐级法的要求设计五元直线阵，以最右侧阵元为参考，基线长度向量d=[45d0,33d0,18d0,4d0]T，其中d0=λ/5，则基线长度比为P1:P2:P3:P4=45:33:18:4，容易验证该阵元布放方式满足本文算法的波达角可观测性条件，且阵元间距超过半波长.5.1 不同相位差测量误差下性能比较统计信号入射角度α=50°，相位差测量误差标准差σδ∈[0°,30°]条件下不同算法的正确解模糊概率及测向均方根误差，结果如图3所示.图例中，“逐级”表示逐级解模糊算法[9]仿真结果，“比值”表示比值解模糊算法[11]仿真结果，“搜索”表示相关搜索算法[12]仿真结果，其角度搜索范围[0,π]，步长为0.1°，“本文”表示本文算法仿真结果，其补充相位差门限取γ=.由图3(a)可见，当σδ≤5°时，逐级法解模糊概率可达到1，与文献[9]中给出的正确解模糊的条件δmax<π/(2kv+2)相符，其中相邻两级虚拟基线长度比值kv=3.对于比值法，当δmax<min[GCD(Pn,Pn+1)π/(Pn+Pn+1)]，n=1,2,3时，即δmax<π/26时才能够正确解模糊，因此当σδ=5°时，其正确解模糊概率已经小于1.而本文算法与搜索法在σδ≤15°条件下均可以100%正确解模糊，且随着σδ的增大，正确概率明显高于逐级法和比值法.与相关搜索法相比，本文算法充分利用测量相位差中的信号方向信息对模糊数向量进行初始化，减少了多维整数搜索的次数，且无需进行网格搜索，算法效率较高.图3(b)中并未给出比值法的测向精度，因为其正确解模糊概率随着相位差误差增大而急剧降低，得到的精度统计意义较小.逐级法的测向精度由最长基线长度决定.搜索法采用余弦函数形式的代价函数，不具有明确的物理意义.本文算法充分利用了相位差测量误差的统计特性，得到了波达角的最大似然估计，测向均方根误差低于逐级法及搜索法，σδ∈[0°,30°]条件下能够达到CRB.5.2 不同入射角下性能比较图4给出了σδ=30°，信号入射角度α在0°～180°范围内不同方法的正确解模糊概率及测向精度，其中，对逐级法及比值法也做了如式(22)所示的处理.由图4(a)可见，当σδ=30°时，比值法和逐级法正确解模糊概率分别约为0.1和0.5，而本文算法正确概率不低于0.93，远高于比值法和逐级法.图4(b)中，当信号靠近轴向入射时，搜索法正确概率明显下降，这是由于实际无模糊相位差超过边界造成真实角度对应的理论相位差与测量相位差失配，从而导致解模糊失败.本文算法在模糊数向量初始化时采用边界相位差对直接由最长基线相位差测量值周期展开得到的离散相位差集合进行了补偿，因此轴向附近正确解模糊概率没有明显下降. 由图4(c)及图4(d)可见，当α在0°～180°范围内时，本文算法测向精度始终高于逐级法及搜索法，且当α在20°～160°范围内时，本文算法测向均方根误差始终接近CRB.图4(c)中，当信号入射方向接近轴向时，测向误差显著增大.针对这种情况，图5给出了当目标位于xoy平面上，其水平方位角αS0在0°～180°范围内时，仅采用x轴上直线阵或y轴上直线阵估计αS0以及根据式(2)联合两条直线阵估计αS0的正确解模糊概率和估计均方根误差的统计结果.(αS0在180°～360°范围内的结果与图5相似，此处略去.)由图5(a)可见，由于两条线阵的解模糊过程相对独立，因此两条阵联合正确解模糊概率是分别采用一条阵的正确解模糊概率之积.由图5(b)可见，当目标水平方位角αS0在0°和180°附近，即信号入射方向在x轴附近时，仅采用位于x轴上的线阵估计αS0的误差显著增大.同理，当αS0在90°附近，即信号入射方向在y轴附近时，仅采用位于y轴上的线阵估计αS0的误差较大.而联合两条线阵估计αS0时对于不同的目标水平方位角，估计精度均较高.针对超短基线水声定位系统面临的相位差模糊问题，本文构建了多元复合假设检验模型，提出一种基于广义最大似然准则的相位差解模糊算法.对波达角可观测性及估计精度进行了理论分析，并进行了仿真验证.结果表明，该算法无需构造传统解模糊算法所需的小于半波长间距的阵列，有效扩大了无模糊阵列孔径，对阵元布放方式要求较低，算法通用性较高，能够有效消除相位差模糊.该算法利用相位差观测数据进行模糊数向量初始化，减少了多维整数搜索的次数，并且充分利用了相位差观测数据的统计特性，测向精度可接近CRB.与以往方法相比，相同条件下解模糊性能及测向精度均较高，且无需网格搜索.此外，虽然该算法是针对基于窄带信号的超短基线定位中存在的相位差模糊问题提出的，其基本思想也可扩展用于解决宽带超短基线定位中的相位差模糊问题，但具体处理过程需要根据实际应用条件进行适应性调整.篇幅所限本文不再展开叙述，相关问题将在后续工作中进行研究.王燕女，1973年生于辽宁沈阳.哈尔滨工程大学水声工程学院教授、博士生导师，主要研究方向为水声信号处理、水声工程、水声目标探测与定位.李晴女，1989年生于吉林农安.哈尔滨工程大学水声工程学院博士研究生，研究方向为水声信号处理、水声目标探测与定位.E-mail:******************张光普(通信作者) 男，1979年生于吉林四平.哈尔滨工程大学水声工程学院副教授、博士生导师，主要研究方向为水声定位与导航、矢量信号处理.E-mail:**********************.cn【相关文献】[1]Liu Z M,Guo F C.Azimuth and elevation estimation with rotating long-baseline interferometers[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2015,63(9):2405-2419.