短基线水声定位系统SBLppt课件.ppt

水下定位与导航技术水下定位与导航技术第二章第二章 短基线水声定位系统〔短基线水声定位系统〔Ultra-short baseline Ultra-short baseline positioning system --SBLpositioning system --SBL〕〕 9/7/2024本章要处理的问题本章要处理的问题oo短基线定位系统的构造〔组成〕和原理短基线定位系统的构造〔组成〕和原理短基线定位系统的构造〔组成〕和原理短基线定位系统的构造〔组成〕和原理oo三种任务方式〔同步和非同步信标方式、应对器方式〕三种任务方式〔同步和非同步信标方式、应对器方式〕三种任务方式〔同步和非同步信标方式、应对器方式〕三种任务方式〔同步和非同步信标方式、应对器方式〕下的定位算法〔位置解算公式〕下的定位算法〔位置解算公式〕下的定位算法〔位置解算公式〕下的定位算法〔位置解算公式〕oo解算后位置修正问题〔坐标变换是通用的基阵坐标系、解算后位置修正问题〔坐标变换是通用的基阵坐标系、解算后位置修正问题〔坐标变换是通用的基阵坐标系、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〕转换为船坐标系、大地坐标系〕转换为船坐标系、大地坐标系〕转换为船坐标系、大地坐标系〕oo引见短基线定位系统的实例引见短基线定位系统的实例引见短基线定位系统的实例引见短基线定位系统的实例oo由定位方程进展定位解算的方法由定位方程进展定位解算的方法由定位方程进展定位解算的方法由定位方程进展定位解算的方法oo定位误差的分析定位误差的分析定位误差的分析定位误差的分析oo基阵校准与水下姿态修正基阵校准与水下姿态修正基阵校准与水下姿态修正基阵校准与水下姿态修正oo间隔模糊问题〔定位系统存在的普遍问题〕间隔模糊问题〔定位系统存在的普遍问题〕间隔模糊问题〔定位系统存在的普遍问题〕间隔模糊问题〔定位系统存在的普遍问题〕9/7/2024 2.1 引言引言是安装在船上的发射器和接纳器。

它以一个频率发出讯问信号，并以另一频率接纳回答信号接纳频率可以多个，对应于多个应对器，经常只相隔0.5kHz发射和接纳换能器是无指向性的是置于海底或装在载体上的发射/接纳器它接纳问答机的讯问信号〔或指令〕，发回另一与接纳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，发射器和接纳器可在一同也可分开应对器：先收后发，发射和接纳共用一个换能器留意：留意：问答器和答器和应对器的区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任务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，发出讯问信号问答机或其它水听器接纳它的信号它常用于噪声较强的场所 oo一些名一些名一些名一些名词词的解的解的解的解释释oo讯问讯问器或器或器或器或问问答机〔答机〔答机〔答机〔InterogatorInterogator〕〕〕〕oo应对应对器〔器〔器〔器〔TransponderTransponder〕〕〕〕oo声信声信声信声信标标〔〔〔〔BeaconBeacon或或或或PingerPinger〕〕〕〕oo呼呼呼呼应应器〔器〔器〔器〔ResponderResponder〕〕〕〕 9/7/2024短基短基线系系统〔〔SBL 〕〕oo系系系系统组统组成成成成oo被定位的船或潜器上至被定位的船或潜器上至被定位的船或潜器上至被定位的船或潜器上至少有少有少有少有3 3个水听器。

