超短基线水声定位系统实用教案

1、1超短基线系统(xtng)的几种定位解算方式已知将测得的斜距、入射角与深度组合，从而提高定位精度。 第1页/共45页第一页，共46页。23.2 入射角和深度方式（非同步信标(xn bio)信标(xn bio)方式）位置解算 结构及定位(dngwi)解算图： 3个水听器摆成L型。 位置解算： 信标位置(Xa,Ta,Za） 3个水听器按L型布置，间距为d 。d第2页/共45页第二页，共46页。33.2 入射角和深度方式（非同步信标(xn bio)信标(xn bio)方式）位置解算R与信标(xn bio)的坐标Xa,Ya及深度的关系为而从而(cng r)解得mx , my是通过相位差测量而得到的 第

2、3页/共45页第三页，共46页。43.2 入射角和深度方式(fngsh)（非同步信标信标方式(fngsh)）位置解算因此(ync)有两个水听器接收(jishu)信号的相位差与信号入射角m的关系为由于基阵尺寸甚小，可认为是远场接收的情况，即入射到所有基元的声线平行。 第4页/共45页第四页，共46页。53.2 入射角和深度方式(fngsh)（非同步信标信标方式(fngsh)）位置解算算法(sun f)小结 mymxmxahX22coscos1cos先测得两换先测得两换能器接收信能器接收信号号(xnho)的相位差，的相位差，然后利用公然后利用公式解算信标式解算信标在船坐标系在船坐标系下的位置坐下的

3、位置坐标。标。第5页/共45页第五页，共46页。63.2 入射角和深度方式(fngsh)（非同步信标信标方式(fngsh)）位置解算 ，r在某些场合，要求目标(mbio)的坐标，要以水平距离和水平面内的目标(mbio)方位角给出。 在水平面内以极坐标形式给出mymxmxahX22coscos1cos第6页/共45页第六页，共46页。7应答器T3.3 入射角与距离算法(sun f)（应答器或响应器方式） 目标(mbio)斜距 若使用应答器代替信标 通过相位测量得到角度，直接求出位置坐标 应答器深度若使用若使用(shyng)响响应器应器mymxmxahX22coscos1cos第7页/共45页第七

4、页，共46页。83.4 超短基线定位(dngwi)系统定位(dngwi)误差分析 一般，误差以水平位置误差与斜距之比度量（相对误差(xin du w ch)）。 误差分析的目的：分析应答器在基阵坐标系下的位置解算误差，即求Xa、Ya、Za分别为多少？ 分析方法：第8页/共45页第八页，共46页。93.4 超短基线(jxin)定位系统定位误差分析Xa、Ya、Za的求解(qi ji)公式 以X的定位误差为例，对Xa求全微分有第9页/共45页第九页，共46页。103.4 超短基线定位(dngwi)系统定位(dngwi)误差分析 位置测量的相对(xingdu)误差表示式 位置相对(xingdu) 定位

5、精度 斜距R和的相对(xingdu)误差 ：由 和 有 代入上式可得 以水平位置精度与斜距之比来衡量定位精度时有 斜距相对(xingdu) 定位精度 第10页/共45页第十页，共46页。113.4 超短基线定位系统定位误差(wch)分析 在各项误差认为互相独立的情况下，相对于斜距的位置均方误差记为， 即 类似地，可得到 结论：信标或应答器在基阵的下方(xi fn)时，定位误差主要来源于相位测量误差。第11页/共45页第十一页，共46页。123.4 超短基线定位(dngwi)系统定位(dngwi)误差分析 分析： 第一项：声速引起的误差 第二项：测时误差引起的误差 第三项：阵元间距不准引起的误差

6、 第四项：相位测量误差引起的误差，与角度mx , my有关： 当 接近 90（即信标或应答器在基阵的下方(xi fn)）时，相位差很小，前3项影响很小，相位测量误差起主要作用。 随mx , my 减小，前3项影响加大 当信标或应答器在靠近基阵所在平面 (即角度很小)时，因有反射声影响，精度也难保证。 结论： 超短基线系统只在基阵下方(xi fn)一个有限的锥体内定位精度较高 改进措施：加大基阵尺寸；采用宽带信号第12页/共45页第十二页，共46页。133.4 超短基线(jxin)定位系统定位误差分析 误差与m 的变化关系 注意：衡量相对定位误差时，两个相对误差公式(gngsh)计算的量值随m的

