长基线水声定位系统课件.ppt
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1、长基线水声定位系统长基线水声定位系统1第1页,此课件共56页哦特点:特点:利用海底应答利用海底应答器阵来确定载体的位器阵来确定载体的位置置-相对于海底应相对于海底应答器阵的相对坐标。答器阵的相对坐标。4.1 引言引言oo组成结构及原理(工作过程)组成结构及原理(工作过程)组成结构及原理(工作过程)组成结构及原理(工作过程)oo应用应用应用应用n n水下施工水下施工n n海底电缆铺设海底电缆铺设n n海上石油勘探海上石油勘探n n水下载体定位方面有广泛的应用。水下载体定位方面有广泛的应用。n n还可与还可与GPSGPS一起,完成水下机器人的高精度绝对定位。一起,完成水下机器人的高精度绝对定位。o
2、o长基线、短基线和超短基线系统的区别长基线、短基线和超短基线系统的区别长基线、短基线和超短基线系统的区别长基线、短基线和超短基线系统的区别n n基线:是以应答器构成的,通常应答器的应答距离为基线:是以应答器构成的,通常应答器的应答距离为10102020公里公里oo基线安装的位置:海底基线安装的位置:海底n n定位方法:长基线利用海底应答器阵来确定载体的位置定位方法:长基线利用海底应答器阵来确定载体的位置oo记录询问时刻和各应答器应答信号到达时刻记录询问时刻和各应答器应答信号到达时刻n n位置坐标:定位的坐标是海底应答器阵的相对坐标位置坐标:定位的坐标是海底应答器阵的相对坐标n n应答器的频率:
3、各个应答器的回答频率不同应答器的频率:各个应答器的回答频率不同 n n定位目标、使用条件:确知应答器阵的绝对地理位置定位目标、使用条件:确知应答器阵的绝对地理位置2第2页,此课件共56页哦4.1 引言引言3第3页,此课件共56页哦4.1 引言引言oo组成结构及原理组成结构及原理组成结构及原理组成结构及原理n n浮标形式的长基线系统浮标形式的长基线系统oo长长基基线线系系统统的的基基元元也也可可以以是是水水面面无无线线电电浮浮标标。此此时时被被定定位位的的目目标标上上装装有有同同步步或或非非同同步步声声信信标标,诸诸基基元元接接收收的的声声信信号号需需调调制制为为无无线线电电信信号号发发到到一一
4、只只母母船船上上进进行行处处理理,从从而而完完成成水水下下目目标标的的定定位位。由由于于无无线线电电浮浮标标在在海海面面上上不不固固定定,因因此此必必须须利利用用装装载载其其上上的的GPSGPS接接收收机机定定时时地地测测定定自自身身位位置置,与与定定位位信信号号一一起起发发至至母船。母船。换插图?换插图?换插图?换插图?4第4页,此课件共56页哦4.1 引言引言o 本章要解决的问题本章要解决的问题n n本章主要研究利用海底应答器的长基线水声定位系统,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。利用无线电浮标的长基线系统基本原理是相同的。n n长
5、基线系统的几种应用模式长基线系统的几种应用模式(定位解算时,依定位模式定位解算时,依定位模式的不同获取水声传播距离的方式也有所不同。的不同获取水声传播距离的方式也有所不同。)n n海底应答器的标校(定位系统的阵元为应答器,因此海底应答器的标校(定位系统的阵元为应答器,因此应答器的位置测量精度对定位精度有直接影响)应答器的位置测量精度对定位精度有直接影响)n n跟踪定位算法跟踪定位算法n n应用实例介绍。应用实例介绍。5第5页,此课件共56页哦4.2 几种应用模式几种应用模式oo舰船导航模式舰船导航模式舰船导航模式舰船导航模式 oo长基线有缆潜器(长基线有缆潜器(长基线有缆潜器(长基线有缆潜器(
6、TTSTTS)导航模式)导航模式)导航模式)导航模式(Tetherd SubmersibleTetherd Submersible)oo长基线无缆潜器(长基线无缆潜器(长基线无缆潜器(长基线无缆潜器(FSSFSS)定位模式)定位模式)定位模式)定位模式(Free Swimming SubmersibleFree Swimming Submersible)n n母船询问的长基线母船询问的长基线FSSFSS定位导航模式定位导航模式n n长基线同步鈡长基线同步鈡FSSFSS定位导航模式定位导航模式n n舰舰船船导导航航模模式式、有有缆缆潜潜器器导导航航模模式式以以及及无无缆缆潜潜器器导航模式。导航模