个水听器个水听器个水听器oo间间距在距在距在距在5 5～～～～2020米的量米的量米的量米的量级级oo水面船上面装有水面船上面装有水面船上面装有水面船上面装有问问答机答机答机答机oo一个同步信一个同步信一个同步信一个同步信标标〔或〔或〔或〔或应对应对器〕置于海底器〕置于海底器〕置于海底器〕置于海底oo任任任任务务原理原理原理原理oo问问答机接答机接答机接答机接纳纳来自信来自信来自信来自信标标〔或〔或〔或〔或应对应对器〕器〕器〕器〕发发出的信号，根据信号出的信号，根据信号出的信号，根据信号出的信号，根据信号到达各基元的到达各基元的到达各基元的到达各基元的时间时间，求得斜距，据此可，求得斜距，据此可，求得斜距，据此可，求得斜距，据此可计计算水面船相算水面船相算水面船相算水面船相对对于于于于信信信信标标〔或〔或〔或〔或应对应对器〕的位置器〕的位置器〕的位置器〕的位置9/7/2024典型的典型的SBL系系统的任的任务原理原理运用非同步信运用非同步信运用非同步信运用非同步信标标的短基的短基的短基的短基线线系系系系统统 运用运用运用运用应对应对器的短基器的短基器的短基器的短基线线水声定位系水声定位系水声定位系水声定位系统统9/7/2024oo问题问题：：：：oo有无其它的信号方式？有无其它的信号方式？有无其它的信号方式？有无其它的信号方式？oo有无其它的有无其它的有无其它的有无其它的测时测时方法？效果如何？方法？效果如何？方法？效果如何？方法？效果如何？oo测时测时方法：方法：方法：方法：oo采用常采用常采用常采用常规规脉冲包脉冲包脉冲包脉冲包络检络检波和相波和相波和相波和相对对到达到达到达到达时间时间丈量方法。

丈量方法丈量方法丈量方法oo定位精度：定位精度：定位精度：定位精度：oo普通在普通在普通在普通在长长基基基基线线和超短基和超短基和超短基和超短基线线系系系系统统之之之之间间oo特点及存在的特点及存在的特点及存在的特点及存在的问题问题：：：：oo水听器需求安装在水听器需求安装在水听器需求安装在水听器需求安装在载载体的不同位置，有些水听器有体的不同位置，有些水听器有体的不同位置，有些水听器有体的不同位置，有些水听器有时时不可防不可防不可防不可防止地会止地会止地会止地会处处于噪声于噪声于噪声于噪声较较大的位置，从而影响定位效果大的位置，从而影响定位效果大的位置，从而影响定位效果大的位置，从而影响定位效果9/7/20242.2 运用非同步信运用非同步信标的短基的短基线系系统oo分析：分析：分析：分析：oo用信用信用信用信标标定位的目的：要知道船或目的〔定位的目的：要知道船或目的〔定位的目的：要知道船或目的〔定位的目的：要知道船或目的〔应对应对器〕器〕器〕器〕的大地位置，首先需求知道船与信的大地位置，首先需求知道船与信的大地位置，首先需求知道船与信的大地位置，首先需求知道船与信标标的相的相的相的相对对位置。

位置oo定位条件：船上只需定位条件：船上只需定位条件：船上只需定位条件：船上只需3 3只接只接只接只接纳纳器器器器oo设设要求解的船的坐要求解的船的坐要求解的船的坐要求解的船的坐标标是：是：是：是：x x、、、、y y、、、、z z，信号的，信号的，信号的，信号的为为θxθx，知信，知信，知信，知信标标深度深度深度深度为为Z Z、两、两、两、两换换能器的能器的能器的能器的间间距分距分距分距分别为别为D1 D1 、、、、D2 D2 ，，，，测测得两两水听器接得两两水听器接得两两水听器接得两两水听器接纳纳信号的信号的信号的信号的时时延差oo可用可用可用可用经过经过几何关系可列出它几何关系可列出它几何关系可列出它几何关系可列出它们们之之之之间间的关系方程的关系方程的关系方程的关系方程9/7/20242.2 运用非同步信运用非同步信标的短基的短基线系系统oo定位解算的思定位解算的思定位解算的思定位解算的思绪绪：：：：oo经过经过丈量两两水听器接丈量两两水听器接丈量两两水听器接丈量两两水听器接纳纳信号的信号的信号的信号的时间时间差，确定信差，确定信差，确定信差，确定信标标相相相相对对水面船的水面船的水面船的水面船的间间隔。

