水下定位技术概述资料
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14 14
长基线定位系统算法
R2 1
(x
x1)2
(y
y1)2
(z
z1)2
R2 2
(x
x2)2
(y
y2)2
(z
z 2)2
R2 3
(x
x3)2
(y
y3)2
(z
z 3) 2
R1 cT 1 R2 cT 2
x,y,z
2
2
R3 cT 3 2
x1,y1,z1
x2,y2,z2
Copyright—Sound and Vibration Lab of ZJUT
2
基本概念：背景
靠什么实现水下定位？ 声波在海水中的衰减速度远小于电磁波， 所以水下定位主要采用声波。
Copyright—Sound and Vibration Lab of ZJUT
3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 基本概念：背景
水下声学定位的应用：航道安全、深海矿 藏资源调查、海底光缆线路铺设等，对水 下拖体进行导航定位。
3.求z坐标
z z1 z2 z3 z4 4
其中
z1 R12 (x a)2 ( y b)2 1/ 2
H3 (-a,-b)
H1
(a,-b) x
H4
(-a,b) R3 y R4
HP2 (a,b)
R2 R1
z2 R22 (x a)2 ( y b)2 1/ 2
z3 R32 (x a)2 ( y b)2 1/ 2
positioning)
USBL (Ultrashort
Baseline positioning)
操作简单，价格 低廉；深水测量 基线长度要大于
40米。
安装、操作简单； 精度校准要求极
高。
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5
短基线定位系统
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
Copyright—Sound and Vibration Lab of ZJUT
6
非同步信标定 位解算方法
1.求x坐标
dR31 R3 R1 ct3 ct1
D1sin x
x z sin x z c(t3 t1)
D1
2.求y坐标
dR21 R2 R1 ct 2 ct1
x3,y3,z3
15
长基线定位系统算法
x 1( y3 y2) 2( y1 y3) 3( y2 y1)
2[x1( y3 y2) x2( y3 y2) x3( y3 y2)]
y 1(x3 x2) 2(x1 x3) 3(x2 x1)
2[ y1(x3 x2) y2(x3 x2) y3(x3 x2)]
HP2 (a,b)
R2 R1
应答器
T（x，y11，00 z）
超短基线定位系统
组成结构：
– 发射换能器和几个水听器可以组成一个直径只有几 厘米～几十厘米的水听器基阵，称为声头。
– 声头可以安装在船体的底部，也可以悬挂于小型水 面船的一侧。
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z4 R42 (x a)2 ( y b)2 1/ 2
应答器
T（x，y，z） 9
9
若只收到3个信号， 例如1，2，3号收到 信号
x (R32 R12 ) y (R12 R22 )
4a
4b
深度的均值
z z1 z2 z3 3
H3 (-a,-b)
H1
(a,-b) x
H4
(-a,b) R3 y R4
11
超短基线系统的两种定位解算方式
已知
方位-深度法 声线入射角θ和已知深度h
方位-距离法 声线入射角θ和测量距离R
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12 12
超短基线定位系 统算法
x S cos mx 1 ct c t3 t1
2D
y S cos my 1 ct c t2 t3
R42 (x a)2 ( y b)2 z 2
2.求x，y坐标
x (R32 R12 ) (R42 R22 ) 8a
y (R12 R22 ) (R32 R42 ) 8b
H3 (-a,-b)
H1
(a,-b) x
H4
(-a,b) R3 y R4
HP2 (a,b)
R2 R1
应答器
T（x，y，z） 8
Copyright—Sound and Vibration Lab of ZJUT
4
基本概念：三种声学定位系统
定位类型
基线长度（m）
简称
特点
长基线 短基线 超短基线
100~6000 20~50 <1
LBL
大面积区域调查；
(Long Baseline 系统复杂，操作
Positioning)
繁琐。
SBL (Short Baseline
D2 sin y
y z sin y z c(t2 t1)
D2
D1
H3 H1 H2
y
D2 x
θX H3
dR31
R3 x
H1
R1 z
x
x
7
使用应答器的结算方法
1.建立数学模型
R12 (x a)2 ( y b)2 z 2
R22 (x a)2 ( y b)2 z 2 R32 (x a)2 ( y b)2 z 2
2D
z S2 x2 y2
y 2
3D
0
1 x
4
长基线定位系统
舰上问答机发出询问信号
应答器发出回答信号
F41,T1
F42,T2
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。
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F43,T3
水下定位技术概述 The Overview of Underwater
Positioning Technology
仰涛 2017/4/13
Copyright—Sound and Vibration Lab of ZJUT
1
大纲
基本概念 三种基线定位技术原理 定位误差来源
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其中 i xi2 yi2 zi2 Ri2 2ziz, i 1, 2, 3
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16
定位误差来源
系统误差：声速测量误差、声波波长误差、声线 弯曲导致的相位测量误差、基阵安装误差等。
随机误差：海洋噪声、船姿态、水听器基阵姿态 变化等。
