短基线水声定位系统SBL.ppt
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1、水下定位与导航技术水下定位与导航技术第二章第二章 短基线水声定位系统短基线水声定位系统(Ultra-short baseline positioning system-SBL)10/28/2022110/28/2022本章要解决的问题本章要解决的问题oo短基线定位系统的结构(组成)和原理短基线定位系统的结构(组成)和原理短基线定位系统的结构(组成)和原理短基线定位系统的结构(组成)和原理oo三种工作模式(同步和非同步信标方式、应答器方式)三种工作模式(同步和非同步信标方式、应答器方式)三种工作模式(同步和非同步信标方式、应答器方式)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(
2、位置解算公式)下的定位算法(位置解算公式)下的定位算法(位置解算公式)下的定位算法(位置解算公式)oo解算后位置修正问题(坐标变换是通用的。基阵坐标系、解算后位置修正问题(坐标变换是通用的。基阵坐标系、解算后位置修正问题(坐标变换是通用的。基阵坐标系、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)转换为船坐标系、大地坐标系)转换为船坐标系、大地坐标系)转换为船坐标系、大地坐标系)oo介绍短基线定位系统的实例介绍短基线定位系统的实例介绍短基线定位系统的实例介绍短基线定位系统的实例n n由定位方程进行定位解算的方法由定位方程进行定位解算的方法由定位方程进行定位解算的
3、方法由定位方程进行定位解算的方法n n定位误差的分析定位误差的分析定位误差的分析定位误差的分析n n基阵校准与水下姿态修正基阵校准与水下姿态修正基阵校准与水下姿态修正基阵校准与水下姿态修正n n距离模糊问题(定位系统存在的普遍问题)距离模糊问题(定位系统存在的普遍问题)距离模糊问题(定位系统存在的普遍问题)距离模糊问题(定位系统存在的普遍问题)210/28/2022 2.1 引言引言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。接收频率可以多个,对应于多个应答器,常常只相隔。发射和接收换能器是无指向性的。是置于海底或装在载体上的发射/接收器。它接收问答机的询
4、问信号(或指令),发回另一与接收频率不同的回答信号。收发换能器无指向性的。问答器:先发后收,发射器和接收器可在一起也可分开。应答器:先收后发,发射和接收共用一个换能器。注意:问答器和应答器的区别。注意:问答器和应答器的区别。置于海底或装在水下载体(潜器)上的发射器,它以特定频率不停的发出声脉冲。它是自主工作的。声信标分同步式和非同步式两种。置于海底或装在水下载体(潜器)上的发射器,它由外部硬件(如控制线)的控制信号触发,发出询问信号。问答机或其它水听器接收它的信号。它常用于噪声较强的场合。oo一些名词的解释一些名词的解释一些名词的解释一些名词的解释n n询问器或问答机(询问器或问答机(询问器或
5、问答机(询问器或问答机(InterogatorInterogator)n n应答器(应答器(应答器(应答器(TransponderTransponder)n n声信标(声信标(声信标(声信标(BeaconBeacon或或或或PingerPinger)n n响应器(响应器(响应器(响应器(ResponderResponder)310/28/2022短基线系统(短基线系统(SBL)oo系统组成系统组成系统组成系统组成n n被定位的船或被定位的船或被定位的船或被定位的船或潜器上至少有潜器上至少有潜器上至少有潜器上至少有3 3个水听器。个水听器。个水听器。个水听器。n n间距在间距在间距在间距在5 5
6、2020米的量级。米的量级。米的量级。米的量级。n n水面船上面装水面船上面装水面船上面装水面船上面装有问答机有问答机有问答机有问答机n n一个同步信标一个同步信标一个同步信标一个同步信标(或应答器)(或应答器)(或应答器)(或应答器)置于海底置于海底置于海底置于海底oo工作原理工作原理工作原理工作原理n n问答机接收来自信标(或应答器)发出的信号,根据信问答机接收来自信标(或应答器)发出的信号,根据信问答机接收来自信标(或应答器)发出的信号,根据信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号到达各基元的时间,求得斜距,据此可计算水面船相号