隔oo由于运用的是非同步信由于运用的是非同步信由于运用的是非同步信由于运用的是非同步信标标，只能利用，只能利用，只能利用，只能利用时间时间差差差差进进展展展展测测向，在向，在向，在向，在进进展定位oo利用几何关系建立定位方程利用几何关系建立定位方程利用几何关系建立定位方程利用几何关系建立定位方程oo解方程，确定水面船的相解方程，确定水面船的相解方程，确定水面船的相解方程，确定水面船的相对对信信信信标标的位置oo根据信根据信根据信根据信标标的的的的绝对绝对位置，确定水面船的位置坐位置，确定水面船的位置坐位置，确定水面船的位置坐位置，确定水面船的位置坐标标9/7/2024xR1dRθX简简化假化假化假化假设设：：：： 思索船与信思索船与信思索船与信思索船与信标标的的的的间间隔隔隔隔较远较远，船，船，船，船在信在信在信在信标标的上方因此，因此，因此，因此，3 3 3 3个入射个入射个入射个入射角角角角θθθθ较较小，且近小，且近小，且近小，且近似相等，用似相等，用似相等，用似相等，用θxθxθxθx替代θxθx为为沿沿x x轴轴的的两个水听器的两个水听器的信号入射角信号入射角 A EDB C定位解算方法定位解算方法定位解算方法定位解算方法9/7/2024 记记 , , , , 因此有因此有因此有因此有 而而而而 当船在信当船在信当船在信当船在信标标上方附近上方附近上方附近上方附近时时，，，，θXθXθXθX很小，有很小，有很小，有很小，有 。

因此有因此有 类类似地，似地，似地，似地，计计算出信算出信算出信算出信标标在在在在y y y y轴轴的位移，得到的位移，得到的位移，得到的位移，得到问题问题：信：信：信：信标标深度如深度如深度如深度如何知道？何知道？何知道？何知道？应对应对器的器的器的器的位置事先位置事先位置事先位置事先是如何确是如何确是如何确是如何确定的？定的？定的？定的？9/7/20242.3 运用应对器的短基线水声定位系统运用应对器的短基线水声定位系统oo运用运用运用运用应对应对器的器的器的器的优优点点点点oo只只只只需需需需问问答答答答机机机机发发出出出出讯讯问问信信信信号号号号时时，，，，应应对对器器器器才才才才回回回回答答答答无无无无讯问讯问信号信号信号信号时时，它，它，它，它坚坚持安静，使持安静，使持安静，使持安静，使电电池寿命得以延伸；池寿命得以延伸；池寿命得以延伸；池寿命得以延伸；oo可可可可利利利利用用用用绝绝对对往往往往返返返返时时间间求求求求解解解解，，，，不不不不需需需需求求求求简简化化化化假假假假设设运运运运用用用用非非非非同同同同步步步步信信信信标标方方方方式式式式，，，，只只只只能能能能利利利利用用用用时时差差差差，，，，不不不不得得得得不不不不作作作作假假假假设设；；；；oo可可可可以以以以编编程程程程讯讯问问，，，，按按按按需需需需求求求求调调整整整整数数数数据据据据速速速速率率率率。