[2]Wu Y Q,Hu Z L,et al.Source number detectability by an acoustic vector sensor linear array and performance analysis[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2014,39(4):769-778.[3]Gorcin A,Arslan H.A two-antenna single RF front-end DOA estimation system for wireless communications signals [J].IEEE Transactions on Antennas andPropagation,2014,62(10):5321-5333.[4]韩云峰,李昭,等.一种基于长基线交汇的超短基线定位系统精度评价方法[J].物理学报,2015,64(9):094301,1-7.Han Yunfeng,Li Zhao,et al.A precision evaluation method of USBL positioning systems based on LBL triangulation[J].Acta Phys Sin,2015,64(9):094301,1-7.(in Chinese)[5]狄慧,刘渝,等.联合到达时间估计的长基线测向相位解模糊算法研究[J].电子学报,2013,41(3):496-501.Di Hui,Liu Yu,et al.Long baseline direction finding unwrapping phase ambiguity algorithm with TOA estimation [J].Acta Electronica Sinica,2013,41(3):496-501.(in Chinese)[6]Ballal T,Bleakley C J.Phase-difference ambiguity resolution for a single-frequency signal[J].IEEE Signal Processing Letters,2008,15:853-856.[7]Lee J H,Woo J M.Interferometer direction-finding system with improved DF accuracy using two different array configurations[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2015,14:719-722.[8]周亚强,皇甫堪.噪扰条件下数字式多基线相位干涉仪解模糊问题[J].通信学报,2005,26(8):16-21. Zhou Yaqiang,Huangfu Kan.Solving ambiguity problem of digitized multi-baseline interferometer under noisy circumstance[J].Journal on Communications,2005,26(8):16-21.(in Chinese)[9]龚享铱,皇甫堪,等.基于相位干涉仪阵列二次相位差的波达角估计算法研究[J].电子学报,2005,33(3):444-446.Gong Xiangyi,Huangfu Kan,et al.A new algorithm for estimation of direction of arrival based on the second-order difference of phase of interferometer array[J].Acta Electronica Sinica,2005,33(3):444-446.(in Chinese)[10]Ly P Q C,Elton S D,et al.Unambiguous AOA estimation using SODA interferometry for electronic surveillance[A].IEEE 7th Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop[C].Hoboken:IEEE Press,2012.277-280.[11]龚享铱,袁俊泉,等.基于相位干涉仪阵列多组解模糊的波达角估计算法研究[J].电子与信息学报,2006,28(1):55-59.Gong Xiangyi,Yuan Junquan ,et al .A multi-pare unwrap ambiguity of interferometer array for estimation of direction of arrival[J].Journal of Electronics & Information Technology,2006,28(1):55-59.(in Chinese)[12]魏合文,王军,等.一种基于余弦函数的相位干涉仪阵列DOA估计算法[J].电子与信息学报,2007,29(11):2665-2668.Wei Hewen,Wang Jun,et al.An algorithm of estimation direction of arrival for phase interferometer array using cosine function[J].Journal of Electronics & Information Technology,2007,29(11):2665-2668.