7、减小的趋势是不同的。 在只考虑相位差测量误差时 例：f020kHz，d=0.04m，c=1500m/s，h=4000m，1 表3.1 在不同m下，相位差测量相对误差第13页/共45页第十三页，共46页。143.4 超短基线(jxin)定位系统定位误差分析 误差与m 的变化关系 “跳象限”问题 “跳象限”的现象：随m的减小， 定位精度难以保证 存在(cnzi)水面反射，使直达声和反射声相加之后总和信号的相位发生变化。结果，使得计算的不正确。例如，信标本应在第I象限，而计算结果可能是X、Y均为负值，误为第IV象限。结果，使载体相对于信标的位置轨迹不连续。这就是所谓的“跳象限”现象。 “跳象限”的情

8、况主要由水面反射引起，可通过信号处理的方法解决。 以前采用单频信号时，对信号处理的手段未进行较深入地研究，存在(cnzi)此种问题。 现在采用宽带信号，信号处理的手段也较高，“跳象限”的问题可以解决。 第14页/共45页第十四页，共46页。153.5 改善(gishn)超短基线定位系统定位精度的措施 分析 不考虑声速(shn s)和阵元间距误差的情况下 定位误差与阵元间距d成反比，d大则误差减小； 与测距精度和测相精度成正比，测距精度和测相精度高则误差小。 增加d的限制 当d/2，阵元间最大相位差将会落在区间 -, 之外，结果造成相位差测量模糊，致使位置解算发生错误。因此，d必须/2。第15页

9、/共45页第十五页，共46页。163.5 改善(gishn)超短基线定位系统定位精度的措施 测时误差为 改善测时误差可增加接收机输出信号/噪声比和带宽 当采用CW脉冲时，信号带宽与脉冲宽度成反比，即， 而匹配滤波器输出信/噪比为 因此有 测相误差为 改善角度(jiod)测量精度的方法是提高信/噪比 第16页/共45页第十六页，共46页。173.5 改善超短基线(jxin)定位系统定位精度的措施 增大基元间距改善定位精度 1、2（或3、4）号和5、6（或7、8）号阵元测得的相位差为 利用1、4号和5、8号阵元测得的相位差应为 目标位置(wi zhi)坐标为 由 位置(wi zhi)测量误差减小到

10、原来的d/D=1/N倍 ，即方位测量精度提高N倍 第17页/共45页第十七页，共46页。183.5 改善(gishn)超短基线定位系统定位精度的措施 增大基元间距(jin j)改善定位精度 由 D=Nd=8d ,Xa位置测量误差减小到原来的d/D=1/N倍 ， 即方位测量精度提高N倍 若原阵元间距(jin j)为d=/2， 则 因此，要用小间距(jin j)的两个基元辅助判断，两个大尺度基元的相位差。 第18页/共45页第十八页，共46页。193.5 改善(gishn)超短基线定位系统定位精度的措施 采用宽带(kun di)信号提高定位精度 需要考虑的问题 采用宽带(kun di)信号，不能用

11、测相的方法，必须采用测时的方法，测量两个基元回波信号的时延差。 测时误差与采样间隔有关，当采样间隔被硬件的能力限制时，需要采用插值法，来提高测时精度。 第19页/共45页第十九页，共46页。203.5 改善超短基线(jxin)定位系统定位精度的措施 采用宽带(kun di)信号提高定位精度 两阵元信号的时间差为 则位置坐标为 测量时延的方法：相关法、前沿法（精度不高） 第20页/共45页第二十页，共46页。213.5 改善(gishn)超短基线定位系统定位精度的措施 采用宽带(kun di)信号提高定位精度 假设接收信号的时延为t0，则输入信号为 参考信号为 其中=B/T 称为调频斜率，B为信

