水下定位技术概述

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定位误差：声线弯曲
常声速声线跟踪法
常梯度声线跟踪法
sin i pCi
1 Ri pgi
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定位误差：姿态变化
X
X X Y Y ZZ
Y
Z
姿态变化
为什么要进行姿态 修正： 船受风、浪影响， 会有晃动。而测量 是以基阵坐标系进 行的。 解决方法：姿态修 正（坐标变换）
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定位误差：海洋噪声
海洋噪声来源：海面波浪空化噪声，舰 船噪声等。 应对措施：对噪声源抑制降低噪声提高 信噪比。 选择流线型的测量船和换能器，选 择低噪音发动机，增大吃水深度等。
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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 大面积区域调查； 系统复杂，操作 繁琐。 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。
长基线
100~6000
其中
H3 (-a,-b)
(a,-b) x
H1
(-a,b)
2 1/ 2
H4
R3
HP 2 (a,b) R2 R1
z1 R12 ( x a) 2 ( y b)
z2
2 2
R

( x a)
2
( y b)

y
R4
2 1/ 2
z 3 R ( x a ) ( y b)
LBL (Long Baseline Positioning) SBL (Short Baseline positioning)
短基线
20~50
超短基线
<1
USBL (Ultrashort Baseline positioning)
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水下定位技术概述 The Overview of Underwater Positioning Technology
仰涛 2017/4/13
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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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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
超短基线定位系 统算法
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Thanks！
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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
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非同步信标定 位解算方法 1.求x坐标
D1
H3 H1 H2 y
D2
x
dR31 R3 R1 ct 3 ct1 D1 sin x
x z sin x z c(t 3 t1) D1
2.求y坐标
dR31
H3 R3
θX
H1 R1 z
dR 21 R 2 R1 ct 2 ct1 D 2 sin y
c(t 2 t1) y z sin y z D2
x
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
2 R2 ( x a) 2 ( y b) 2 z 2
2 R3 ( x a) 2 ( y b) 2 z 2
H3 (-a,-b)
(a,-b) x
H1
(-a,b) y
R4
H4
R3
HP 2 (a,b) R2 R1
其中
i xi 2 yi 2 zi 2 Ri 2 2ziz, i 1, 2,3
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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。
(-a,b) y
R4
H4
R3
HP 2 (a,b) R2 R1
深度的均值
z1 z 2 z 3 z 3
T （x，y ，z） 10 10
应答器
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。
z 4 R ( x a) ( y b)
2 4 2

2 3
2
2 1/ 2
2 1/ 2

T （x，y， z） 9
9
应答器
若只收到3个信号， 例如1，2，3号收到 信号
(R R ) x 4a
2 3 2 1
H3 (-a,-b)
(a,-b) x
H1
(R R ) y 4b
2 1 2 2
1 c t 3 t1 x S cos mx ct 2 D 1 c t2 t3 y S cos my ct 2 D
y
2
z S x y
2 1 x
4
长基线定位系统
舰上问答机发出询问信号
F41,T1 F42,T2 应答器发出回答信号
F43,T3
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。
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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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。
R ( x a) ( y b) z
2 4 2 2
2
2.求x，y坐标
2 2 ( R32 R12 ) ( R4 R2 ) x 8a 2 2 ( R12 R2 ) ( R32 R4 ) y 8b
T （x，y， z） 8
应答器
3.求z坐标
z1 z 2 z3 z 4 z 4
cT 1 cT 2 R1 R2 2 2 x ,y ,z cT 3 R3 2
1 1
x,y,z
x3,y3,z3
1
x2,y2,z2
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长基线定位系统算法
x y
1( y 3 y 2) 2( y1 y 3) 3( y 2 y1)
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长基线定位系统算法
R12 ( x x1)2 ( y y1)2 ( z z1)2 R22 ( x x2)2 ( y y2)2 ( z z 2)2 R32 ( x x3)2 ( y y3)2 ( z z3)2
2[ x1( y 3 y 2) x 2( y 3 y 2) x3( y 3 y 2)]
1( x3 x 2) 2( x1 x3) 3( x 2 x1)
2[ y1( x3 x 2) y 2( x3 x 2) y 3( x3 x 2)]