7、式。6第6页,此课件共56页哦4.2 几种应用模式几种应用模式oo舰船导航模式舰船导航模式舰船导航模式舰船导航模式 1 1)定位对象为水面舰船)定位对象为水面舰船n n系统组成系统组成n n工作原理工作原理可算出船与应答器之间的精确距离。通过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定位方程解算出船在应答器阵中的相对位置坐标。置坐标。应答器的回答频率(多个)统一记成 F4舰上问答机发出询问信号,频率 为F3(通常为一个)问答机与应答器的距离(多个)统一记成 R1F43F41F427第7页,此课件共56页哦4.2 几种应用模式几种应用模式oo舰船导航模式舰船导航模式
8、舰船导航模式舰船导航模式 2 2)定位对象为有缆潜器)定位对象为有缆潜器n n系统组成系统组成n n工作原理工作原理设:询问时刻为设:询问时刻为0,船上问答,船上问答机接收应答信号时刻为机接收应答信号时刻为t12R1/c,TTS 收到应答信收到应答信号时刻为号时刻为t2=T1+T2。从应答。从应答器到器到TTS的单程传播时间为的单程传播时间为依据同样的方法可以确定依据同样的方法可以确定另外另外2个应答器到个应答器到TTS的单的单程传播时间程传播时间 T1、T3T2T1t1/2应答器与TTS的距离(多个)F3F48第8页,此课件共56页哦4.2 几种应用模式几种应用模式oo舰船导航模式舰船导航模
9、式舰船导航模式舰船导航模式简化模型简化模型简化模型简化模型图中船上问答机图中船上问答机询问信号用询问信号用F3表表示(通常只有一示(通常只有一个频率),应答个频率),应答器回答信号用器回答信号用F4表示(实际上有表示(实际上有几个应答器就有几个应答器就有几个回答频率)。几个回答频率)。由于被定位目标由于被定位目标(水面船)到应(水面船)到应答器的单程传播答器的单程传播时间的求解方法时间的求解方法一样。因此,可一样。因此,可以简化表示。以简化表示。F3F4R1iF3F49第9页,此课件共56页哦4.2 几种应用模式几种应用模式oo长基线长基线长基线长基线有缆潜器有缆潜器有缆潜器有缆潜器(TTST
10、TS)导航模式)导航模式)导航模式)导航模式n n母船上只有接收机,母船上只有接收机,TTSTTS上装有问答机。上装有问答机。n n定位对象为定位对象为TTSTTSn n求求TTSTTS与与T T的斜距的斜距R R2 2n n工作过程工作过程oo设:接收时刻设:接收时刻t t1 1、t t2 2oo单程传播时间单程传播时间T T1 1、T T2 2oo则,则,问答机t1t2T2T1F3F410第10页,此课件共56页哦4.2 几种应用模式几种应用模式oo长长长长基基基基线线线线无无无无缆缆缆缆潜潜潜潜器器器器(Free Free Swimming SubmersibleSwimming Sub
11、mersible FSSFSS)定位模式定位模式定位模式定位模式 1)1)母船询问方式母船询问方式 n n定定 位位 对对 象象 为为FSSFSS(TTSTTS)n n求求T T3 3R R3 3T T5 5T T3 3T T1 1前后两页跳转应答器11第11页,此课件共56页哦4.2 几种应用模式几种应用模式1 1)母船询问的长基线)母船询问的长基线FSSFSS定位导航模式定位导航模式(母船讯问方式母船讯问方式)发发F1、F3、收、收F4应答器应答器F2、F3、F1F F1 1F2T5t1/2 R R5 5t1t3F3F4t2T5+t3+T3+T1F F3 3F F4 4t2t t3 3T3
12、T1应答器应答器F4、F312第12页,此课件共56页哦4.2 几种应用模式几种应用模式oo长长长长基基基基线线线线无无无无 缆缆缆缆 潜潜潜潜 器器器器(Free Free Swimming SubmersibleSwimming Submersible FSSFSS)定位模式定位模式定位模式定位模式 1)1)母船询问方式母船询问方式 n n定定 位位 对对 象象 为为FSSFSS(TTSTTS)n n求求T T3 3R R3 3n n接接收收机机顺顺次次收收到到回回波波的的时时间间为为t t1 1、t t2 2、t t3 3T T5 5T T3 3T T1 1前后两页跳转应答器13第13页
13、,此课件共56页哦4.2 几种应用模式几种应用模式oo长长长长基基基基线线线线无无无无缆缆缆缆潜潜潜潜器器器器(Free Free Swimming Swimming SubmersibleSubmersible FSSFSS)定位模式)定位模式)定位模式)定位模式 2 2)长长基基线线同同步步鈡鈡FSSFSS定定位位导导航航 (FFSFFS询问方式询问方式)n nFSSFSS发发出出讯讯问问信信号号(F F2 2),母母船接收时刻为船接收时刻为t t1 1;n n在在间间隔隔t t3 3时时间间后后,FSSFSS发发出出讯讯问问信信号号(F F3 3),应应答答器器接接收收,并并回回答答(F