在在在在多多多多个个个个应应对对器器器器的的的的情情情情况况况况下下下下，，，，可可可可在在在在时时间间上上上上调调整整整整讯讯问问，，，，防防防防止止止止回回回回答答答答重叠；重叠；重叠；重叠；oo因因因因讯讯问问时时辰辰辰辰知知知知，，，，可可可可用用用用时时间间窗窗窗窗接接接接纳纳，，，，从从从从而而而而降降降降低低低低虚虚虚虚警警警警并减小多途回波的干并减小多途回波的干并减小多途回波的干并减小多途回波的干扰扰；；；；oo在在在在两两两两个个个个问问答答答答机机机机和和和和两两两两个个个个应应对对器器器器的的的的情情情情况况况况，，，，有有有有能能能能够够根根根根据据据据几何关系确定最正确可几何关系确定最正确可几何关系确定最正确可几何关系确定最正确可视视范范范范围围9/7/20242.3 运用应对器的短基线水声定位系统运用应对器的短基线水声定位系统oo运用运用运用运用应对应对器器器器的短基的短基的短基的短基线线水水水水声定位系声定位系声定位系声定位系统统〔船上除有〔船上除有〔船上除有〔船上除有水听器水听器水听器水听器阵阵外，外，外，外，还还有有有有问问答机答机答机答机〕〕〕〕9/7/2024定位解算方法定位解算方法 oo设应对设应对器的坐器的坐器的坐器的坐标为标为，，，，oo有有有有4 4个水听器位于个水听器位于个水听器位于个水听器位于边长边长为为2a2a，，，，2b2b的矩形的矩形的矩形的矩形顶顶点点点点oo有有有有XX、、、、y y、、、、z z三个未知三个未知三个未知三个未知数，数，数，数，3 3个水听器可有个水听器可有个水听器可有个水听器可有3 3个斜距，列个斜距，列个斜距，列个斜距，列3 3个方程个方程个方程个方程oo有一个冗余的水听器，有一个冗余的水听器，有一个冗余的水听器，有一个冗余的水听器，有何意有何意有何意有何意义义？？？？9/7/2024xy〔〔〔〔x x，，，，y y，，，，z z〕〕〕〕应对器应对器PR1R2H1H2H3H4R3R4T定位解算方程定位解算方程 oo设应对设应对器的坐器的坐器的坐器的坐标为标为 oo T T T T〔〔〔〔x x x x，，，，y y y y，，，，z z z z〕〕〕〕oo不思索声不思索声不思索声不思索声线线弯曲弯曲弯曲弯曲时时，，，，由几何关系可以得到由几何关系可以得到由几何关系可以得到由几何关系可以得到定位方程定位方程定位方程定位方程(a,-b)(-a,-b)(a,b)(-a,b)9/7/2024oo因此有因此有因此有因此有oo消去消去消去消去z z，得到，得到，得到，得到oo代回原方程有代回原方程有代回原方程有代回原方程有oo深度的均深度的均深度的均深度的均值值－－－－－－－－4 4个个个个值值的平的平的平的平均均均均9/7/2024oo假假假假设设只收到只收到只收到只收到3 3个信号，例如个信号，例如个信号，例如个信号，例如1 1，，，，2 2，，，，3 3号收到信号号收到信号号收到信号号收到信号oo深度的均深度的均深度的均深度的均值值 oo问题问题：各个：各个：各个：各个RR值值如何确定？如何确定？如何确定？如何确定？oo在船中心只需一个在船中心只需一个在船中心只需一个在船中心只需一个发发射器〔不是射器〔不是射器〔不是射器〔不是问问答器〕答器〕答器〕答器〕时时，，，，应对应对器器器器到各水听器的到各水听器的到各水听器的到各水听器的间间隔可用各信号的往返隔可用各信号的往返隔可用各信号的往返隔可用各信号的往返间间隔的隔的隔的隔的1/21/2替代。

