超短基线水声定位系统

❖
2
2
误差 X与xa θm的XX变aa 化关 系TT
2
2
c c
2
12 12
2
d d
2＝
12 12
2
注意：衡量相对定位误差时，两个相对误差公式计算
定位精度
X a R
12 2d
c 2 12 c
T T
12 12
d d
❖ 在3.4各RX a超项 误短XX差a基a c认o线s为定mx互位相2系1d独2 统2立c定的c 情位TT况误下差1，21分2 相析d对d 于
斜距的位置均方误差记 X2为， X2 / R2
即
2 X
12 2d
2 2 c 2 c
应答器
T
若使用 响应器
R cTR
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？
❖ 分析方法：
10
3.4 超短基线定位系统定位误差分析
❖
XaX、a YRa、cosZam的x 求R解2公1d2 式Ya
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
❖ 结Y2论 ：2信1d3 标2 或2 cc应2答 器TT在2 基 阵dd 的2 下 2方d时2 ，1定3 2 位 误差主要来源于相位13测量误差。
3.4 超短基线定位系统定位误差分析 ❖
分析：
2 X
12 2d
水下定位与导 航技术
第三章 超短基线水声定位系统
2020/8/12
1
3❖.1组引成言结构：
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 带有深度的应答器/响应器方式
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
θ5 mx ,θ my是通过相位差测量而得到的
3.2 入射角和深度方式（非同步信标信 标方式）位置解算
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 当信标或应答器在靠近基阵所在平面
(即角度很小 )时2，因d有c反os射声m 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
14
3.4 超短基线定位系统定位误差分析
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 7
YXa在标在a 3某方水.mm些位平21xy1场角面入c合给内cccoo射oohs，出以hs2ss2要。极cc角11ommo求坐xs标xs22和目标mmc方c标形y11xddo深32os的式s式22度坐给 mm）标出yy方，，位式要置以（水解非平算距同离步和rθ水信平标面内信的目
tan1
Ya Xa
tan1
conmy conmx
tan
1
13 21
r
X
2 a
Ya2
8
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
❖X应a 答器1YX深aac度ohsRR2cccmoooxsssmcmxmoxys2 my Za hmxR c1os1co2s21d2 mx cos92 my
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→引0起的误差
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
答
器
响 应 器 方 式
有 深 度 的 应
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
3.2 入射角和深度方式（非同步信标信 标方式）位置解算
R与信标的坐标Xa,Ya及深度的关系为
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
因此有
2 d
c os m
mx
c os1
12 2 d
my
c os1
13 2 d
6
3.2 入射角和深度方式（非同步信标信
算法小结
标方式）位置解算
先测得两换
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XXa 的2定1d2位误R 差2为Rd 例，12 对R2Xad12求全 微R分2有12 d12 d
X a R 1121 d X a R 12 d
❖ 位3.置4 测超量短的基相线对定误位差系表示统式定位误差分析
位置相对 定位精度
X a R 12 d
Xa
R 12
dHale Waihona Puke Baidu
斜距R和λ的相对误差 ：由 R 和cT c / f0
有 R T c 1 c c
RT
Xa
R代入1上2 式可得 2 d
c
f0
c
X a T 2 c 12 d
Xa
T
c
12
d
❖ 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
2
(d) /
(b) (c)
a
（（
） 信 标 方 式
测 量 声 线 入 射
角
）
超短基线系统的几❖种一深定类度位进是行根解位据算置声方解线式算入射角和已知
❖ 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3精度。 ）