第六章——声学定位及综合导航

计算待求点在统一坐标系下的坐标
x p x1 s x x 'p t x y 'p nx z 'p y p y1 s y x t y y n z
' p ' p ' y p
z p z1 s z x 'p t z y 'p nz z 'p
数据处理器
绘图仪
水下声学定位目前常采用的系统主要有：
长基线定位系统 短基线定位系统
超短基线定位系统
在实际应用中，由于单一定位系统的缺陷，需要 将几个系统联合起来，保证定位或导航结果的正确性， 即组合导航
§6.2 长基线声学定位系统
通常在海底布设3个以上的应答器Ti，以一定的图形 组成海底基阵，如三角性或四边形。基线长度按照 作业区域确定。运载工具位于基阵内，测量到Ti的 距离而确定点位。 长基线的定位精度比较高，一般可达到5m~20m， 最大测程为5km，定位方式有两种：
o
a xp’
计算角度a
2 2 2 a arccos[( s2 s3 s1 ) / 2s2 s3 ]
y’
计算待求点在局部坐标系下的坐标（x’p、 y’p、 z’p ） x’
s2 T1
T3(s2cosa, s2sina,0)
p’ y p’ s3
12 x 'p y 'p z 'p
水听器
水声应声器
声信标工作方式（测时差/相差定位方式）
H1
x
bx
H2

z
测量T到H1和H2的时间差为t1=t1-t2， 测量T到H2和H3的时间差为t2=t2-t3 则产生的距离差为vt1和vt2 ，则相 应的角度x、y和z为：
i | R ri |
z
T2
当i>3时，存在多余观测，线形化上式，可获得点位的 最小二乘解。
长基线定位：
水下声标 船载换能器
i=3时，采用直接解法。 x’
s2 T1 T3(s2cosa, s2sina,0) p’ yp’ s3 s1 T2(s3, 0,0)
用T1、 T2、 T3三点的坐标计 算距离s1、 s2、 s3。
( y2 y1 )( z3 z1 ) ( y3 y1 )( z 2 z1 ) o 1 n ( y3 y1 )( z3 z1 ) ( y2 y1 )( z3 z1 ) ( x x )( y y ) ( x y )( y z ) s2 s3 sin a 3 1 2 1 2 1 3 1 n y s z nz s y t x o t nz s x nx s z t y n s n s t y x z x y sx R s y s z tx ty tz nx ny nz
为水下机器人定位（AUV ROV）
现代水下勘查或水下目标发现识别和定位需要 将一系列扫测设备（水下相机、多波束、侧扫 声纳等）固定在水下载体上，即AUV或ROV， 若AUV没有精确的瞬时精度，扫测成果的精度 将难以保证。
为水面上或水体中目标定位。 若潜艇、水面船只上安装该设备，则可以为特殊地区(无法 或不能进行GPS定位)情况下运动载体进行定位。 开发出高精度定位的水下DGPS系统，建立水下立体高精度 定位系统，解决深拖、ROV(Remotely Operated Vehicle)、 深海载人潜器以及各种取样器和特殊水下工程的水下高精度 定位问题。
水声定位系统主要用于测量水下或水面运载工
具（如潜艇、船只等）位置的一种定位系统，对于 军事和民用均具有很重要的应用价值，主要应用于 如下几个方面：
侧扫声纳拖鱼位置的确定。 拖鱼位置的传统确定方法是通过船位、拖线长度和概略 方位通过推算获得的，其地貌图像位置精度很差。若利 用超短基线系统为拖鱼定位，则可以对其地貌图像实现 准确配准，用于水下地貌的准确反映以及目标的发现和 定位。
单向测距： 此时Ti为声标，它以一定的重复频率 发射声脉冲。 双向定位： 此时Ti为应答器，仅在被其他声源询问 时才发射声信号。
设应答器Ti和待定点P在空间 坐标系下的位置分别为：
ri ( xi Ri ( X yi Y zi )T Z)
T
o
x
p
y
T1
`
T4
其观测距离i可描述为：
T3
s1 T2(s3, 0,0)222 2 2 2
2 2 ( x 'p s3 ) 2 y 'p z 'p
o
a xp’
y’
12 ( x 'p s2 cos a ) 2 ( y 'p s2 sin a ) 2 z 'p
2 2 x 'p ( s3 12 2 ) / 2s3 2 2 y 'p ( s2 12 3 ) /(2s2 sin a) x 'p c tana 2 1/ 2 z 'p ( 12 x 2 y p p)
计算旋转距阵
( x2 x1 ) / s3 s x 0 s3 ( y2 y1 ) / s3 s y (z z ) / s s 2 1 3 z ( x3 x1 ) / s2 0 s2 ( y3 y1 ) / s2 (z z ) / s 3 1 2
Chapter 6 水声定位及综合导航
Acoustic Positioning and Synthetic Navigation
赵建虎
本 章 内 容
概述 长基线定位系统 短基线定位系统 超短基线定位系统 Doppler声纳 其他定位系统 参考文献 本章重点

§6.1 概述
距离接收器
终端
换能器
编码器/放大器 换能器
双道器 带机
T1 T2
T3
T4
§ 6.3 短基线声学定位：
短基线声学定位系统只需要一个水下声学信标和安 装在船上的一组（3个或更多）转发换能器。短基线有三 种定位方式： 声信标工作方式 应答器工作方式 响应器工作方式
短基线定位系统：
基线
换能器