(in Chinese)[13]Wei H W,Shi Y G.Performance analysis and comparison of correlative interferometers for direction finding[A].IEEE 10th International Conference on SignalProcessing[C].Beijing:IEEE Press,2010.393-396.[14]Wu Y W,Rhodes S,et al.Direction of arrival estimation via extended phase interferometry[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1995,31(1):375-381.[15]田坦.水下定位与导航技术[M].北京：国防工业出版社,2007.28-34.[16]Kay S M.Fundamentals of statistical signal processing,volume II:detectiontheory[M].New Jersey:Prentice Hall,1998.221-225.。
水声定位
各个水听器测的与目标的斜距为：
长基线水声定位系统
目标与原点的斜距为：
将式中
展开得：
从而得到：
ri
消去
r
可得方程：
用矩阵可写作：
其中，
但矩阵A奇异，因此方程有多个解，得不到唯一解。考虑再增加一个水听器， 并测得它与目标的斜距 r4，可得另一个方程：
消去
r 得：
用上式代替矩阵方程第三行，则矩阵A非奇异，方程组可得到唯一解。 但当水听器都位于同一水平面，且 仍然是奇异矩阵，可用三个水听器得测量值以及 已知时 ，矩阵A 联立，得方程组：
在海底布设由T1，T2，T3组成的水听 器接收基阵，在直角坐标系坐标分别为
T1 (x1, y1,z1), T2 (x 2 , y2 ,z2 ), T3 (x3 , y3 ,z3 ) ，水听器位置
校准后，则假定坐标为已知量。 各个水听器到原点的距离为：
di xi 2 yi2 zi2 (i 1, 2,3)
短基线水声定位
系统组成: 1) 被定位的船或潜器上至少有3个水听器。 2) 间距在5～20米的量级。 3) 水面船上面装有问答机 4) 一个同步信标（或应答器）置于海底 工作原理 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 水面船相对于信标（或应答器）的位置。
超短基线定位系统的基阵长度一般在几厘米到几十厘米，与前两种不同，利
用各个基元接收信号间的相位差来解算目标的方位和距离。 若按照工作方式划分，以上三种定位系统都可以选择使用同步信标或应
答器工作方式。
询问器或问答机: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。 应答器: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。 声信标: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。 响应器: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。
超短基线(USBL)定位技术在海工工程中的应用
超短基线（USBL）定位技术在海工工程中的应用作者：刘勇来源：《中国化工贸易·下旬刊》2019年第10期摘要：超短基线测量定位技术是近年来水下声学定位控制与检测领域一项全新的应用技术。
本文以胜利海上油田海底管道联锁排工程为案例，简要阐述了超短基线测量定位技术在海工工程中的应用。
通过与传统作业方法的比对，提出利用该技术便捷，测量成果准确，建议推广应用。
关键词：超短基线;水下定位;海工工程;连锁排1 超短基线定位系统的工作流程1.1 系统的组成及工作原理超短基线定位系统主要由两部分组成：水声换能器及水下应答信标。
换能器探头里有多个水听器，按三角形布阵，水聽器之间距离只有几厘米。
系统是根据声波在水中传播的往返时间及声速来测量水声换能器到水下信标的距离，利用安装在水声换能器探头中的多个水听器接收阵接收水下信标的应答信号的相位差来确定发射接收机相对船艏的方位。
1.2 水下定位作业工艺流程1.2.1设备构成USBL水下定位设备主要由以下部分构成：水听器、导航控制单元、信标、电缆。
但实际作业时还需要有工作船舶、电罗经、GPS系统、带USBL版本的导航定位软件以及电脑等配合使用。
1.2.2水下定位系统的安装USBL水下定位系统的安装主要是针对水听器的安装，水听器安装时采用船舷安装，该方式具有较大的灵活性，便于安装和拆除。
安装时水听器必须探出船底，并将水听器零艏向与船艏向保持一致，其在船体纵向上的位置，以距离船尾1/3 附近比较合适，同时要避开作业船侧面推进器。
1.2.3 系统的校正对USBL水下定位系统进行校正，因USBL安装有内置姿态传感器，所以无需对倾斜和摇摆进行校正，只需检测水听器零艏向和船艏向是否一致，即对方位的校正。
在水听器安装完成后，将两个信标分别放在船左舷、船中心线、船舷两侧和船尾4个不同的位置、不同的水深，反复进行应、答测试，在导航定位软件屏幕上显示的结果同选定的位置方位进行比较，从而获得水下声跟踪定位系统水听器零方向与船艏向的偏差改正数，将此改正数输入到导航定位软件中自动改正。
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。
第二章 短基线水声定位系统(SBL).
