第2章短基线水声定位系统SBL

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2024/11/6,2024/11/6,1,水下定位与导航技术,第二章 短基线水声定位系统,（,Ultra-short baseline positioning system -,SBL,）,2,本章要解决的问题,短基线定位系统的结构（组成）和原理,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（位置解算公式）,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）,介绍短基线定位系统的实例,由定位方程进行定位解算的方法,定位误差的分析,基阵校准与水下姿态修正,距离模糊问题（定位系统存在的普遍问题）,3,2.1,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,0.5kHz,。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。,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。,一些名词的解释,询问器或问答机（,Interogator,）,应答器（,Transponder,）,声信标（,Beacon,或,Pinger,）,响应器（,Responder,）,4,短基线系统（,SBL,）,系统组成,被定位的船或潜器上至少有,3,个水听器。,间距在,5,20,米的量级。,水面船上面装有问答机,一个同步信标（或应答器）置于海底,工作原理,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对于信标（或应答器）的位置。,5,典型的,SBL,系统的工作原理,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,6,问题：,有无其它的信号形式？,有无其它的测时方法？效果如何？,测时方法：,采用常规脉冲包络检波和相对到达时间测量方法。,定位精度：,一般在长基线和超短基线系统之间。,特点及存在的问题：,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大的位置，从而影响定位效果。,7,2.2,使用非同步信标的短基线系统,分析：,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置。,定位条件：船上只需,3,只接收器,设要求解的船的坐标是：,x,、,y,、,z,，,信号的为,x,，已知,信标深度为,Z,、两换能器的间距分别为,D,1,、,D,2,，测得两两水听器接收信号的时延差。,可用通过几何关系可列出它们之间的关系方程。,8,2.2,使用非同步信标的短基线系统,定位解算的思路：,通过测量两两水听器接收信号的时间差，确定信标相对水面船的距离。,由于使用的是非同步信标，只能利用,时间差,进行测向，在进行定位。,利用几何关系建立,定位方程,。,解方程，确定水面船的相对信标的位置。,根据信标的绝对位置，确定水面船的位置坐标。,9,x,R,1,dR,X,简化假设：,考虑船与信标的距离较远，船在信标的上方。因此，,3,个入射角,较小，且近似相等，用,x,代替。,x,为沿,x,轴的两个水听器的信号入射角,A,E,D,B C,定位解算方法,10,记,因此有,而,当船在信标上方附近时，,X,很小，有,。因此有,类似地，计算出信标在,y,轴的位移，得到,问题：信标深度如何知道？,应答器的位置事先是如何确定的？,11,2.3,使用应答器的短基线水声定位系统,使用应答器的优点,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；,可利用绝对往返时间求解，不需要简化假设。使用非同步信标方式，只能利用时差，不得不作假设；,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；,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；,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。,12,2.3,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（船上除有水听器阵外，还有问答机）,13,定位解算方法,设应答器的坐标为，,有,4,个水听器位于边长为,2,a,，,2,b,的矩形顶点,有,X,、,y,、,z,三个未知数，,3,个水听器可有,3,个斜距，列,3,个方程,有一个冗余的水听器，有何意义？,14,x,y,（,x,，,y,，,z,）,应答器,P,R,1,R,2,H,1,H,2,H,3,H,4,R,3,R,4,T,定位解算方程,设,应答器的坐标为,T,（,x,，,y,，,z,）,不考虑声线弯曲时，由几何关系可以得到定位方程,(a,-b),(-a,-b),(a,b),(-a,b),15,因此有,消去,z,，得到,代回原方程有,深度的均值,4,个值的平均,16,若只收到,3,个信号，例如,1,，,2,，,3,号收到信号,深度的均值,问题：各个,R,值如何确定？