7、到达各基元的时间,求得斜距,据此可计算水面船相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。对于信标(或应答器)的位置。对于信标(或应答器)的位置。对于信标(或应答器)的位置。410/28/2022典型的典型的SBL系统的工作原理系统的工作原理使用非同步信标的短基线系统使用非同步信标的短基线系统使用非同步信标的短基线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使用应答器的短基线水声定位系统使用应答器的短基线水声定位系统使用应答器的短基线水声定位系统510/28/2022oo问题:问题:问题:问题:n n有无其它的信号形式?有无其它的信号形式?有无
8、其它的信号形式?有无其它的信号形式?n n有无其它的测时方法?效果如何?有无其它的测时方法?效果如何?有无其它的测时方法?效果如何?有无其它的测时方法?效果如何?oo测时方法:测时方法:测时方法:测时方法:n采用常规脉冲包络检波和相对到达时间测量方法。采用常规脉冲包络检波和相对到达时间测量方法。oo定位精度:定位精度:定位精度:定位精度:n一般在长基线和超短基线系统之间。一般在长基线和超短基线系统之间。oo特点及存在的问题:特点及存在的问题:特点及存在的问题:特点及存在的问题:n水听器需要安装在载体的不同位置,有些水听器有时不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
9、大的位置,从而影响定位效果。可避免地会处于噪声较大的位置,从而影响定位效果。610/28/20222.2 使用非同步信标的短基线系统使用非同步信标的短基线系统oo分析:分析:分析:分析:n n用信标定位的目的:要知道船或目标(应答器)用信标定位的目的:要知道船或目标(应答器)用信标定位的目的:要知道船或目标(应答器)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的大地位置,首先需要知道船与信标的相对位的大地位置,首先需要知道船与信标的相对位的大地位置,首先需要知道船与信标的相对位置。置。置。置。n n定位条件:船上只需定位条件:船上只需定位条件:船上只需定位
10、条件:船上只需3 3只接收器只接收器只接收器只接收器n n设要求解的船的坐标是:设要求解的船的坐标是:设要求解的船的坐标是:设要求解的船的坐标是:x x、y y、z z,信号的信号的信号的信号的为为为为xx,已知,已知,已知,已知信标深度为信标深度为信标深度为信标深度为Z Z、两、两、两、两换换换换能器的能器的能器的能器的间间间间距分距分距分距分别别别别为为为为D D1 1 、D D2 2 ,测测测测得两两水听器接收信号的得两两水听器接收信号的得两两水听器接收信号的得两两水听器接收信号的时时时时延延延延差。差。差。差。n n可用通可用通可用通可用通过过过过几何关系可列出它几何关系可列出它几何关
11、系可列出它几何关系可列出它们们们们之之之之间间间间的关系方程。的关系方程。的关系方程。的关系方程。710/28/20222.2 使用非同步信标的短基线系统使用非同步信标的短基线系统oo定位解算的思路:定位解算的思路:定位解算的思路:定位解算的思路:n n通通通通过测过测过测过测量两两水听器接收信号的量两两水听器接收信号的量两两水听器接收信号的量两两水听器接收信号的时间时间时间时间差,确定信差,确定信差,确定信差,确定信标标标标相相相相对对对对水面船的距离。水面船的距离。水面船的距离。水面船的距离。oo由于使用的是非同步信由于使用的是非同步信由于使用的是非同步信由于使用的是非同步信标标标标,只能
12、利用,只能利用,只能利用,只能利用时间时间时间时间差差差差进进进进行行行行测测测测向,向,向,向,在在在在进进进进行定位。行定位。行定位。行定位。n n利用几何关系建立利用几何关系建立利用几何关系建立利用几何关系建立定位方程定位方程定位方程定位方程。n n解方程,确定水面船的相解方程,确定水面船的相解方程,确定水面船的相解方程,确定水面船的相对对对对信信信信标标标标的位置。的位置。的位置。的位置。n n根据信根据信根据信根据信标标标标的的的的绝对绝对绝对绝对位置,确定水面船的位置坐位置,确定水面船的位置坐位置,确定水面船的位置坐位置,确定水面船的位置坐标标标标。810/28/2022xR1dR