14、 F4 4),母母船船接接收收时时刻刻为为t t2 2;n n问问答答器器发发出出讯讯问问信信号号(F F3 3),应应答答器器回回答答(F F4 4),母母船船接接收收时时刻为刻为t t3 3;T5T1T3F2t1F3F4t2t314第14页,此课件共56页哦4.2 几种应用模式几种应用模式2 2)长基线)长基线同步同步鈡鈡FSSFSS定位导航模式定位导航模式 F2F3间隔间隔问答机在t1时刻接收到FSS发出来的信号问答机在t2时刻接收到T发出来的信号F4T3T1?F F3 3问答机在问答机在t t3 3时刻时刻接收到接收到T T的应答的应答信号信号注意:设计一个工作注意:设计一个工作模式主
15、要是考虑能够模式主要是考虑能够求得各个距离。求得各个距离。15第15页,此课件共56页哦4.3 海底应答器阵的校准海底应答器阵的校准oo校准的目的:布放应答器时有误差校准的目的:布放应答器时有误差校准的目的:布放应答器时有误差校准的目的:布放应答器时有误差GPSGPS的数据。的数据。的数据。的数据。n n本节提到的校准方法,即测量应答器的相对坐标本节提到的校准方法,即测量应答器的相对坐标,可以没有,可以没有GPSGPS数据,数据,在有在有GPSGPS数据后可以得到应答器的绝对坐标,还使校准方法简单化,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,可以利用超短基线可以绕
16、着应答器航行,可以利用超短基线GPSGPS初步确定应答器的位置,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。在通过解斜距方程,精确确定应答器的位置。oo两个应答器的情况两个应答器的情况两个应答器的情况两个应答器的情况 oo三个应答器的情况三个应答器的情况三个应答器的情况三个应答器的情况 oo用于用于用于用于4 4边形应答器阵的两种校准方法边形应答器阵的两种校准方法边形应答器阵的两种校准方法边形应答器阵的两种校准方法 1 1)条件方程法)条件方程法2)2)坐标变动法坐标变动法16第16页,此课件共56页哦4.3 海底应答器阵的校准海底应答器阵的校准oo两个应答器的情况两个应答器
17、的情况两个应答器的情况两个应答器的情况 n n简单的方法是在应答器布简单的方法是在应答器布放时利用无线电定位或放时利用无线电定位或GPSGPS记下投放点的位置。记下投放点的位置。n n也可利用船上问答机与应也可利用船上问答机与应答器连续进行应答,测量答器连续进行应答,测量问答机与两应答器的距离。问答机与两应答器的距离。n n当两距离之和达到最小时,当两距离之和达到最小时,此最小值即为两应答器间此最小值即为两应答器间的距离。的距离。应答器1应答器2R1R2h问答机17第17页,此课件共56页哦4.3 海底应答器阵的校准海底应答器阵的校准oo三个应答器的情况三个应答器的情况三个应答器的情况三个应答
18、器的情况n n设问答机的深度设问答机的深度为为0 0n n在在DD、E E、F F点测点测量应答器的深度量应答器的深度n n在在A A、B B、C C点测点测量到三个应答器量到三个应答器之间的斜距之间的斜距n n若要用最少的应若要用最少的应答器得到最大覆答器得到最大覆盖范围,则阵形盖范围,则阵形应是等边三角形应是等边三角形(2 2,2 2,0)Rji第第j个测量与第个测量与第i个应答器间的斜距个应答器间的斜距、有有5个,个,x2、x3、y3共有共有8个未知数,个未知数,9个方程个方程18第18页,此课件共56页哦4.3 海底应答器阵的校准海底应答器阵的校准oo四个应答器的情况四个应答器的情况四
19、个应答器的情况四个应答器的情况1 1)条件方程法)条件方程法n n4 4个应答器构成的个应答器构成的4 4边形共有边形共有6 6根连线:根连线:4 4个边和个边和两个对角线。对这些连线进行测量。由于两个对角线。对这些连线进行测量。由于4 4边形边形只要只要5 5个值便可唯一确定,因而第个值便可唯一确定,因而第6 6个量是冗个量是冗余的。余的。DABCX思路:思路:1)已知两两应答器间的斜距和各应答器的深度。)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)将斜距投影水平面3)利用一个水平的四边形去拟合由)利用一个水平的四边形去拟合由4个应答器构成的投影个应答器构成的投影4边形,找
