第4章-长基线水声定位系统(LBL)

2020/4/171水下定位与导航技术第四章长基线水声定位系统2020/4/172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。4.1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2020/4/1734.1引言基线长度（m）基线位置应用长基线LBL100～6000换能器（信标）水域中已知海底应答器阵的绝对地理位置，求各个应答器到被定位的对象的距离（测量时间），利用球面交汇，解算被定位对象的位置。各个应答器的回答频率不同，各个应答器的回答频率也不同。短基线SBL1～50换能器布放在船的前后和左右测量各阵元到被定位的对象（目标）的距离（测量时间），利用球面交汇，解算被定位对象的位置。超短基线USBL1船上（载体上）基阵通过测量两两阵元接收应答器（信标）应答信号的相位差，来解算目标位置的。2020/4/1744.1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？？2020/4/1754.1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。2020/4/1764.2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。2020/4/1774.2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R1F43F41F422020/4/1784.2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2122ttT22TcR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）F3F42020/4/1794.2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。F3F4R1iF3F42020/4/17104.2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，21121ttT11cTR问答机t1t2T2T12221tT22cTRF3F42020/4/17114.2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→R3531TTT、、T5T3T1前后两页跳转应答器2020/4/17124.2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+T1F3F4t2t3132Tt512TtT3T1应答器F4、F32020/4/17134.2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、t3531TTT、、T5T3T1前后两页跳转应答器512Tt13352TTtTt132Tt531TTT、、531RRR、、iicTR2020/4/17144.2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；T5T1T333cTR51Tt1332TTtt132Tt1323TttTF2t1F3F4t2t32020/4/17154.2几种应用模式2）长基线同步鈡FSS定位导航模式F2F3间隔3t问答机在t1时刻接收到FSS发出来的信号15tT问答机在t2时刻接收到T发出来的信号1332TTttF4T3T1？F3问答机在t3时刻接收到T的应答信号132Tt1323TttT33cTR注意：设计一个工作模式主要是考虑能够求得各个距离。2020/4/17164.3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2020/4/17174.3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6,...,2,1,2222icthyYxXiii2020/4/17184.3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)2222jiiijijRzyx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2020/4/17194.3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。A1A2A3A4A5A6A7A82020/4/17204.3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：DABCXA1A2A3A4A5A6A7A881360iiA06521AAAA08743AAAAsinsin21AAAXBX43sinsinAABXCX45sinsinAACXDXsinsinsinsinsinsinsinsinsinsin8642753187AAAAAAAAAXAADXAX1sinsinsinsinsinsinsinsin86427531AAAAAAAA0)log(sin)log(sin)log(sin)log(sin)log(sin)log(sin)log(sin)log(sin86427531AAAAAAAAQ2020/4/17214.3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。81360iiA06521AAAA08743AAAA0)log(sin)log(sin)log(sin)log(sin)log(sin)log(sin)log(sin)log(sin86427531AAAAAAAADABCXA1A2A3A4A5A6A7A82020/4/17224.3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DABCXA1A2A3A4A5A6A7A8O1O2O320120121YYXXC2020/4/17234.3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20120121YYXXCYCYYXCXXCddd1101101YLXKCddd1111111dVOCC几何关系测量值1111VCOdC11111ddVCOYLXK2020/4/17243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333332222211111ddddddVCOYLXKVCOYLXKVCOYLXK321332211222211,,dd,VVVvCOCOCObYXxLKLKLKAvbxAbAWbAWxxvvxETT)(0WbAWAATT22xxxEbAxv2020/4/1725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底位置b)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。（三个测量点，相当三个阵元，构成一个长基线）利用水面船在阵中来回航行，并连续与应答器进行应答通过解方程，同时