12、号带宽。拷贝相关器的输出为 第21页/共45页第二十一页，共46页。223.5 改善超短基线(jxin)定位系统定位精度的措施 采用宽带信号(xnho)提高定位精度 接收的时延值t0：为最大值出现的时刻。 相对定位误差：在只考虑时延测量对定位精度的影响时，相对定位误差为 时延估计的精度：取决于采样频率fs。 采 样 间 隔 ： 令 时 延 测 量 误 差 等 于 采 样 周 期 的 一 半 ，即 。采样间隔应满足 第22页/共45页第二十二页，共46页。23 采用宽带(kun di)信号提高定位精度 提高测时精度的方法：插值估计相关峰的出现时刻 设拟合波形函数为 令 则 解得 第23页/共45

13、页第二十三页，共46页。24 Ar、Br代入r3整理后得 因为 ，Ts为采样周期(zhuq)，故 上式可写为 整理得 由此估计出相关器输出信号的频率第24页/共45页第二十四页，共46页。25 最大值时有， 而 因此， 又知， 故可得出k的取值范围为 通过以上(yshng)诸式，可估计出相关峰的出现时刻。第25页/共45页第二十五页，共46页。26 小结t0的估计方法： 设拟合曲线(qxin) 求k （k为非负的整数） 31kkt0第26页/共45页第二十六页，共46页。273.6 超短基线(jxin)定位系统相位差测量方法 自适应陷波滤波器（Notch滤波器） 自适应陷波滤波器是具有一对(y

14、 du)正交权值的自适应滤波器。参考信号为 采用LMS算法的 权值迭代公式为 误差序列为 第27页/共45页第二十七页，共46页。283.6 超短基线(jxin)定位系统相位差测量方法 利用Notch滤波器测量信号的相位 比较(bjio)x(k)与y(k) ，可得 因此有 自适应陷波器的带宽为 第28页/共45页第二十八页，共46页。293.6 超短基线(jxin)定位系统相位差测量方法 自适应相位差估计器 算法(sun f)构成 两个信号的初相位：利用前面的结论第29页/共45页第二十九页，共46页。303.6 超短基线(jxin)定位系统相位差测量方法 自适应相位差估计器 两个信号的相位差

15、 相位差的均值 利用(lyng)一阶递归滤波器对各个权值进行平均 或直接对各权值进行平均 相位差的均值 第30页/共45页第三十页，共46页。313.7超短基线(jxin)定位系统的标校 基元相位差校准 进行标校的目的：解决系统误差 针对系统误差进行校准 校准的方法 转动(zhun dng)基阵使利用相位差估计器测得的其中两个基元相位差为0，此相位差为理论入射相位差减系统相位差。同时记录垂直的另外两基元的接收相位差。 再次转动(zhun dng)基阵约180（垂直），再次使两个基元相位差为0，同时记录垂直的另外两基元的接收相位差。 利用公式求解出系统的相位差。 定位时，在时间测量，计算信号入射

16、角时，扣除这一附加相位差。第31页/共45页第三十一页，共46页。323.7超短基线(jxin)定位系统的标校 基元相位差校准 1)无高精度的机械转动系统时 设理论(lln)相位差值为 21(0)和23(0) 由电路和水听器造成的相 对相位误差为21(e)和23(e) 利用相位差估计器测得的两个相位差为 21 21(0) 21(e) , 23 23(0) 23(e) 调整调整基阵角度，使上式为0。即 此时测得另两阵元间的相位差为第32页/共45页第三十二页，共46页。333.7超短基线(jxin)定位系统的标校 基元相位差校准 1)无高精度的机械转动系统时 将基阵转动大约180度，再次调整基阵

17、角度使测得的1、2号阵元间的相位差为0，此时两次坐标轴间的夹角( ji jio)为 。于是有- 第33页/共45页第三十三页，共46页。343.7超短基线(jxin)定位系统的标校 基元相位差校准( jio zhn) 由(1)、(3)式，可得n由(2)(4)式，可得第34页/共45页第三十四页，共46页。353.7超短基线(jxin)定位系统的标校基元相位差校准 2）有高精度的机械转动系统时第一步：直接(zhji)测量记录两两阵元的相位差第二步：将基阵转动180度之后再记录这两个相位差为因此(ync)可直接得到第35页/共45页第三十五页，共46页。363.7超短基线(jxin)定位系统的标校