替代oo假假假假设设采用采用采用采用问问答机，那么容易答机，那么容易答机，那么容易答机，那么容易经过经过它得到船中心〔它得到船中心〔它得到船中心〔它得到船中心〔发发射射射射器位置〕与器位置〕与器位置〕与器位置〕与应对应对器的器的器的器的间间隔，从而得到隔，从而得到隔，从而得到隔，从而得到应对应对器到各水听器到各水听器到各水听器到各水听器的器的器的器的间间隔 9/7/2024xy〔〔〔〔x x，，，，y y，，，，z z〕〕〕〕应对器应对器PR1R2H1H2H3H4R3R4T各个各个R值如何确定？如何确定？oo设设H4H4为问为问答器，那么答器，那么答器，那么答器，那么H4H4发发射并接射并接射并接射并接纳纳，回波，回波，回波，回波时间为时间为T0T0，因此，，因此，，因此，，因此，oo而而而而H1H1收到回波的收到回波的收到回波的收到回波的时间时间为为t1t1，行程，行程，行程，行程为为，，，，oo所以所以所以所以oo恣意一个恣意一个恣意一个恣意一个R1R1R4R49/7/20242.4 位置修正〔姿态修正〕位置修正〔姿态修正〕oo为为何要何要何要何要进进展位置修正？展位置修正？展位置修正？展位置修正？ oo船有船有船有船有纵摇纵摇〔〔〔〔pitchpitch在船的在船的在船的在船的XZXZ平面内〕、横平面内〕、横平面内〕、横平面内〕、横摇摇 〔〔〔〔rollroll在在在在YZYZ平平平平面内〕面内〕面内〕面内〕oo丈量是以基丈量是以基丈量是以基丈量是以基阵阵坐坐坐坐标标系系系系进进展的展的展的展的 oo修正的方法修正的方法修正的方法修正的方法oo进进展坐展坐展坐展坐标变换标变换oo什么是坐什么是坐什么是坐什么是坐标变换标变换oo将丈量坐将丈量坐将丈量坐将丈量坐标标系〔如基系〔如基系〔如基系〔如基阵阵坐坐坐坐标标系〕下系〕下系〕下系〕下oo丈量的目的位置或者丈量的目的位置或者丈量的目的位置或者丈量的目的位置或者说说目的的坐目的的坐目的的坐目的的坐标标〔〔〔〔视视oo在坐在坐在坐在坐标标〕〕〕〕转换转换到另一个坐到另一个坐到另一个坐到另一个坐标标系〔如船坐系〔如船坐系〔如船坐系〔如船坐标标系、大地坐系、大地坐系、大地坐系、大地坐标标系〕，系〕，系〕，系〕，即求出目的在新的坐即求出目的在新的坐即求出目的在新的坐即求出目的在新的坐标标系下的坐系下的坐系下的坐系下的坐标标。

oo将基将基将基将基阵阵坐坐坐坐标标系下的目的位置系下的目的位置系下的目的位置系下的目的位置转换为转换为大地坐大地坐大地坐大地坐标标系下的坐系下的坐系下的坐系下的坐标标需求：需求：需求：需求：基基基基阵阵坐坐坐坐标标系系系系→→→→船坐船坐船坐船坐标标系〔系〔系〔系〔经摇摆经摇摆修正后〕修正后〕修正后〕修正后〕→→→→大地坐大地坐大地坐大地坐标标系XYZXYZXYZ9/7/20242.4 位置修正〔姿态修正〕位置修正〔姿态修正〕oo为为何要何要何要何要进进展位置修正？展位置修正？展位置修正？展位置修正？ oo船有船有船有船有纵摇纵摇〔〔〔〔pitchpitch在船的在船的在船的在船的XZXZ平面内〕、横平面内〕、横平面内〕、横平面内〕、横摇摇 〔〔〔〔rollroll在在在在YZYZ平平平平面内〕面内〕面内〕面内〕oo丈量是以基丈量是以基丈量是以基丈量是以基阵阵坐坐坐坐标标系系系系进进展的展的展的展的 oo修正的方法修正的方法修正的方法修正的方法oo水听器、基水听器、基水听器、基水听器、基阵阵坐坐坐坐标标系与船坐系与船坐系与船坐系与船坐标标系是一致运系是一致运系是一致运系是一致运动动的的的的oo阵阵坐坐坐坐标标系与船坐系与船坐系与船坐系与船坐标标系原点重合系原点重合系原点重合系原点重合oo只需作坐只需作坐只需作坐只需作坐标标旋旋旋旋转变换转变换oo水听器、基水听器、基水听器、基水听器、基阵阵的坐的坐的坐的坐标轴标轴是平行的是平行的是平行的是平行的oo阵阵坐坐坐坐标标系与船坐系与船坐系与船坐系与船坐标标系系系系XYXY平面平行平面平行平面平行平面平行oo只需作坐只需作坐只需作坐只需作坐标标平移平移平移平移变换变换oo水听器、基水听器、基水听器、基水听器、基阵阵坐坐坐坐标标系与船坐系与船坐系与船坐系与船坐标标系是恣意情况系是恣意情况系是恣意情况系是恣意情况 oo先坐先坐先坐先坐标标平移，再旋平移，再旋平移，再旋平移，再旋转转，或先旋，或先旋，或先旋，或先旋转转再平移再平移再平移再平移XYZXYZXYZXYZ9/7/2024短基短基线系线系统有统有横摇横摇和纵和纵摇的摇的情况情况 基基基基阵阵坐坐坐坐标标系的丈量系的丈量系的丈量系的丈量结结果果果果→→→→船船船船坐坐坐坐标标系下坐系下坐系下坐系下坐标标，并，并，并，并进进展展展展摇摆摇摆修正〔修正〔修正〔修正〔补偿补偿〕。