x z tan x
2018/10/6
x9
记
(dt)1 t3 t1
,
(dt) 2 t 2 t1
因此有
而
sin x dR / D1 c (dt)1 / D1
x z tan x
当船在信标上方附近时，θX很小，有 问题：信 标深度如 tan x sin x 。因此有
7 2018/10/6
2.2 使用非同步信标的短基线系统
定位解算的思路：
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。
由于使用的是非同步信标，只能利用时间差进行测向， 在进行定位。 利用几何关系建立定位方程。
解方程，确定水面船的相对信标的位置。
根据信标的绝对位置，确定水面船的位置坐标。
T ( x, y, z)
13 2018/10/6
H3器的坐标为 T（x，y，z） 不考虑声线弯曲时， 由几何关系可以得到 定位方程
2 1 2 2
x
H4 P H2 (a,b) R2
(-a,b)
R4
R3
R1
y
2 2
R ( x a) ( y b) z R ( x a) ( y b) z
何知道？
应答器的 位置事先 类似地，计算出信标在y轴的位移，得到 是如何确 定的？
x z c (dt)1 / D1
y z c (dt)2 / D2
10
2018/10/6
2.3 使用应答器的短基线水声定位系统
使用应答器的优点
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； 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；
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
水下导航定位系统在水下作业中的应用
水下导航定位系统在水下作业中的应用【摘要】水下导航定位技术是一种集成了导航测姿、水声定位、GPS定位的综合性技术，可广泛应用于水下作业中，如引导潜水员进行打捞、对水下目标进行精确定位等等。
介绍了水下导航定位系统的组成结构，以及在水下作业中的应用。
【关键词】超短基线；水声定位；导航测姿；水下作业1.引言由于深水区域往往能见度较低，且水下周围一般没有参照物，因此潜水员在进行打捞、救助等水下作业活动时，常常会无法准确辨别自身所处位置，无法获知与工作船、打捞目标之间的相对位置关系，给水下作业带来一定困难。
为提高水下搜索作业效率，实现指挥员对潜水员的实时监控，需要配备水下导航定位系统，对潜水员的绝对位置进行精确定位，并引导潜水员进行水下作业。
2.水下导航定位系统的组成水下导航定位系统一般主要由超短基线水声定位系统（USBL）、导航测姿系统、GPS系统以及潜水导航系统组成。
如图1所示。
图1 水下导航定位系统组成2.1 超短基线水声定位系统超短基线水声定位系统主要由超短基线声基阵、声信标以及水声定位处理计算机组成。
超短基线声基阵向水下发送询问信号，声信标接收到询问信号后，向超短基线声基阵发送应答信号，水声定位处理计算机根据超短基线各基元接收到的应答信号的延时，来解算声信标的相对距离和方位，从而对声信标进行定位[1]。
声信标一般安装在待定位设备上或者由潜水员随身携带。
图2 法国iXSea公司研制的GAPS图2是法国iXSea公司研制的GAPS（Global Acoustic Positioning System）超短基线水声定位系统，该系统主要由超短基线水声定位基阵、GPS定位系统以及Octans光纤罗经。
GAPS系统的精度较高，且无需对导航测姿系统以及GPS定位系统进行校准，但其造价昂贵，用于一般水下作业性价比较低。
图3 Scout+超短基线水声定位系统图3是英国Sonardyne公司研制的Scout+超短基线水声定位系统，其基阵内部带有5个声基阵基元，以及1个磁罗盘和1个MRU姿态传感器，若对水下目标定位的精度要求较高，则需要水声定位处理计算机外接高精度导航测姿系统和GPS系统，以替代超短基线声基阵内部的磁罗盘和MRU姿态传感器。
超短基线水声定位在海洋工程中的应用
