第2章_短基线水声定位系统(SBL)

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D1
定位解算方法
H3 H1 H2
D2
x
θ x为沿x轴的 两个水听器的 信号入射角
A
dR
y
简化假设：
θX
x
E
H3D R3
H1
R1 R1
dR R 3 R1 ct 3 ct 1
D 1 sin x
z
x
B C
考虑船与信标的 距离较远，船在信 标的上方。因此，3 个入射角θ 较小， 且近似相等，用θx 代替。
可以编程询问，按需要调整数据速率。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；
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； 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。
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2.3 使用应答器的短基线水声定位系统
修正算法的推导 方法一：
1) 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。
2) 先考虑二维的情况。
设基阵一个平面的坐标系为
X AO A Z A
，测得的海底应答器在此坐标系的 3）第一步进行坐标平移。 视在坐标为 X a , Z a 。船的坐标系 为 X O Z （已转动过的），应答 A A A X a X a ( X 0 ) 器在此坐标系中的坐标为 X a , Z a 。 两个坐标系的偏移量为 X 0 , Z 0 。 Z a Z a ( Z 0 )
介绍短基线定位系统的实例
由定位方程进行定位解算的方法 定位误差的分析 基阵校准与水下姿态修正 距离模糊问题（定位系统存在的普遍问题）
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2.1 引言
一些名词的解释
注意：问答器和应答器的区别。
询问器或问答机（Interogator）
应答器（Transpoቤተ መጻሕፍቲ ባይዱder）
p
sin
声信标（Beacon或Pinger） 响应器（Responder） 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 是置于海底或装在载体上的发射/接收器。 以多个，对应于多个应答器，常常只相隔0.5kHz。发 它接收问答机的询问信号（或指令），发回 问答器：先发后收，发射器和接收器可在一起也可分开。 射和接收换能器是无指向性的。 另一与接收频率不同的回答信号。收发换能 器无指向性的。 置于海底或装在水下载体（潜器）上的发射器，它以 应答器：先收后发，发射和接收共用一个换能器。 特定频率不停的发出声脉冲。它是自主工作的。声信 置于海底或装在水下载体（潜器）上的发射器，它由外部硬 标分同步式和非同步式两种。 件（如控制线）的控制信号触发，发出询问信号。问答机或
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 / D 1
y z c ( dt ) 2 / D 2
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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；
只要作坐标平移变换
X X X
Y Y
Z Z Z Z
水听器、基阵坐标系与船坐标系是任意情况
先坐标平移，再旋转，或先旋转再平移
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短基 线系 统有 横摇 和纵 摇的 情况
基阵坐标系的测量结果→船 坐标系下坐标，并进行摇摆 修正（补偿）。
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2.4 位置修正
任意一个
R i ct i cT 0 2 c (t i T0 2 )
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T（x，y，z）
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应答器
2.4 位置修正（姿态修正）
为何要进行位置修正？
船有纵摇（pitch在船的XZ平面内）、横摇 （roll在YZ平面内） 测量是以基阵坐标系进行的
修正的方法 进行坐标变换 什么是坐标变换 Y Y Z Z
其它水听器接收它的信号。它常用于噪声较强的场合。
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短基线系统（SBL ）
系统组成
被定位的船或 潜器上至少有3 个水听器。 间距在5～20 米的量级。 水面船上面装 有问答机 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。
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2.2 使用非同步信标的短基线系统
分析： 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 相对位置。 定位条件：船上只需3只接收器 设要求解的船的坐标是：x、y、z，信号的为 θx，已知信标深度为Z、两换能器的间距分别 为D1 、D2 ，测得两两水听器接收信号的时延 差。 可用通过几何关系可列出它们之间的关系方 程。
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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。
x z tan x
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x x
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记
( dt ) 1 t 3 t 1
,
( dt ) 2 t 2 t 1
因此有
而
sin x dR / D 1 c ( dt ) 1 / D 1
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
T ( x, y, z )
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H3 (-a,-b)