〕9/7/20242.4 位置修正位置修正oo修正算法的推修正算法的推修正算法的推修正算法的推导导oo方法一：方法一：方法一：方法一：oo1) 1) 假定基假定基假定基假定基阵阵坐坐坐坐标标系与船坐系与船坐系与船坐系与船坐标标系的坐系的坐系的坐系的坐标轴标轴是平行的，只是平行的，只是平行的，只是平行的，只是两个坐是两个坐是两个坐是两个坐标标系的中心点不同系的中心点不同系的中心点不同系的中心点不同oo2) 2) 先思索二先思索二先思索二先思索二维维的情况oo3 3〕第一步〕第一步〕第一步〕第一步进进展坐展坐展坐展坐标标平移oo4 4〕第二步〕第二步〕第二步〕第二步进进展坐展坐展坐展坐标标旋旋旋旋转转 设基阵一个平面的坐标系为设基阵一个平面的坐标系为，测得的海底应对器在此坐标系的，测得的海底应对器在此坐标系的视在坐标为视在坐标为 船的坐标系船的坐标系为为 〔已转动过的〕，应对〔已转动过的〕，应对器在此坐标系中的坐标为器在此坐标系中的坐标为 两个坐标系的偏移量为两个坐标系的偏移量为 9/7/2024应对器应对器T应对器NQMPZ’a基阵坐标系下测得应基阵坐标系下测得应对器的位置为对器的位置为船坐标系，应对船坐标系，应对器的位置为器的位置为两个坐两个坐标系系的偏移量的偏移量为 旋旋转到到XVOZV坐坐标系系X’a基阵坐标系船坐标系XVYV9/7/2024写成矩写成矩写成矩写成矩阵阵方式有方式有方式有方式有5)5)把把把把y y轴轴的横的横的横的横滚滚角加上，就可得到角加上，就可得到角加上，就可得到角加上，就可得到矩矩阵表示先平移到船坐表示先平移到船坐标系，然后以系，然后以X轴为轴旋旋转，，得到的得到的结果再以果再以Y轴为轴旋旋转，便可得到，便可得到对纵横横摇的的修正修正结果果 。

9/7/20242.5 短基短基线系系统的运用的运用实例例——船船舷舷悬挂式挂式轨迹短基迹短基线丈量系丈量系统oo关关关关怀怀的的的的问题问题oo运用背景运用背景运用背景运用背景oo要丈量、定位的目的是什么？要丈量、定位的目的是什么？要丈量、定位的目的是什么？要丈量、定位的目的是什么？oo系系系系统统的作用的作用的作用的作用间间隔、定位精度要求是什么？隔、定位精度要求是什么？隔、定位精度要求是什么？隔、定位精度要求是什么？oo确定采用确定采用确定采用确定采用SBLSBL、、、、SSBLSSBL、、、、LBLLBL那种定位系那种定位系那种定位系那种定位系统统oo基基基基线线的的的的阵阵形？需求几个水听器〔基元〕？形？需求几个水听器〔基元〕？形？需求几个水听器〔基元〕？形？需求几个水听器〔基元〕？oo定位解算方程定位解算方程定位解算方程定位解算方程oo定位精度定位精度定位精度定位精度oo误误差有多大？与什么参数有关？差有多大？与什么参数有关？差有多大？与什么参数有关？差有多大？与什么参数有关？oo目的：目的：目的：目的：寻寻求提高定位精度的方法求提高定位精度的方法求提高定位精度的方法求提高定位精度的方法。

