第4章_长基线水声定位系统(LBL)

？
问答机在t3时 刻接收到T的 应答信号
T1
F4 F3
T5 t1
F2 间隔 t3
T3
F3
t3 2T1
T3 t 2 t3 T1
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R3 cT3
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海底应答器阵的校准
校准的目的：布放应答器时有误差≠GPS的数据。
本节提到的校准方法，即测量应答器的相对坐标，可以没有 GPS数据，在有GPS数据后可以得到应答器的绝对坐标，还 使校准方法简单化，可以绕着应答器航行，可以利用超短基线 ＋GPS初步确定应答器的位置，在通过解斜距方程，精确确 定应答器的位置。
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引言
组成结构及原理
浮标形式的长基线系统
长基线系统的基元也可以是水 面无线电浮标。此时被定位的 目标上装有同步或非同步声信 标，诸基元接收的声信号需调 制为无线电信号发到一只母船 上进行处理，从而完成水下目 标的定位。由于无线电浮标在 海面上不固定，因此必须利用 装载其上的GPS接收机定时地 测定自身位置，与定位信号一 起发至母船。
FSS发出讯问信号（F2）， 母船接收时刻为t1； 在间隔 △ t3 时间后， FSS 发 出讯问信号（F3），应答器 接收，并回答（F4），母船 接收时刻为t2； 问答器发出讯问信号（F3）， 应答器回答（F4），母船接 收时刻为t3；
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F4
T3
F3t1 T5源自t 2 t3 T3 T1
log(sin A1 ) log(sin A3 ) log(sin A5 ) log(sin A7 ) log(sin A2 ) log(sin A4 ) log(sin A6 ) log(sin A8 ) 0
由式
对“角度对”进行调整； 用式
调整角度，使奇数角度正弦的对数和等于偶数角度正弦对数和。
T3
应答器

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几种应用模式
1）母船询问的长基线FSS定位导航模式（母船讯问方式）
发F1、 F3、收F4
1 2 3 t3 2t T 1
F F 44 T1 F3
F1 →T ＝t /2 →R 5 1 5 F2
t1 2T5
T3 F3 →t2＝T5+△ t3+T3+T1
12
△t3 应答器
F3 T2
T1＝t1/2 F4
t1 T2 t 2 2
R2 c T2
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应答器与TTS的距 离（多个）
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几种应用模式
舰船导航模式－－简化模型
由于被定位目 标（水面船） 到应答器的单 程传播时间的 求解方法一样。 因此，可以简 化表示。
F3
F4
R1i
F3 F4
图中船上问答 机询问信号用 F3表示（通常 只有一个频 率），应答器 回答信号用F4 表示（实际上 有几个应答器 就有几个回答 频率）。
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海底应答器阵的校准
四个应答器的情况 1）条件方程法
D A7 A6 X A8 A1 Q A3 A2 B A5 A4 C
四边形的构成条件：
Ai 360
i 1
8
A1 A2 A5 A6 0
A
A3 A4 A7 A8 0
AX DX
初值p，这种假设的位置近似精度愈低， 计算的时间愈长。
方法：真值坐标为(X4,Y4)，假设坐标
为p(X0,Y0)。由几何关系有
C12 X 1 X 0 Y1 Y0
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海底应答器阵的相 对坐标。
引言
基线长度 （m） 长基线 100～ 换能器（信标） 已知海底应答器阵的绝对地理位置，求各个应答器到被定位的对 LBL 6000 水域中 象的距离（测量时间） ，利用球面交汇，解算被定位对象的位置。 各个应答器的回答频率不同，各个应答器的回答频率也不同。 短基线 1～50 换能器布放在船 测量各阵元到被定位的对象（目标）的距离（测量时间） ，利用球 SBL 超短基线 USBL <1 的前后和左右 面交汇，解算被定位对象的位置。 船上（载体上） 通过测量两两阵元接收应答器（信标）应答信号的相位差，来解 基阵 算目标位置的。 基线位置 应用
t3 2T1
T3 t 2 t3 T1 R3 cT3
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几种应用模式
2）长基线同步鈡FSS定位导航模式
注意：设计一个工 作模式主要是考虑 能够求得各个距离。
问答机在t2时刻接收到 T发出来的信号
问答机在t1时刻接收 到FSS发出来的信号
t2 t3 T3 T1
两个应答器的情况
三个应答器的情况 用于4边形应答器阵的两种校准方法 1）条件方程法 2) 坐标变动法