18、基元相位差校准 3）当测量不满足(mnz)远场条件时 基阵未转动时测量的两阵元间的相位差为考虑到hdi，而x也很小，经一阶近似后有因而理论相位差（近似值）为 阵中心(zhngxn)RiRr第36页/共45页第三十六页，共46页。373.7超短基线(jxin)定位系统的标校基元相位差校准( jio zhn) 3）当测量不满足远场条件时将基阵围绕中心转动180度之后，再次测得两阵元的相位差，记为 ，有与基阵未转动时同样的方法，可得RiRd阵中心第37页/共45页第三十七页，共46页。383.7超短基线(jxin)定位系统的标校基元相位差校准 3）当测量(cling)不满足远场条件时阵中心(zhng

19、xn)RiRd式(1)+式(2) 得式(3)和式(4)代入式（5） 得第38页/共45页第三十八页，共46页。393.7超短基线(jxin)定位系统的标校 超短基线系统的海上校准 进行标校的目的：解决系统误差 标校：针对系统误差进行校准 阵元相位误差测量在水池进行 阵元间距误差制作基阵时保证 需要的传感器 垂直参考设备(shbi)测量基阵姿态角（纵、横摇角），姿态传感器，姿态测量仪。 罗径测量船的航向角 高精度GPS测量船位PGPS第39页/共45页第三十九页，共46页。403.7超短基线(jxin)定位系统的标校 超短基线系统的海上校准 海上校准的基本(jbn)过程 围绕应答器按某一航线航行

20、，用超短基线测量应答器的位置，同时记录GPS、罗经、姿态仪的数据 进行坐标系的转换 将应答器在基阵坐标系中的位置转换为大地坐标系的位置 每一次测量值与应答器的参考位置进行比较 利用高斯牛顿法解观测方程 应答器的参考位置xRef用长基线的方法确定为由船坐标系向大地坐标系转为由船坐标系向大地坐标系转换换(zhunhun)(zhunhun)的方向余弦的方向余弦矩阵，它由船的航向角矩阵，它由船的航向角、横、横摇角摇角和纵倾角和纵倾角的正、余弦的正、余弦构成。构成。由基阵坐标系向船坐标系转换由基阵坐标系向船坐标系转换的方向余弦矩阵，称为的方向余弦矩阵，称为失配矩失配矩阵阵，它也由，它也由3 3个角度个角

21、度（, ）的正、余弦）的正、余弦构成。构成。 为用为用GPS测得的大测得的大地坐标船位（天线地坐标船位（天线位置）位置） 应答器在基阵坐标应答器在基阵坐标系中的位置系中的位置 第40页/共45页第四十页，共46页。41 法国OCEANO公司超短基线( jxin)系统产品Posidonia 第41页/共45页第四十一页，共46页。423.7超短基线(jxin)定位系统的标校 基元相位差校准 针对系统(xtng)误差进行校准 阵元附加相位误差-在水池进行 阵元间距误差-制作基阵时保证 海上校准： 超短基线系统(xtng)的海上校准 坐标系的转换 海上校准的基本过程 校准结果第42页/共45页第四十二页，共46页。433.7超短基线(jxin)定位系统的标校 基元相位差校准 基阵系统测量的应答器位置为 xArray(Xa,Ya,Za) 应答器的大地坐标为 PEarthPGPSBAtt xArray BAtt 3个姿态角的方向余弦矩阵。 若在基阵安装时船的框架未与基阵框架配准，则须进行( jnxng)额外的旋转变换 BAlign-常数矩阵，由3个角度偏移量决定 以应答器地理坐标为观测值，以（,）为未知数，利用参数估计法估计参数。第43页/共45页第四十三页，共46页。443.7超短基线(jxin)定位系统的标校 超短基线系统的海上校准( jio zhn) 海上校准( jio z