9/7/20242.5 短基短基线系系统的运用的运用实例例——船船舷舷悬挂式挂式轨迹短基迹短基线丈量系丈量系统oo关关关关怀怀的的的的问题问题oo运用背景运用背景运用背景运用背景oo基基基基线线的的的的阵阵形？需求几个水听器〔基元〕？形？需求几个水听器〔基元〕？形？需求几个水听器〔基元〕？形？需求几个水听器〔基元〕？oo定位解算方程定位解算方程定位解算方程定位解算方程oo定位精度定位精度定位精度定位精度oo实实践运用中践运用中践运用中践运用中还还有哪些有哪些有哪些有哪些问题问题？如何？如何？如何？如何处处理？理？理？理？oo基基基基阵阵的安装，安装的安装，安装的安装，安装的安装，安装误误差如何修正？差如何修正？差如何修正？差如何修正？oo基基基基线发线发生生生生摇摆摇摆如何修正？如何修正？如何修正？如何修正？oo能否会能否会能否会能否会发发生生生生间间隔模糊隔模糊隔模糊隔模糊问题问题，如何防止？，如何防止？，如何防止？，如何防止？oo多途效多途效多途效多途效应应〔如水面的〔如水面的〔如水面的〔如水面的镜镜面反射〕会否影响定位解算？如面反射〕会否影响定位解算？如面反射〕会否影响定位解算？如面反射〕会否影响定位解算？如何防止？何防止？何防止？何防止？9/7/20242.5 短基短基线系系统的运用的运用实例例——船船舷舷悬挂式挂式轨迹短基迹短基线丈量系丈量系统oo1 1、引言、引言、引言、引言oo背景背景背景背景oo海上海上海上海上实验实验oo目的的航速、姿目的的航速、姿目的的航速、姿目的的航速、姿态态、控制特性、航行深度等、控制特性、航行深度等、控制特性、航行深度等、控制特性、航行深度等oo高速运高速运高速运高速运动动目的自目的自目的自目的自带带内内内内记设备记设备oo短基短基短基短基线线系系系系统统的运用目的的运用目的的运用目的的运用目的oo客客客客观评观评价运价运价运价运动动目的航行情况目的航行情况目的航行情况目的航行情况oo运运运运动动目的本身的控制等性能目的本身的控制等性能目的本身的控制等性能目的本身的控制等性能oo运运运运动动目的的回收目的的回收目的的回收目的的回收水下高速运水下高速运水下高速运水下高速运动动体三体三体三体三维维轨轨迹短基迹短基迹短基迹短基线线丈量系丈量系丈量系丈量系统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、姿态丈量安装。

9/7/2024oo2 2、定位方程、定位方程、定位方程、定位方程oo定位方程定位方程定位方程定位方程oo基基基基阵阵坐坐坐坐标标系系系系oo设设参考点：基参考点：基参考点：基参考点：基阵阵中心中心中心中心oo共有共有共有共有6 6个接个接个接个接纳纳基元基元基元基元oo其其其其相相相相对对位位位位置置置置坐坐坐坐标标为为〔〔〔〔xixi，，，，yiyi，，，，zizi〕〕〕〕，，，，i=1,2…,6i=1,2…,6 oo目的的相目的的相目的的相目的的相对对位置坐位置坐位置坐位置坐标为标为〔〔〔〔X,Y,ZX,Y,Z〕〕〕〕oo那么定位方程那么定位方程那么定位方程那么定位方程为为9/7/2024目的的位置目的的位置oo三个独立的定位方程三个独立的定位方程三个独立的定位方程三个独立的定位方程的解的解的解的解oo或者或者或者或者说说三个球面的交三个球面的交三个球面的交三个球面的交汇汇点点点点9/7/2024n n定位方程的定位方程的定位方程的定位方程的线线性化性化性化性化n n方程中取方程中取方程中取方程中取4 4个个个个进进展展展展线线性化，性化，性化，性化，n n两个式子相减，并两个式子相减，并两个式子相减，并两个式子相减，并设设 可得可得可得可得n n取取取取3 3个方程构成平面交个方程构成平面交个方程构成平面交个方程构成平面交汇汇方程方程方程方程组组，解方程即可，解方程即可，解方程即可，解方程即可确定目的的相确定目的的相确定目的的相确定目的的相对对坐坐坐坐标标。