,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,1/2,代替。,若采用,问答机,，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水听器的距离。,17,x,y,（,x,，,y,，,z,）,应答器,P,R,1,R,2,H,1,H,2,H,3,H,4,R,3,R,4,T,各个,R,值如何确定？,设,H,4,为问答器，则,H,4,发射并接收，回波时间为,T,0,，因此，,而,H,1,收到回波的时间为,t,1,，行程为，,所以,任意一个,R,1,R,4,18,2.4,位置修正（姿态修正）,为何要进行位置修正？,船有纵摇（,pitch,在船的,XZ,平面内）、横摇 （,roll,在,YZ,平面内）,测量是以基阵坐标系进行的,修正的方法,进行坐标变换,什么是坐标变换,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,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。,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,船坐标系（经摇摆修正后）大地坐标系。,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,19,2.4,位置修正（姿态修正）,为何要进行位置修正？,船有纵摇（,pitch,在船的,XZ,平面内）、横摇 （,roll,在,YZ,平面内）,测量是以基阵坐标系进行的,修正的方法,水听器、基阵坐标系与船坐标系是一致运动的,阵坐标系与船坐标系原点重合,只要作坐标旋转变换,水听器、基阵的坐标轴是平行的,阵坐标系与船坐标系,XY,平面平行,只要作坐标平移变换,水听器、基阵坐标系与船坐标系是任意情况,先坐标平移，再旋转，或先旋转再平移,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,20,短基线系统有横摇和纵摇的情况,基阵坐标系的测量结果船坐标系下坐标，并进行摇摆修正（补偿）。,21,2.4,位置修正,修正算法的推导,方法一：,1),假定基阵坐标系与船坐标系的坐标轴是平行的，只是两个坐标系的中心点不同。,2),先考虑二维的情况。,3,）第一步进行坐标平移。,4,）第二步进行坐标旋转。,设基阵一个平面的坐标系为,，测得的海底应答器在此坐标系的视在坐标为 。船的坐标系为 （已转动过的），应答器在此坐标系中的坐标为 。两个坐标系的偏移量为 。,22,应答器,T,应答器,N,Q,M,P,Z,a,基阵坐标系下测得应答器的位置为,船坐标系，应答器的位置为,两个坐标系的偏移量为,旋转到,X,V,OZ,V,坐标系,X,a,基阵坐标系,船坐标系,X,V,Y,V,23,写成矩阵形式有,5),把,y,轴的横滚角加上，就可得到,矩阵表示先平移到船坐标系，然后以,X,轴为轴旋转，得到的结果再以,Y,轴为轴旋转，便可得到对纵横摇的修正结果 。,24,2.5,短基线系统的应用实例,船舷悬挂式轨迹短基线测量系统,关心的问题,应用背景,要测量、定位的目标是什么？,系统的作用距离、定位精度要求是什么？,确定采用,SBL,、,SSBL,、,LBL,那种定位系统。,基线的阵形？需要几个水听器（基元）？,定位解算方程,定位精度,误差有多大？与什么参数有关？,目的：寻求提高定位精度的方法。,25,2.5,短基线系统的应用实例,船舷悬挂式轨迹短基线测量系统,关心的问题,应用背景,基线的阵形？需要几个水听器（基元）？,定位解算方程,定位精度,实际使用中还有哪些问题？如何解决？,基阵的安装，安装误差如何修正？,基线发生摇摆如何修正？,是否会发生距离模糊问题，如何避免？,多途效应（如水面的镜面反射）会否影响定位解算？如何避免？,26,2.5,短基线系统的应用实例,船舷悬挂式轨迹短基线测量系统,1,、引言,背景,海上试验,目标的航速、姿态、控制特性、航行深度等,高速运动目标自带内记设备,短基线系统的使用目的,客观评价运动目标航行情况,运动目标自身的控制等性能,运动目标的回收,水下高速运动体三维轨迹,短基线测量系统,同步信标,可承重多芯电缆,水下部分有换能器阵和水下电子舱，舱内含有前置放大器、姿态测量装置。,27,2,、定位方程,定位方程,基阵坐标系,设参考点：基阵中心,共有,6,个接收基元,其相对位置坐标为,（,x,i,，,y,i,，,z,i,），,i,=1,2,6,。,目标的相对位置坐标为,（,X,Y,Z,）,则定位方程为,28,目标的位置,三个独立的定位方程的解,或者说三个球面的交汇点,29,定位方程的线性化,方程中取,4,个进行线性化，,两个式子相减，并设 可得,取,3,个方程构成平面交汇方程组，解方程即可确定目标的相对坐标,。,30,定位方程的线性化,将定位方程组写成 矩阵形式,令,31,将定位方程组写成 矩阵形式,令,记,则写为矩阵形式,A,x,=c,当,A,非奇异时可得到解,32,应当注意：,当所选基元在同一平面上时，,A,-1,不存在，因而无解。