度的措施主要包括 以下 ： ５ ． １提高水面 Ｄ ＧＰ Ｓ差分卫星定位 系统 的精度 ； ＤＧ Ｐ Ｓ差分卫星定位系统误差直接 由水面传递给水下声学 系统定位误差 。为减小误差可 以采用高精度 的 Ｄ ＧＰ Ｓ ，如辉 固
（ Ｆ Ｕ ＧＲ Ｏ） 集 团 的 Ｓ ｔ ａ ｒ ｉ ｆ ｘ ． Ｘ Ｐ 、Ｓ ｔ ａ ｒ ｉ ｆ ｘ ． Ｇ ２等 ， 可 以 将 ＤＧ Ｐ Ｓ 定位精度提升至分米级。 ５ ． ２ 通过提高探头与应答 器 目标测距精度 ； 提高测距精度 的主要方法包括：精确测定测区声速 剖面 、 减少多路径效应 、减小海底噪音如波 浪及水流和船机噪音的影 响 。采用宽 带信 号 Ｗｉ ｎ ｄ ｅ － Ｂ ａ ｎ ｄ技术 ，在增 大距离 的同时，可 以提高测时测相精度 ，减小测距 造成的定位误差 ；提高测角精 度 的措施主要可 以采用低频信号与提 高信 噪比等 。 ６ 水 下 声 学定 位 系统 展 望 国内外水下 声学 定位系统 经过近 半个 世纪的 开发研 究后 在 软 硬件 技 术上 也 得 到 了飞跃 的发展 。例 如 高精 度超 短 基 线Ｇ Ｙ Ｒ Ｏ ＵＳ Ｂ Ｌ集 光 纤 罗经 Ｌ ｏ ｄ ｅ ｒ ｓ ｔ ａ ｒ 、运 动 传 感 器 ＭＲ Ｕ 与 ＵＳ Ｂ Ｌ于一体 ，实现 了免校准安装 。大大减轻 了工作人 员野外 操 作和 安装 的繁琐性 ，提高 了工作效率，其高达 ０ ． ２％ 的测距 精度，为 实现水下 高精度 、高要求 的工程定位 作业提 供 了可 能性。近年 来联合式水声定位 系统如 Ｕ ／ Ｌ Ｂ １ 、Ｓ ／ Ｌ Ｂ Ｌ 、Ｓ ／ ＵＳ Ｂ Ｌ 等被研 制并应用在深海作业提供 了精确 的导航信息。该系统集 成 了长基线、短基线和超短基线的优 点，即保证 了精度又能在 深海作业 。此外，惯性导航技术也成功应用于水下定位作业， 为超短基线定位精度 的提升提供了可能。随着人类对海洋研究 开发工作的深入发展 ，人类必将进一步走进 大洋深处 ，相信高 精度 、高效率的水下 定位系统将成为必然趋势 。 参 考 文献
Subsonus超短基线声波定位系统
Subsonus超短基线声波定位系统下一代声纳与惯导紧耦合的水下导航系统，提供高准确的位置、速度和航向，适合水深1000米，仪器钛合金外壳保护、掌中大小！与主动式声纳系统不同，采用被动式水听器组、紧密耦合INS惯导系统，完全自主不致于暴露自身目标。
下一代水听器阵列Subsonus特色是业界领先的八通道校准水听器阵列。
Subsonus 能够提供卓越的角度和测距精度。
Subsonus内部设计了高精度定向的水听器阵列，提供令人难以置信的接收灵敏度加上卓越的噪声和多径抑制。
尽管每个水听器有方向性，八个水听器完整阵列提供从任何方向跟踪目标、全声场的“视野”。
声音速度自测量Subsonus使用一种革命性的新技术能测量声音在水中传播速度的能力。
这意味着该系统是自校准，不需额外的设备或用户干预来设置系统，减少操作者错误的风险。
动态传播功率Subsonus基于测距距离动态调整其声传播功率。
这显著降低噪声和多径效应影响，大大改善短程性能。
Subsonus设计工作范围和深度高达1000米。
集成的紧密耦合INSSubsonus集成了一个紧密耦合的惯性导航系统。
这使得它能够提供高精度出厂校准方向定位，以及连续输出位置和速度。
Subsonus不仅测量声音位置也测量多普勒速度。
所有的这种组合使得Subsonus成为市场上最准确的声定位系统。
声学航向Subsonus采用反向USBL超短基线方案，这使得它能够提供准确的声学航向给海底的潜器。
此外，因为参考位置和航向是声学传播测定，装在海底潜器上的Subsonus单元可输出绝对位置、速度和航向，而无需使用系缆作数据传输。
Subsonus也可以操作按标准USBL方案操作，与大多数主流信标兼容。
完全集成在小型外壳里Subsonus摒弃了典型的对外部设备依赖，如机架安装装置，接口盒或PC。
所有运算在微型钛外壳内部完成，该系统通过一个以太网连接来输出数据。
