第4章_长基线水声定位系统(LBL)
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F3 T2
T1＝t1/2 F4
t1 T2 t 2 2
R2 c T2
8
应答器与TTS的距 离（多个）
2014-11-14
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）。
7 2014-11-14
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
T2 F3
问答机
R2 cT2
R1 cT1
10 2014-11-14
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
前后两 页跳转
T T1 、T 、T
1 3
5
T5
定 位 对 象 为 FSS （TTS） 求T3→R3
换插图？？
4
2014-11-14
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
水下定位与导航技术
长基线水声定位系统
2014-11-14
1
引言
组成结构及原理（工作过程） 应用
水下施工 海底电缆铺设 海上石油勘探 水下载体定位方面有广泛的应用。
还可与GPS一起，完成水下机器人的高精度绝对定位。
基线：是以应答器构成的，通常应答器的应答距离为10～20公里 特点：利用海底应 基线安装的位置：海底
3
2014-11-14
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。
？
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
15
R3 cT3
201Leabharlann Baidu-11-14
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。
A8 A1 D A7 A6 A5 A4 C
X
A3 A2 B
思路：
1）已知两两应答器间的斜距和各应答器的深度。
2）将斜距投影水平面
3）利用一个水平的四边形去拟合由4个应答器构成的投影4边形，找出最佳拟合 四边形。 4）利用余弦定理和已知边长，计算水平面内的各个角度，角A1～A8。
5）计算的结果应满足角度的集合关系，不满足的适当调整角度使之同时满足角 度和边的关系。
5
T1、T3、T5
R1、R3、R5
Ri cTi
13 2014-11-14
3
1
t 2 T5 t 3 T3 T1
几种应用模式
长 基 线 无 缆 潜 器 （ Free Swimming Submersible －FSS）定位模式
t1 t2 t3 T1 T5 F2
2）长基线同步鈡FSS定位导航 （FFS询问方式）
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；
14
F4
T3
F3
t1 T5
t 2 t3 T3 T1
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。
5 2014-11-14
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
2 2014-11-14
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
2014-11-14
9
几种应用模式
长基线有缆潜器（TTS）导航模式 母船上只有接收机，TTS上装有问答机。 定位对象为TTS 求TTS与T的斜距R2 工作过程
设：接收时刻t1、t2 单程传播时间T1、T2 则，
t2 t1 T1 F4
1 T2 t 2 2
1 T1 t1 t 2 2
sin A1 BX AX sin A2
sin A7 AX sin A1 sin A3 sin A5 sin A7 sin A8 sin A2 sin A4 sin A6 sin A8
sin A3 CX BX sin A4
DX CX sin A5 sin A4
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
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。
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
2014-11-14
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
T3
应答器
11
2014-11-14
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
21 2014-11-14
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
长基线、短基线和超短基线系统的区别
定位方法：长基线利用海底应答器阵来确定载体的位置 答器阵来确定载体 的位置----相对于 记录询问时刻和各应答器应答信号到达时刻
位置坐标：定位的坐标是海底应答器阵的相对坐标 应答器的频率：各个应答器的回答频率不同 定位目标、使用条件：确知应答器阵的绝对地理位置
舰船导航模式、有缆潜器导航模式以及无缆潜器 导航模式。
6
2014-11-14
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。
(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
18 2014-11-14
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。
t3 2T1
T3 t 2 t3 T1 R3 cT3
2014-11-14
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
19 2014-11-14
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
F2、F3、F1
应答器F4、F3
2014-11-14
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
前后两 页跳转
T T1 、T 、T
1 3
5
T5
定 位 对 象 为 FSS （TTS） 求T3→R3
T3
应答器
t1
接收机顺次收到回 波的时间为 t1 、 t2 、 tT 3 2 t 2T
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
20 2014-11-14
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
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
16 2014-11-14
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。
T1＝t1/2 F4
t1 T2 t 2 2
R2 c T2
8
应答器与TTS的距 离（多个）
2014-11-14
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）。
7 2014-11-14
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
T2 F3
问答机
R2 cT2
R1 cT1
10 2014-11-14
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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2014-11-14
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
水下定位与导航技术
长基线水声定位系统
2014-11-14
1
引言
组成结构及原理（工作过程） 应用
水下施工 海底电缆铺设 海上石油勘探 水下载体定位方面有广泛的应用。
还可与GPS一起，完成水下机器人的高精度绝对定位。
基线：是以应答器构成的，通常应答器的应答距离为10～20公里 特点：利用海底应 基线安装的位置：海底
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2014-11-14
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。
？
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
15
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。
A8 A1 D A7 A6 A5 A4 C
X
A3 A2 B
思路：
1）已知两两应答器间的斜距和各应答器的深度。
2）将斜距投影水平面
3）利用一个水平的四边形去拟合由4个应答器构成的投影4边形，找出最佳拟合 四边形。 4）利用余弦定理和已知边长，计算水平面内的各个角度，角A1～A8。
5）计算的结果应满足角度的集合关系，不满足的适当调整角度使之同时满足角 度和边的关系。
5
T1、T3、T5
R1、R3、R5
Ri cTi
13 2014-11-14
3
1
t 2 T5 t 3 T3 T1
几种应用模式
长 基 线 无 缆 潜 器 （ Free Swimming Submersible －FSS）定位模式
t1 t2 t3 T1 T5 F2
2）长基线同步鈡FSS定位导航 （FFS询问方式）
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；
14
F4
T3
F3
t1 T5
t 2 t3 T3 T1
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。
5 2014-11-14
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
2 2014-11-14
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
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几种应用模式
长基线有缆潜器（TTS）导航模式 母船上只有接收机，TTS上装有问答机。 定位对象为TTS 求TTS与T的斜距R2 工作过程
设：接收时刻t1、t2 单程传播时间T1、T2 则，
t2 t1 T1 F4
1 T2 t 2 2
1 T1 t1 t 2 2
sin A1 BX AX sin A2
sin A7 AX sin A1 sin A3 sin A5 sin A7 sin A8 sin A2 sin A4 sin A6 sin A8
sin A3 CX BX sin A4
DX CX sin A5 sin A4
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
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。
R1 问答机 h R2
应答器2
X xi Y yi
2
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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
T3
应答器
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2014-11-14
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
21 2014-11-14
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
长基线、短基线和超短基线系统的区别
定位方法：长基线利用海底应答器阵来确定载体的位置 答器阵来确定载体 的位置----相对于 记录询问时刻和各应答器应答信号到达时刻
位置坐标：定位的坐标是海底应答器阵的相对坐标 应答器的频率：各个应答器的回答频率不同 定位目标、使用条件：确知应答器阵的绝对地理位置
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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2014-11-14
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。
(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
18 2014-11-14
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。
t3 2T1
T3 t 2 t3 T1 R3 cT3
2014-11-14
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
19 2014-11-14
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
F2、F3、F1
应答器F4、F3
2014-11-14
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
T3
应答器
t1
接收机顺次收到回 波的时间为 t1 、 t2 、 tT 3 2 t 2T
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
20 2014-11-14
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
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
16 2014-11-14
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。