第六章——声学定位及综合导航

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。
s1 T2(s3, 0,0)
2
2
2 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)
( 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：
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Βιβλιοθήκη Baidu器
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
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
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
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