具有完全基于Web浏览器的用户界面。
免标定便携式高精度全球超短基线水下定位系统(USBL)-GAPS-劳雷海洋
超短基线声学定位（USBL）解决方案: GAPS
北京劳雷海洋仪器
独特特点：
独特性能：
配备优势：
集成高精度光纤级惯导系统，能为水面母船提供精确的姿态数据，可直接用于母船多波束测深系统等设备；同时高精度超短基线功能，可为水下载体和结构物提供精确定位数据。
而一体化且已标定集成固件，使系统在现场无需进行标定，可便携式安装并快速输出数据，大大节省海上作业时间。
主要应用：
海上，AUV和ROV导航，水下测量和检查，钻井，动力定位（DP），结构物安装，管道和缆线布防，潜水员跟踪，地震，海洋科学，防卫系统，新能源领域
技术优势：
产品革新：集成USBL，高等级INS，实时定位和GPS技术，多用途的GAPS 能最大限度地满足海面和水下定位及导航的要求；
技术先进：采用先进信号处理技术和3D声学天线，定位精度可达0.06%斜距，适用范围覆盖10米极浅水至4000米深水
使用方便：一体化便携式结构，无须标定，可快速简便投放，节约时间和成本
主要技术指标：
水下定位
定位精度：0.06%*斜距
有效距离：4000m
覆盖范围：200º(以换能器为中心200°半球形范围内)
水面定位
艏向精度：0.01°
横摇/纵摇精度：0.01°
GAPS系统（内含惯导），为便携式系统，无需标定,重新安装即装即用!!!
水下调查及作业时，Ixblue公司GAPS等产品典型应用。
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。
新型超短基线水下定位系统的校准与验证
新型超短基线水下定位系统的校准与验证摘要:本文旨在为读者介绍超短基线水下定位系统（USBL）的原理，以及影响USBL 系统性能的若干因素。
本文以英国Sonardyne公司第六代超短基线系统为例，论述接入USBL系统的外部传感器的重要性，以及与这些外接传感器相关的误差如何影响位置解算。
还特别强调了系统安装引起的潜在误差，以及如何通过校准消减这些误差。
在某些场合，可能无法或无需进行USBL校准，本文也将介绍一些确定收发器校正值的近似值、评价已校准和未校准USBL系统性能的技术。
关键词：超短基线，水下定位系统，USBL，误差，近似值。
1引言超短基线水下定位系统（USBL），是一种使用船载收发器发射声波信号来侦测到目标物的距离和方位的水下定位系统。
这一测距和测向技术基于两个原理。
第一个原理是：通过精确测量声波信号在目标物和换能器之间传播的时间和传播的速度来确定精确的距离。
第二个原理是：通过辨别收发器中多个换能器声上接收到的声波信号细微的相位差来确定方位。
这使得超短基线水下定位系统通过确定每一个换能器上声波信号时间相位的差来计算到达的信号的角度。
收发器被称为多元收发器，它包含一个单元专用于发射，还有若干单元专用于接收。
USBL系统还包含其他的几个组成部分，包括用于精确测量船体仰俯、摇摆和艏向的姿态传感器，以及进行校准所必须的精确水面定位系统DGNSS。
USBL 系统还包含安装在船上的用于控制USBL系统的硬件和软件、相连的电缆以及安装收发探头的释放杆。
2 USBL系统校准2.1校准目的USBL依靠确定到目标物距离和方位进行定位。
方位可以用到目标物相对于收发探头的方位角和高度来表示。
确定目标物相对于船体自身参考系的位置，必须知道收发探头框架相对于船体框架在纵摇、横摇和艏向三方向关系，以及收发探头相对于公共参考点的偏移距。
如果收发探头的指向上存在任何误差，都将造成目标物位置的误差。
位置误差与探头到目标物的距离成正比。
6水下声标定位第六章讲解
第六章水下声标定位水声定位系统是用于测定水下或水面运载工具位置的定位系统。
水声定位系统利用超声波传播信号，具有的方向性好、贯穿能力强的特点。
水声定位系统有三种工作方式：长基线系统、短基线系统和超短基线系统。
6.1 水声定位基础6.1.1 水声定位的基本设备水声定位系统通常由船台设备和若干水下设备组成。