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海底应答器阵的校准
两个应答器的情况 简单的方法是在应答器布 放时利用无线电定位或 应答器1 GPS记下投放点的位置。 也可利用船上问答机与应 答器连续进行应答，测量 问答机与两应答器的距离。 当两距离之和达到最小时， 此最小值即为两应答器间 的距离。
应答器的位置测量精度对定位精度有直接影响）
跟踪定位算法 应用实例介绍。
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几种应用模式
舰船导航模式 长基线有缆潜器（TTS）导航模式
（Tetherd Submersible）
长基线无缆潜器（FSS）定位模式 （Free Swimming Submersible） 母船询问的长基线FSS定位导航模式 长基线同步鈡FSS定位导航模式
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海底应答器阵的校准
四个应答器的情况 1）条件方程法
D A7 A6 X A8 A A1 A3 A2 B A5 A4 C
四边形的构成条件：
四边形角度调整步骤为：
由
8 i 1
Ai 360 式调整8个角度之和为0；
A1 A2 A5 A6 0 和 A3 A4 A7 A8 0
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海底应答器阵的校准
四个应答器的情况 2) 坐标变动法
坐标变动法校准是任意固定3点，由测
量数据通过最小二乘法来调整第4点。 优点：它可用于基阵中的任意点。 A
A8 A1 O1 D A7 A6 O3 A5 A4 C
X
O2 A3 A2 B
缺点：对每一点都需假设一坐标作为
sin A1 sin A3 sin A5 sin A7 1 sin A2 sin A4 sin A6 sin A8
log(sin A1 ) log(sin A3 ) log(sin A5 ) log(sin A7 ) log(sin A2 ) log(sin A4 ) log(sin A6 ) log(sin A8 ) 0
T2 F3
问答机
R2 cT2
R1 cT1
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几种应用模式
长基线无缆潜器（Free Swimming Submersible －FSS）定位模式 1) 母船询问方式
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T T1 、T 、T
1 3
5
T5
定 位 对 象 为 FSS （TTS） 求T3→R3
换插图？？
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引言
本章要解决的问题
本章主要研究利用海底应答器的长基线水声定位系统，
利用无线电浮标的长基线系统基本原理是相同的。 长基线系统的几种应用模式(定位解算时，依定位模 式的不同获取水声传播距离的方式也有所不同。) 海底应答器的标校（定位系统的阵元为应答器，因此
舰船导航模式、有缆潜器导航模式以及无缆潜器 导航模式。
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几种应用模式
舰船导航模式 1）定位对象为水面舰船
舰上问答机发出询问信号， 频率 为F3 （通常为一个）
系统组成
工作原理
F41 F42 应答器的回答频率（多 个）统一记成 F4 可算出船与应答器之间的精确距 离。通过定位方程解算出船在应 答器阵中的相对位置坐标。
R1 问答机 h R2
应答器2
X xi Y yi
2
17
2
h cti , i 1,2,...,6
2 2
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海底应答器阵的校准 三个应答器的情况 x y z
2 2 j i j i
2 i
R2 ji
设问答机的深度 为0 在D、E、F点测 量应答器的深度 在A、B、C点测 量到三个应答器 之间的斜距 若要用最少的应 答器得到最大覆 盖范围，则阵形 应是等边三角形
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问答机与应答器的距离 （多个）统一记成 R1
F43
几种应用模式
舰船导航模式 2）定位对象为有缆潜器
依据同样的方法可以确 定另外2个应答器到TTS 的单程传播时间 T1、T3
系统组成
工作原理
设：询问时刻为0，船 上问答机接收应答信号 时刻为t1＝2R1/c ，TTS 收到应答信号时刻为 t2=T1+T2。从应答器到 TTS的单程传播时间为
(ξ 2,η 2,0)
Rji第j个测量与第i个应答器间的斜距
ξ、η有5个，x2、x3、y3共有8个未知数，9个方程
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海底应答器阵的校准
四个应答器的情况 1）条件方程法
4个应答器构成的4边形共有6根连线： 4个边和两个对角线。对这些连线进行 测量。由于4边形只要5个值便可唯一 A 确定，因而第6个量是冗余的。