第二章 短基线水声定位系统(SBL).
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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；
T ( x, y, z)
13 2018/10/6
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
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
6
2018/10/6
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。
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。
8
2018/10/6
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
y
简化假设：
dR
H3 D R3
B
A
θX
E
H1
R1 R 1
dR R3 R1 ct3 ct1 D1 sin x
x
C
z
x
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。
其它水听器接收它的信号。它常用于噪声较强的场合。
3 2018/10/6
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。
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
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）
12
2018/10/6
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？
4 2018/10/6
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
5 2018/10/6
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？
可以编程询问，按需要调整数据速率。在多个应答器 ห้องสมุดไป่ตู้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。
11 2018/10/6
2.3 使用应答器的短基线水声定位系统
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）
2018/10/6
1
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）
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）
2 2018/10/6
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（Transponder）
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
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
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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；
T ( x, y, z)
13 2018/10/6
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
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
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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。
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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
y
简化假设：
dR
H3 D R3
B
A
θX
E
H1
R1 R 1
dR R3 R1 ct3 ct1 D1 sin x
x
C
z
x
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。
其它水听器接收它的信号。它常用于噪声较强的场合。
3 2018/10/6
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。
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
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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2018/10/6
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？
4 2018/10/6
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
5 2018/10/6
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？
可以编程询问，按需要调整数据速率。在多个应答器 ห้องสมุดไป่ตู้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。
11 2018/10/6
2.3 使用应答器的短基线水声定位系统
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）
2018/10/6
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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）
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）
2 2018/10/6
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（Transponder）
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