船台设备包括一台具有发射、接收和测距功能的控制、显示设备和置于船底的换能器（也可置于船后的“拖鱼”内）以及水听器阵。
水下设备主要是声学应答器基阵。
所谓基阵，即固设于海底的位置已准确测定的一组应答器阵列。
水声定位系统中有关电子设备的电路工作原理与一般电子线路相同，在此不予赘述。
下面仅简要介绍系统中的水声设备。
换能器是一种声电转换器，能根据需要使声振荡和电振荡相互转换。
为发射（或接收）信号服务，起着水声天线的作用，如经常使用的磁致伸缩换能器和电致伸缩换能器。
磁致伸缩换能器的基本原理是当绕有线圈的镍棒（通电）在交变磁场作用下会产生形变（振动）而产生声波，电能转变成声能；而磁化了的镍棒在外力（声波）作用下产生形变（振动），从而使棒内的磁场也相应变化，而产生电振荡，声能转变为电能。
水听器本身不发射声信号，只是接收声信号。
通过换能器将接收的声信号转主成电信号。
输入船台或岸台的接收机中。
应答器既能接收声信号，而且还能发射不同于所接收声信号频率的应答信号。
它是水声定位系统的主要水下设备。
它也能作为海底控制点的照准标志（称为水声声标）。
6.1.2 水声定位系统的基本定位方式水声定位系统通常有两种定位方式，即测距和测向。
一、测距MS 海面水声测距定位原理如图6—1所示。
它由DZ船台发射机通过安置于船底的换能器M向水下应答器P（位置已知）发射声脉冲信号（询海底P应答器接收该信号后即发回一应答问信号），1—6图声脉冲信号，船台接收机记录发射询问信号79：和接收应答信号的时间间隔，通过下式即可算出船至水下应答器之间的距离（斜距）1CtD?）6—1 （2可按下式求出：Z已知，于是，船台至应答器之间的水平距离S由于应答器的深度22Z?D?S（6— 2）当有两个水下应答器，则可获得两条距离，以双圆方式交会出船位。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
12 2d
R
R 2d
12
R12 2d
R12 2
1 d2
d
X a R 12 d
Xa
R
12 11
d
2021/1/25
3.4 超短基线定位系统定位误差分析
位置测量的相对误差表示式
位置相对 定位精度
X a R 12 d
Xa
R 12
d
斜距R和λ的相对误差 ：由 R cT和 c / f0
有 R T c 1 c c
RTc
f0
c
Xa
R代入12 上式可得 2 d
X a T 2 c 12 d
Xa
T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 R
12 2d
2
c c
T T
12 12
d d
12
2021/1/25
3.4RX a 超 短XXaa基co线sm定x 位21d系2 2统cc定 位TT 误 差1212分 析dd
水下定位与导航技术
第三章 超短基线水声定 位系统
2021/1/25
1
3.1 引言
组成结构：
发射换能器和几个水听器可以组成一个直径只有 几厘米～几十厘米的水听器基阵，称为声头。
声头可以安装在船体的底部，也可以悬挂于小型 水面船的一侧。
超短基线系统定位解算方式
非同步信标方式 应答器方式 响应器方式
tan1
Ya Xa
tan1
conmy conmx
tan
1
13 21
r
X
2 a
Ya2
8
2021/1/25
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 2 cTT ,R
通过相位测量得到角度， 直接求出位置坐标
Xa
X a hR ccoossmmx x
6
2021/1/25
3.2 入射角和深度方式（非同步信标 算法小结 信标方式）位置解算
先测得两换
能器接收信
号的相位差， mx
然后利用公
c
os1
12 2 d
式解算信标
在船坐标系
下的位置坐 my 标。
c os1
13 2 d
Xa
h cosmx 1 cos2 mx cos2 my
Ya
h cos my 1 cos2 mx cos2 my
带有深度的应答器/响应器方式
2