长基线定位系统算法
R2 1
(x
x1)2
(y
y1)2
(z
z1)2
R2 2
(x
x2)2
(y
y2)2
(z
z 2)2
R2 3
(x
x3)2
(y
y3)2
(z
z 3) 2
R1 cT 1 R2 cT 2
x,y,z
2
2
R3 cT 3 2
x1,y1,z1
x2,y2,z2
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2
基本概念：背景
靠什么实现水下定位？ 声波在海水中的衰减速度远小于电磁波， 所以水下定位主要采用声波。
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3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 基本概念：背景
水下声学定位的应用：航道安全、深海矿 藏资源调查、海底光缆线路铺设等，对水 下拖体进行导航定位。
3.求z坐标
z z1 z2 z3 z4 4
其中
z1 R12 (x a)2 ( y b)2 1/ 2
H3 (-a,-b)
H1
(a,-b) x
H4
(-a,b) R3 y R4
HP2 (a,b)
R2 R1
z2 R22 (x a)2 ( y b)2 1/ 2
z3 R32 (x a)2 ( y b)2 1/ 2
positioning)
USBL (Ultrashort
Baseline positioning)
操作简单，价格 低廉；深水测量 基线长度要大于
40米。
安装、操作简单； 精度校准要求极
高。
Copyright—Sound and Vibration Lab of ZJUT
5
短基线定位系统
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
Copyright—Sound and Vibration Lab of ZJUT
6
非同步信标定 位解算方法
1.求x坐标
dR31 R3 R1 ct3 ct1
D1sin x
x z sin x z c(t3 t1)
D1
2.求y坐标
dR21 R2 R1 ct 2 ct1
x3,y3,z3
15
长基线定位系统算法
x 1( y3 y2) 2( y1 y3) 3( y2 y1)
2[x1( y3 y2) x2( y3 y2) x3( y3 y2)]
y 1(x3 x2) 2(x1 x3) 3(x2 x1)
2[ y1(x3 x2) y2(x3 x2) y3(x3 x2)]
HP2 (a,b)
R2 R1
应答器
T（x，y11，00 z）
超短基线定位系统
组成结构：
– 发射换能器和几个水听器可以组成一个直径只有几 厘米～几十厘米的水听器基阵，称为声头。
– 声头可以安装在船体的底部，也可以悬挂于小型水 面船的一侧。
Copyright—Sound and Vibration Lab of ZJUT
z4 R42 (x a)2 ( y b)2 1/ 2
应答器
T（x，y，z） 9
9
若只收到3个信号， 例如1，2，3号收到 信号
x (R32 R12 ) y (R12 R22 )
4a
4b
深度的均值
z z1 z2 z3 3
H3 (-a,-b)
H1
(a,-b) x
H4
(-a,b) R3 y R4
11
超短基线系统的两种定位解算方式
已知
方位-深度法 声线入射角θ和已知深度h
方位-距离法 声线入射角θ和测量距离R
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12 12
超短基线定位系 统算法
x S cos mx 1 ct c t3 t1
2D
y S cos my 1 ct c t2 t3
R42 (x a)2 ( y b)2 z 2
2.求x，y坐标
x (R32 R12 ) (R42 R22 ) 8a
y (R12 R22 ) (R32 R42 ) 8b
H3 (-a,-b)
H1
(a,-b) x
H4
(-a,b) R3 y R4
HP2 (a,b)
R2 R1
应答器
T（x，y，z） 8
Copyright—Sound and Vibration Lab of ZJUT
4
基本概念：三种声学定位系统
定位类型
基线长度（m）
简称
特点
长基线 短基线 超短基线
100~6000 20~50 <1
LBL
大面积区域调查；
(Long Baseline 系统复杂，操作
Positioning)
繁琐。
SBL (Short Baseline
D2 sin y
y z sin y z c(t2 t1)
D2
D1
H3 H1 H2
y
D2 x
θX H3
dR31
R3 x
H1
R1 z
x
x
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使用应答器的结算方法
1.建立数学模型
R12 (x a)2 ( y b)2 z 2
R22 (x a)2 ( y b)2 z 2 R32 (x a)2 ( y b)2 z 2
2D
z S2 x2 y2
y 2
3D
0
1 x
4
长基线定位系统
舰上问答机发出询问信号
应答器发出回答信号
F41,T1
F42,T2
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。
Copyright—Sound and Vibration Lab of ZJUT
F43,T3
水下定位技术概述 The Overview of Underwater
Positioning Technology
仰涛 2017/4/13
Copyright—Sound and Vibration Lab of ZJUT
1
大纲
基本概念 三种基线定位技术原理 定位误差来源
Copyright—Sound and Vibration Lab of ZJUT
Copyright—Sound and Vibration Lab of ZJUT
其中 i xi2 yi2 zi2 Ri2 2ziz, i 1, 2, 3
Copyright—Sound and Vibration Lab of ZJUT
16
定位误差来源
系统误差：声速测量误差、声波波长误差、声线 弯曲导致的相位测量误差、基阵安装误差等。
随机误差：海洋噪声、船姿态、水听器基阵姿态 变化等。