13、X简化假设:简化假设:简化假设:简化假设:考虑船与信标的考虑船与信标的考虑船与信标的考虑船与信标的距离较远,船在信距离较远,船在信距离较远,船在信距离较远,船在信标的上方。因此,标的上方。因此,标的上方。因此,标的上方。因此,3 3个入射角个入射角个入射角个入射角较小,较小,较小,较小,且近似相等,用且近似相等,用且近似相等,用且近似相等,用 x x代替。代替。代替。代替。x为沿为沿x轴的轴的两个水听器的两个水听器的信号入射角信号入射角 A EDB C定位解算方法定位解算方法定位解算方法定位解算方法910/28/2022 记记记记 ,因此有因此有因此有因此有 而而而而 当船在信标上方附近时,当
14、船在信标上方附近时,当船在信标上方附近时,当船在信标上方附近时,X X X X很小,有很小,有很小,有很小,有 。因此有。因此有。因此有。因此有 类似地,计算出信标在类似地,计算出信标在类似地,计算出信标在类似地,计算出信标在y y轴的位移,得到轴的位移,得到轴的位移,得到轴的位移,得到问题:信问题:信问题:信问题:信标深度如标深度如标深度如标深度如何知道?何知道?何知道?何知道?应答器的应答器的应答器的应答器的位置事先位置事先位置事先位置事先是如何确是如何确是如何确是如何确定的?定的?定的?定的?1010/28/20222.3 使用应答器的短基线水声定位系统使用应答器的短基线水声定位系统oo
15、使用应答器的优点使用应答器的优点使用应答器的优点使用应答器的优点n n只有问答机发出询问信号时,应答器才回答。无询问只有问答机发出询问信号时,应答器才回答。无询问只有问答机发出询问信号时,应答器才回答。无询问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;信号时,它保持安静,使电池寿命得以延长;信号时,它保持安静,使电池寿命得以延长;信号时,它保持安静,使电池寿命得以延长;n n可利用绝对往返时间求解,不需要简化假设。使用非可利用绝对往返时间求解,不需要简化假设。使用非可利用绝对往返时间求解,不需要简化假设。使用非可利用绝对往返时间求解,不需要简化假设。使
16、用非同步信标方式,只能利用时差,不得不作假设;同步信标方式,只能利用时差,不得不作假设;同步信标方式,只能利用时差,不得不作假设;同步信标方式,只能利用时差,不得不作假设;n n可以编程询问,按需要调整数据速率。在多个应答器可以编程询问,按需要调整数据速率。在多个应答器可以编程询问,按需要调整数据速率。在多个应答器可以编程询问,按需要调整数据速率。在多个应答器的情况下,可在时间上调整询问,避免回答重叠;的情况下,可在时间上调整询问,避免回答重叠;的情况下,可在时间上调整询问,避免回答重叠;的情况下,可在时间上调整询问,避免回答重叠;n n因询问时刻已知,可用时间窗接收,从而降低虚警并因询问时刻
17、已知,可用时间窗接收,从而降低虚警并因询问时刻已知,可用时间窗接收,从而降低虚警并因询问时刻已知,可用时间窗接收,从而降低虚警并减小多途回波的干扰;减小多途回波的干扰;减小多途回波的干扰;减小多途回波的干扰;n n在两个问答机和两个应答器的情况,有可能根据几何在两个问答机和两个应答器的情况,有可能根据几何在两个问答机和两个应答器的情况,有可能根据几何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。关系确定最佳可视范围。关系确定最佳可视范围。关系确定最佳可视范围。1110/28/20222.3 使用应答器的短基线水声定位系统使用应答器的短基线水声定位系统oo使用应答器使用应答
18、器使用应答器使用应答器的短基线水的短基线水的短基线水的短基线水声定位系统声定位系统声定位系统声定位系统(船上除有(船上除有(船上除有(船上除有水听器阵外,水听器阵外,水听器阵外,水听器阵外,还有问答机)还有问答机)还有问答机)还有问答机)1210/28/2022定位解算方法定位解算方法 oo设应答器的坐标为,设应答器的坐标为,设应答器的坐标为,设应答器的坐标为,oo有有有有4 4个水听器位于边长个水听器位于边长个水听器位于边长个水听器位于边长为为为为2 2a a,2 2b b的矩形顶的矩形顶的矩形顶的矩形顶点点点点oo有有有有XX、y y、z z三个未知三个未知三个未知三个未知数,数,数,数,
19、3 3个水听器可有个水听器可有个水听器可有个水听器可有3 3个斜距,列个斜距,列个斜距,列个斜距,列3 3个方程个方程个方程个方程oo有一个冗余的水听器,有一个冗余的水听器,有一个冗余的水听器,有一个冗余的水听器,有何意义?有何意义?有何意义?有何意义?1310/28/2022xy(x x,y y,z z)应答器应答器PR1R2H1H2H3H4R3R4T定位解算方程定位解算方程 oo设设设设应答器的坐标为应答器的坐标为应答器的坐标为应答器的坐标为 T T(x x,y y,z z)oo不考虑声线弯曲时,不考虑声线弯曲时,不考虑声线弯曲时,不考虑声线弯曲时,由几何关系可以得到由几何关系可以得到由几
