第4章-长基线水声定位系统(LBL)

2023/7/81水下定位与导航技术长基线水声定位系统2特点：利用海底应答器阵来确定载体的位置----相对于海底应答器阵的相对坐标。

引言组成结构及原理（工作过程）应用水下施工海底电缆铺设海上石油勘探水下载体定位方面有广泛的应用。还可与GPS一起，完成水下机器人的高精度绝对定位。长基线、短基线和超短基线系统的区别基线：是以应答器构成的，通常应答器的应答距离为10～20公里基线安装的位置：海底定位方法：长基线利用海底应答器阵来确定载体的位置记录询问时刻和各应答器应答信号到达时刻位置坐标：定位的坐标是海底应答器阵的相对坐标应答器的频率：各个应答器的回答频率不同定位目标、使用条件：确知应答器阵的绝对地理位置3

引言4引言组成结构及原理浮标形式的长基线系统长基线系统的基元也可以是水面无线电浮标。此时被定位的目标上装有同步或非同步声信标，诸基元接收的声信号需调制为无线电信号发到一只母船上进行处理，从而完成水下目标的定位。由于无线电浮标在海面上不固定，因此必须利用装载其上的GPS接收机定时地测定自身位置，与定位信号一起发至母船。换插图？？5引言

本章要解决的问题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。长基线系统的几种应用模式(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。)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）跟踪定位算法应用实例介绍。6几种应用模式舰船导航模式长基线有缆潜器（TTS）导航模式（TetherdSubmersible）长基线无缆潜器（FSS）定位模式（FreeSwimmingSubmersible）母船询问的长基线FSS定位导航模式长基线同步鈡FSS定位导航模式舰船导航模式、有缆潜器导航模式以及无缆潜器导航模式。7几种应用模式舰船导航模式1）定位对象为水面舰船系统组成工作原理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。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R1F43F41F428几种应用模式舰船导航模式2）定位对象为有缆潜器系统组成工作原理设：询问时刻为0，船上问答机接收应答信号时刻为t1＝2R1/c

，TTS收到应答信号时刻为t2=T1+T2。从应答器到TTS的单程传播时间为依据同样的方法可以确定另外2个应答器到TTS的单程传播时间T1、T3T2T1＝t1/2应答器与TTS的距离（多个）F3F49几种应用模式舰船导航模式－－简化模型图中船上问答机询问信号用F3表示（通常只有一个频率），应答器回答信号用F4表示（实际上有几个应答器就有几个回答频率）。

由于被定位目标（水面船）到应答器的单程传播时间的求解方法一样。因此，可以简化表示。F3F4R1iF3F410

几种应用模式长基线有缆潜器（TTS）导航模式母船上只有接收机，TTS上装有问答机。定位对象为TTS求TTS与T的斜距R2工作过程设：接收时刻t1、t2单程传播时间T1、T2则，问答机t1t2T2T1F3F411

几种应用模式长基线无缆潜器（FreeSwimmingSubmersible

－FSS）定位模式1)母船询问方式定位对象为FSS（TTS）求T3→R3T5T3T1前后两页跳转应答器12

几种应用模式1）母船询问的长基线FSS定位导航模式（母船讯问方式）发F1、

F3、收F4应答器F2、F3、F1F1F2→T5＝t1/2→R5t1△t3F3F4→t2＝T5+△

t3+T3+T1F3F4t2t3T3T1应答器F4、F313几种应用模式长基线无缆潜器（FreeSwimmingSubmersible

－FSS）定位模式1)母船询问方式定位对象为FSS（TTS）求T3→R3接收机顺次收到回波的时间为t1、t2、t3T5T3T1前后两页跳转应答器14几种应用模式长基线无缆潜器（FreeSwimmingSubmersible

－FSS）定位模式

2）长基线同步鈡FSS定位导航（FFS询问方式）FSS发出讯问信号（F2），母船接收时刻为t1；在间隔△t3时间后，FSS发出讯问信号（F3），应答器接收，并回答（F4），母船接收时刻为t2；问答器发出讯问信号（F3），应答器回答（F4），母船接收时刻为t3；T5T1T3F2t1F3F4t2t315几种应用模式2）长基线同步鈡FSS定位导航模式F2F3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？F3问答机在t3时刻接收到T的应答信号注意：设计一个工作模式主要是考虑能够求得各个距离。16

海底应答器阵的校准校准的目的：布放应答器时有误差≠GPS的数据。本节提到的校准方法，即测量应答器的相对坐标，可以没有GPS数据，在有GPS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＋GPS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。两个应答器的情况三个应答器的情况用于4边形应答器阵的两种校准方法1）条件方程法2)坐标变动法17海底应答器阵的校准两个应答器的情况简单的方法是在应答器布放时利用无线电定位或GPS记下投放点的位置。也可利用船上问答机与应答器连续进行应答，测量问答机与两应答器的距离。当两距离之和达到最小时，此最小值即为两应答器间的距离。应答器1应答器2R1R2h问答机18海底应答器阵的校准三个应答器的情况设问答机的深度为0在D、E、F点测量应答器的深度在A、B、C点测量到三个应答器之间的斜距若要用最少的应答器得到最大覆盖范围，则阵形应是等边三角形(ξ2,η2,0)Rji第j个测量与第i个应答器间的斜距

ξ、η有5个，x2、x3、y3共有8个未知数，9个方程19海底应答器阵的校准四个应答器的情况1）条件方程法4个应答器构成的4边形共有6根连线：4个边和两个对角线。对这些连线进行测量。由于4边形只要5个值便可唯一确定，因而第6个量是冗余的。DABCX思路：1）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3）利用一个水平的四边形去拟合由4个应答器构成的投影4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A1～A8。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。A1A2A3A4A5A6A7A820海底应答器阵的校准四个应答器的情况1）条件方程法四边形的构成条件：DABCXA1A2A3A4A5A6A7A8Q21海底应答器阵的校准四个应答器的情况1）条件方程法四边形的构成条件：四边形角度调整步骤为：由式调整8个角度之和为0；由式和对“角度对”进行调整；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。DABCXA1A2A3A4A5A6A7A822海底应答器阵的校准四个应答器的情况2)坐标变动法坐标变动法校准是任意固定3点，由测量数据通过最小二乘法来调整第4点。优点：它可用于基阵中的任意点。缺点：对每一点都需假设一坐标作为初值p，这种假设的位置近似精度愈低，计算的时间愈长。方法：真值坐标为(X4,Y4)，假设坐标为p(X0,Y0)。由几何关系有DABCXA1A2A3A4A5A6A7A8O1O2O323海底应答器阵的校准四个应答器的情况2)坐标变动法微分后有记成设观察测量的水平距离O1的变化量（或残差）为V，则有坐标变动的观察方程

DABCXA1A2A3A4A5A6A7A8O1O2O3几何关系测量值243个应答器到第4个应答器连线的水平投影有3个，因此有记观察方程可写为记加权误差函数为使误差函数最小的必要条件为和25水下应答器基阵阵形测量小结阵形测量耗时大：3～5个应答器，一般需十几个小时浅水使用时可逐个应答器测量，用GPS配合

a)认为应答器投放位置即为海