H1 (a,-b)
定位解算方程
设应答器的坐标为 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
R
2 1 2 2 2
x
H4 P H2 (a,b) R2
(-a,b)
R4
R3
R1
y
2
( x a) ( y b) z
2
(x a) ( y b)
2
2 4
( x a) ( y b)
2
2 1/ 2

因此有
x ( R 3 R1 ) ( R 4 R 2 )
2 2 2 2
深度的均值－－4个值的平均
8a
y
( R1 R 2 ) ( R 3 R 4 )
为何要进行位置修正？
船有纵摇（pitch在船的XZ平面内）、横摇 （roll在YZ平面内） 测量是以基阵坐标系进行的
修正的方法 水听器、基阵坐标系与船坐标系是一致运动的
阵坐标系与船坐标系原点重合 只要作坐标旋转变换
X
水听器、基阵的坐标轴是平行的 阵坐标系与船坐标系XY平面平行 Y Y
水下定位与导航技术
第二章 短基线水声定位系统 （Ultra-short baseline positioning system --SBL）
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本章要解决的问题
短基线定位系统的结构（组成）和原理 三种工作模式（同步和非同步信标方式、应答器方式） 下的定位算法（位置解算公式） 解算后位置修正问题（坐标变换是通用的。基阵坐标 系、转换为船坐标系、大地坐标系）
船坐标系
X’a XV
基阵坐标系
船坐标系，应答 器的位置为 X a , Z a 基阵坐标系下测得应 答器的位置为 X a , Z a
Xa Xa X0 Za Za Z0
YV M N
P
旋转到XVOZV坐标系 应 应答器T X v TP PM 答 器 ( X a X 0 ) cos P
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各个R值如何确定？
设H4为问答器，则H4 发射并接收，回波时 间为T0，因此，
R 4 cT 0 / 2
而H1收到回波的时间 为t1，行程为， y
H4
H3
H1
x
H2 P
R3 R4 R4
R2
R1 R1
R 1 R 4 ct 1
所以
R1 ct 1 R 4 ct 1 cT 0 2 c ( t1 T0 2 )
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典型的SBL系统的工作原理
使用非同步信标的短基线系统
使用应答器的短基线水声定位系统
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测时方法： 采用常规脉冲包络检波和相对到达时间测量方法。
定位精度：
一般在长基线和超短基线系统之间。 特点及存在的问题： 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。 问题： 有无其它的信号形式？ 有无其它的测时方法？效果如何？
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
X
X
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。
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→船坐标系（经摇摆修正后）→大地 坐标系。
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2.4 位置修正（姿态修正）
2 2
R2 ( x a) ( y b) z
R3 ( x a) ( y b) z
2 2 2
2
2
R4 ( x a) ( y b) z
2 2 2
2
T（x，y，z）
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应答器
消去z，得到
代回原方程有
z1 R
z2
z3
R
2 3
R
2 1
4 ax
R R
R
2 4 2 1
2 3
R R
R
2 2 2 2
2 4
4 ax 4 by
4 by
z4
R R R
2 1
2 2
2 3
( x a) ( y b)
2
2 1/ 2
2 1/ 2
2 1/ 2
( x a) ( y b)
4）第二步进行坐标旋转。
X
v
TP PM ( X
a
a
X 0 ) cos P ( Z a Z 0 ) sin P
Z v ON MN ( X
X 0 ) sin P ( Z a Z 0 ) con P
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两个坐标系 的偏移量为
2 2 2 2
z
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z1 z 2 z 3 z 4 4
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8b
若只收到3个信号，例如1，2，3号收到信号
x ( R 3 R1 )
2 2
y
( R1 R 2 )
2 2
4a
4b
深度的均值
z
z1 z 2 z 3 3
问题：各个R值如何确定？ 在船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 1/2代替。 若采用问答机，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 水听器的距离。
使用应答器
的短基线水 声定位系统 （船上除有 水听器阵外， 还有问答机）
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定位解算方法
设应答器的坐标为，
T ( x, y, z )
有4个水听器位于边 长为2a，2b的矩形 顶点 有X、y、z三个未知 数，3个水听器可有3 个斜距，列3个方程 有一个冗余的水听器， 有何意义？
( Z a Z 0 ) sin P
Z’a Q
Z v ON MN ( Z a Z 0 ) con P ( X a X 0 ) sin P
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X
v
TP PM ( X
a
X 0 ) cos P ( Z a Z 0 ) sin P
X 0 ) sin P ( Z a Z 0 ) con P
Z v ON MN ( X
a
写成矩阵形式有
X v cos p Z sin p v X a X 0 cos p Z a Z 0