20、何关系可以得到由几何关系可以得到定位方程定位方程定位方程定位方程(a,-b)(-a,-b)(a,b)(-a,b)1410/28/2022oo因此有因此有因此有因此有oo消去消去消去消去z z,得到,得到,得到,得到oo代回原方程有代回原方程有代回原方程有代回原方程有oo深度的均值深度的均值深度的均值深度的均值4 4 4 4个值的平均个值的平均个值的平均个值的平均1510/28/2022oo若只收到若只收到若只收到若只收到3 3个信号,例如个信号,例如个信号,例如个信号,例如1 1,2 2,3 3号收到信号号收到信号号收到信号号收到信号oo深度的均值深度的均值深度的均值深度的均值 oo问题:各个
21、问题:各个问题:各个问题:各个RR值如何确定?值如何确定?值如何确定?值如何确定?n n在船中心只有一个发射器(不是问答器)时,应在船中心只有一个发射器(不是问答器)时,应在船中心只有一个发射器(不是问答器)时,应在船中心只有一个发射器(不是问答器)时,应答器到各水听器的距离可用各信号的往返距离的答器到各水听器的距离可用各信号的往返距离的答器到各水听器的距离可用各信号的往返距离的答器到各水听器的距离可用各信号的往返距离的1/21/2代替。代替。代替。代替。n n若采用若采用若采用若采用问答机问答机问答机问答机,则容易通过它得到船中心(发射,则容易通过它得到船中心(发射,则容易通过它得到船中心(
22、发射,则容易通过它得到船中心(发射器位置)与应答器的距离,从而得到应答器到各器位置)与应答器的距离,从而得到应答器到各器位置)与应答器的距离,从而得到应答器到各器位置)与应答器的距离,从而得到应答器到各水听器的距离。水听器的距离。水听器的距离。水听器的距离。1610/28/2022xy(x x,y y,z z)应答器应答器PR1R2H1H2H3H4R3R4T各个各个R值如何确定?值如何确定?oo设设设设HH4 4为问答器,则为问答器,则为问答器,则为问答器,则HH4 4发射并接收,回波时发射并接收,回波时发射并接收,回波时发射并接收,回波时间为间为间为间为T T0 0,因此,因此,因此,因此,
23、oo而而而而HH1 1收到回波的时间收到回波的时间收到回波的时间收到回波的时间为为为为t t1 1,行程为,行程为,行程为,行程为,oo所以所以所以所以oo任意一个任意一个任意一个任意一个RR1 1RR4 41710/28/20222.4 位置修正(姿态修正)位置修正(姿态修正)oo为何要进行位置修正?为何要进行位置修正?为何要进行位置修正?为何要进行位置修正?n n船有纵摇(船有纵摇(船有纵摇(船有纵摇(pitchpitch在船的在船的在船的在船的XZXZ平面内)、横摇平面内)、横摇平面内)、横摇平面内)、横摇 (rollroll在在在在YZYZ平面内)平面内)平面内)平面内)n n测量是以
24、基阵坐标系进行的测量是以基阵坐标系进行的测量是以基阵坐标系进行的测量是以基阵坐标系进行的 oo修正的方法修正的方法修正的方法修正的方法n n进行坐标变换进行坐标变换进行坐标变换进行坐标变换n n什么是坐标变换什么是坐标变换什么是坐标变换什么是坐标变换oo将测量坐标系(如基阵坐标系)下将测量坐标系(如基阵坐标系)下将测量坐标系(如基阵坐标系)下将测量坐标系(如基阵坐标系)下测量的目标位置或者说目标的坐标(视测量的目标位置或者说目标的坐标(视测量的目标位置或者说目标的坐标(视测量的目标位置或者说目标的坐标(视在坐标)转换到另一个坐标系(如船坐标系、大地坐标系),即求在坐标)转换到另一个坐标系(如船
25、坐标系、大地坐标系),即求在坐标)转换到另一个坐标系(如船坐标系、大地坐标系),即求在坐标)转换到另一个坐标系(如船坐标系、大地坐标系),即求出目标在新的坐标系下的坐标。出目标在新的坐标系下的坐标。出目标在新的坐标系下的坐标。出目标在新的坐标系下的坐标。n n将基阵坐标系下的目标位置转换为大地坐标系下的坐标将基阵坐标系下的目标位置转换为大地坐标系下的坐标将基阵坐标系下的目标位置转换为大地坐标系下的坐标将基阵坐标系下的目标位置转换为大地坐标系下的坐标需要:基阵坐标系需要:基阵坐标系需要:基阵坐标系需要:基阵坐标系船坐标系(经摇摆修正后)船坐标系(经摇摆修正后)船坐标系(经摇摆修正后)船坐标系(经
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