2021/1/25
(d) /
(b) (c)
a
（（
） 信 标 方 式
测 量 声 线 入 射
角
）
一类是根据声线入射角和已知
超短基线系统的几种深定度位进解行算位方置解式算
另一类则是根据测量的距离和
声线入射角进行定位解算。
（
距
应离
已知
答和 器角
方度
式）
（ 单 响程 应距 器 离 将测得的斜距、 方 和 入射角与深度组 式 角 合，从而提高定 度 位精度。 ）
5
2021/1/25
3.2 入射角和深度方式（非同步信标 信标方式）位置解算
两信个号水入听射器角接θm收d的信c关o号系s的为相m位差cΦt与 由况f0于，t 基即阵入2尺射寸到甚所小有，基可元认的为声是线远平场行接。收的情
2 d
c os m
因此有
mx
c os1
12 2 d
my
c os1
13 2 d
影响，精度也难保证。
结论： 超短基线系统只在基阵下方一个有限的锥体内定位精度较高
改进措施：加大基阵尺寸；采用宽带信号
2 x
2 y
第三项：阵元间距不准引起的误差
第四项：相位测量误差引起的误差，与角度θmx ,θ my有关：
当 接近 90°（即信标或应答器在基阵的下方）时，相位差很小，
前3项影响很小，相位测量误差起主要作用。
随θmx ,θ my 减小，前3项影响加大
2 d
c os m
当信标或应答器在靠近基阵所在平面 (即角度很小)时，因有反射声
R与信标的坐标Xa,Ya及深度的关系为
R2
Ya2
X
2 a
h2
而
X
2 a
R2
cos2 mx
Ya2 R2 cos2 my
从而解得
Xa
h cosmx 1 cos2 mx cos2 my
Ya
h cos my 1 cos2 mx cos2 my
θmx ,θ my是通过相位差测量而得到的
7
2021/1/25
YXa在标在a某方水3mm些位平1.xy12场角面c合给内ccco入ooohs，出以hs2ss2射要。极cc11信ommo求坐xsx角s22目标标mmcc和标形y11xddo32o方s的式s深22 坐给式mm度标出yy），，方要位式以置水（平解非距算离同和rθ步水平信面标内的目
1Ya cosR2 cmox scmoys2 my
Za
应h答器mxR深 度c1os1co2s21d2 mx
cos2 my
9
应答器
T
若使用 响应器
R
cTR
2021/1/25
3.4 超短基线定位系统定位误差分析
一般，误差以水平位置误差与斜距之比度量 （相对误差）。
误差分析的目的：分析应答器在基阵坐标系下 的位置解算误差，即求ΔXa、ΔYa、ΔZa分别 为多少？
3
答
器
响 应 器 方 式
有 深 度 的 应
2021/1/25
3.2 入射角和深度方式（非同步信标 信标方式）位置解算
结构及定位解算图：
d
3个水听器摆成L型。
位置解算：
信标位置(Xa,Ta,Za） 3个水听器按L型布
置，间距为d 。
4
2021/1/25
3.2 入射角和深度方式（非同步信标 信标方式）位置解算
在各项误差认为互相独立的情况下，相对于斜距
的位置均方误差记为，
2 X
2 X
/ R2
即
2 X
12 2d
2 2 c 2 c
T T
2
d d
2
2d
2
12
2
类似地，可得到 总的均方误差
2 x
2 y
2 Y
13 2d
2 2
c 2
c
T T
2
d d
2
2d
2
13 2
结论：信标或应答器在基阵的下方时，定位误差
主要来源于相位测量误差。
13
2021/1/25
3.4 超短基线定位系统定位误差分析
分析：
2 X
12 2d
2
2
c c
2
T 2 T
d d
2
2d
2
12
2
第一项：声速引起的误差
第二项：测时误→差0引起的误差
分析方法：
10
2021/1/25
3.4 超短基线定位系统定位误差分析
Xa、Ya、Za的求解公式
Xa
R cos mx
R
12 2 d
Ya
R cos my
R
13 2 d
Za
R1
2122 4 2d 2
2123 4 2d 2
1/ 2
2 d
c os m
以X的定位误差为例，对Xa求全微分有
X a