为了保证任意,4,个阵元都不在同一平面内，各阵元的,“,杆长,”,不同。（即保证构成的方程组所代表的平面两两不在一个平面）,若所选基元在某一平面附近，定位误差较大。,若,4,个基元处于立方体构成的直角坐标系的原点和,3,轴上时，平面交会的效果最好，原因是,3,个平面互相正交。,33,3,、误差源分析（定位误差）,引入定位误差的因素：,测距误差（由测时误差引起）,基阵姿态测量误差,基阵尺寸误差（基阵阵元位置测量误差）,声速误差,交会误差,由于基阵尺度较小，在远距离定位时，将引入交会误差,误差分析的方法：,对定位解算的球面方程求全微分。,34,误差方程为,其中，,dc,为声速误差，,dt,i,为测时误差，它由时钟误差、脉冲前沿测量误差（与信号,/,噪声比有关）造成，,dx,i,、,dy,i,、,dz,i,为基元位置误差，可通过预先校准减小基元位置误差。,35,交会误差的分析,分析思路：,以一个特定的阵形为例进行误差分析,设阵元位置坐标为,A(0,0,0),，,B(L,0,0),，,C(0,L,0),，,D(0,0,L),解算位置坐标（,求定位方程的解）,求全微分进行误差分析,36,交会误差的分析,求定位方程的解,线性方程组中的向量和矩阵分别简化为,r,D,r,B,r,C,37,目标,T,的位置坐标,可解出信标的位置分量（如,X,分量）,基元位置无误差时，目标位置误差分量为,3,部分的总误差应为均方根误差各误差的平方和开根,Xc,Xt,38,r,A,r,B,声速误差引起的定位交会误差,考虑 并且记,则有,39,声速误差引起的定位交会误差,测时误差引起的定位误差,设测时误差相等记为 ，且在远距离上有,40,例：设距离为,r,=200m,，,c,=1500m/s,，,c,=0.5%,c,=7.5m/s,，因此，由声速误差引起的交会误差为,在阵元间距,L,1.5m,时，由测时误差引起的交会误差为,在使用,CW,脉冲时，若测时误差约为,0.1ms,，因此可算得,=28.3m,。,减小由测时误差造成的定位交会误差的方法：加大基阵长度，并尽可能减小测时误差（信号形式、算法）。,41,定位误差小结：,引入定位误差的因素,测距误差（由测时误差引起）,基阵姿态测量误差,基阵尺寸误差,声速误差,交会误差,结论：,在远距离将引起交会误差,测时误差引起的交会误差最大,加大基阵尺寸有助于减小交会误差,42,4,、基阵校准与水下姿态修正,基阵位置校准,方法：多次测量（可直接测量）基阵两两之间的距离，列写方程组，方程组数目应为未知数个数（阵元位置坐标），可依据实际情况减少未知数的个数保证方程个数大于未知数个数。,设各基元在基线坐标系中的位置为 ，它们之间的距离为,r,ij,，有,其中,N,为阵元数。共有 个距离，可列出,M,个方程。每一基元有,3,个未知数，总未知数个数为,3,N,。方程数大于未知数个数时，方程可解，即,解得,N,7,有时可测距离往往小于,M,，为使方程可解，必须减少未知数。,43,4,、基阵校准与水下姿态修正,基阵位置校准,减少未知数的办法,基阵的特殊结构，,Z,i,是已知的，因而,N,个阵元减少了,N,个未知数。,再选,y,轴，使其通过对角两基元在,xoy,平面投影点的连线。此时，该两基元的,x,坐标为,0,，又减少,2,个未知数。,结果：总未知数个数减为,2,N,-2,44,4,、基阵校准与水下姿态修正,基阵位置校准,基阵水下姿态的修正,水下基阵用可承重电缆悬挂到一定深度。受海洋环境和母船摇摆的影响，水下姿态并不固定。必须对姿态进行修正，将测得的相对于基阵坐标系的目标轨迹转换到大地坐标上。,实际上也是坐标变换的问题。,基阵坐标系与北向坐标系的转换,设目标在大地坐标系和基阵坐标系中的位置为,x,=(,x y,z,),T,和,x,a,=(,x,a,y,a,z,a,),T,进行坐标变换,绕,Y,轴转角,绕,X,轴转角,绕,Z,轴转角,45,5,、距离模糊问题和数据预处理,距离模糊问题,产生的原因,当回波时间大于发射周期时，或作用距离大于,cT,时，便会出现距离模糊。,T,46,5,、距离模糊问题和数据预处理,距离模糊问题,解决的方法,增大信标发射信号的周期,利用轨迹的连续性进行事后处理,在不同信号发射周期的发射信号上设置发射标记。例如采用两个频率的信号交递发射，或在奇数周期发射两个脉冲。,利用目标上另一周期较大的信号进行测距、判别。此时需在定位系统中增加一个接收通道，接收这个信号。,47,5,、距离模糊问题和数据预处理,数据预处理,预处理的目的：是为了避免不必要的干扰，保证进入解算的是有效直达声脉冲。,方法：滤波、加距离门、,48,5,、距离模糊问题和数据预处理,数据预处理,水面反射的处理,1,）问题的提出：,2,）产生镜反射的条件：,第一条件：,第二条件：,反射声,49,5,、距离模糊问题和数据预处理,数据预处理,水面反射的处理,1,）问题的提出：,2,）产生镜反射的条件：,3,）产生镜反射的条件公式推导：,思路：几何关系两个条件,第一条件：,第二条件：,50,利用第一个条件得到不等式,利用第二个条件得到不等式,3,）解决的方法：,找出会发生反射声先于直达声到达的情况 。利用不等式作为判别条件设置基阵深度 ，避免水面反射的影响。,