20、出最佳拟合四边形。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)利用余弦定理和已知边长,计算水平面内的各个角度,角A1A8。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。)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。A1A2A3A4A5A6A7A819第19页,此课件共56页哦4.3 海底应答器阵的校准海底应答器阵的校准oo四个应答器的情况四个应答器的情况四个应答器的情况四个应答器的情况1 1)条件方程法)条件方程法n n四边形的构成条件:四边形的构成条件:DABCXA1A2A3A4A
21、5A6A7A8Q20第20页,此课件共56页哦4.3 海底应答器阵的校准海底应答器阵的校准oo四个应答器的情况四个应答器的情况四个应答器的情况四个应答器的情况1 1)条件方程法)条件方程法n n四边形的构成条件:四边形的构成条件:n n四边形角度调整步骤为:四边形角度调整步骤为:oo由由 式调整式调整8 8个角度之和为个角度之和为0 0;oo由式由式 和和对对“角度对角度对”进行调整;进行调整;oo用式用式调整角度,使奇数角度正弦的对数和等于偶数角度正弦对数和。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。DABCXA1A2A3A4A5A6A7A821第21页,此课件共56页哦4.3
22、 海底应答器阵的校准海底应答器阵的校准oo四个应答器的情况四个应答器的情况四个应答器的情况四个应答器的情况2)2)坐标变动法坐标变动法n n坐标变动法校准是任意固定坐标变动法校准是任意固定3 3点,由测量数据通点,由测量数据通过最小二乘法来调整第过最小二乘法来调整第4 4点。点。n n优点:它可用于基阵中的任意点。优点:它可用于基阵中的任意点。n n缺点:对每一点都需假设一坐标作为初值缺点:对每一点都需假设一坐标作为初值p p,这种假设的位置近似精度愈低,计算的这种假设的位置近似精度愈低,计算的时间愈长。时间愈长。n n方法:真值坐标为方法:真值坐标为(X X4 4,Y,Y4 4),假设坐标为
23、,假设坐标为p(Xp(X0 0,Y,Y0 0)。由。由几何关系有几何关系有DABCXA1A2A3A4A5A6A7A8O1O2O322第22页,此课件共56页哦4.3 海底应答器阵的校准海底应答器阵的校准oo四个应答器的情况四个应答器的情况四个应答器的情况四个应答器的情况2)2)坐标变动法坐标变动法n n微分后有微分后有n n记成记成n n设观察测量的水平距离设观察测量的水平距离O O1 1的变化量(或的变化量(或残差)为残差)为V V,则有,则有n n坐标变动的观察方程坐标变动的观察方程 DABCXA1A2A3A4A5A6A7A8O1O2O3几何关系测量值23第23页,此课件共56页哦oo3
24、3个应答器到第个应答器到第个应答器到第个应答器到第4 4个应答器连线的水平投影有个应答器连线的水平投影有个应答器连线的水平投影有个应答器连线的水平投影有3 3个,因此个,因此个,因此个,因此有有有有oo记记记记oo观察方程可写为观察方程可写为观察方程可写为观察方程可写为 oo记加权误差函数为记加权误差函数为记加权误差函数为记加权误差函数为oo使误差函数最小的必要条件为使误差函数最小的必要条件为使误差函数最小的必要条件为使误差函数最小的必要条件为oo和和和和24第24页,此课件共56页哦水下应答器基阵阵形测量小结oo阵形测量耗时大:阵形测量耗时大:阵形测量耗时大:阵形测量耗时大:3 35 5个应
25、答器,一般需十几个小时个应答器,一般需十几个小时个应答器,一般需十几个小时个应答器,一般需十几个小时oo浅水使用时可逐个应答器测量,用浅水使用时可逐个应答器测量,用浅水使用时可逐个应答器测量,用浅水使用时可逐个应答器测量,用GPSGPS配合配合配合配合 a)a)认为应答器投放位置即为海底位置认为应答器投放位置即为海底位置 b)b)在水面选三个测量点进行应答,列方程求解应答器水在水面选三个测量点进行应答,列方程求解应答器水平坐标。平坐标。(三个测量点,相当三个阵元,构成一个长基线)(三个测量点,相当三个阵元,构成一个长基线)oo利用水面船在阵中来回航行,并连续与应答器进行应答通利用水面船在阵中来
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