9/7/2024n n定位方程的定位方程的定位方程的定位方程的线线性化性化性化性化n n将定位方程将定位方程将定位方程将定位方程组组写成写成写成写成 矩矩矩矩阵阵方式方式方式方式n n令令令令9/7/2024n n将定位方程将定位方程将定位方程将定位方程组组写成写成写成写成 矩矩矩矩阵阵方式方式方式方式n n令令令令n n记记n n那么写那么写那么写那么写为为矩矩矩矩阵阵方式方式方式方式 Ax=c Ax=cn n当当当当AA非奇特非奇特非奇特非奇特时时可得到解可得到解可得到解可得到解 9/7/2024n n该该当留意：当留意：当留意：当留意：n n当当当当所所所所选选基基基基元元元元在在在在同同同同一一一一平平平平面面面面上上上上时时，，，，A-1A-1不不不不存存存存在在在在，，，，因因因因此此此此无无无无解解解解为为了了了了保保保保证证恣恣恣恣意意意意4 4个个个个阵阵元元元元都都都都不不不不在在在在同同同同一一一一平平平平面面面面内内内内，，，，各各各各阵阵元元元元的的的的“ “杆杆杆杆长长〞〞〞〞不不不不同同同同〔〔〔〔即即即即保保保保证证构构构构成成成成的的的的方方方方程程程程组组所所所所代代代代表表表表的的的的平平平平面面面面两两两两两两两两不不不不在在在在一一一一个个个个平平平平面面面面〕〕〕〕n n假假假假设设所所所所选选基基基基元元元元在在在在某某某某一一一一平平平平面面面面附附附附近近近近，，，，定定定定位位位位误误差差差差较较大。

大n n假假假假设设4 4个个个个基基基基元元元元处处于于于于立立立立方方方方体体体体构构构构成成成成的的的的直直直直角角角角坐坐坐坐标标系系系系的的的的原原原原点点点点和和和和3 3轴轴上上上上时时，，，，平平平平面面面面交交交交会会会会的的的的效效效效果果果果最最最最好好好好，，，，缘缘由由由由是是是是3 3个平面相互正交个平面相互正交个平面相互正交个平面相互正交9/7/2024oo3 3、、、、误误差源分析〔定位差源分析〔定位差源分析〔定位差源分析〔定位误误差〕差〕差〕差〕oo引入定位引入定位引入定位引入定位误误差的要素：差的要素：差的要素：差的要素：oo测测距距距距误误差〔由差〔由差〔由差〔由测时误测时误差引起〕差引起〕差引起〕差引起〕oo基基基基阵阵姿姿姿姿态态丈量丈量丈量丈量误误差差差差oo基基基基阵阵尺寸尺寸尺寸尺寸误误差〔基差〔基差〔基差〔基阵阵阵阵元位置丈量元位置丈量元位置丈量元位置丈量误误差〕差〕差〕差〕oo声速声速声速声速误误差差差差oo交会交会交会交会误误差差差差oo由由由由于于于于基基基基阵阵尺尺尺尺度度度度较较小小小小，，，，在在在在远远间间隔隔隔隔定定定定位位位位时时，，，，将将将将引引引引入入入入交会交会交会交会误误差差差差 oo误误差分析的方法：差分析的方法：差分析的方法：差分析的方法：oo对对定位解算的球面方程求全微分。

定位解算的球面方程求全微分定位解算的球面方程求全微分定位解算的球面方程求全微分9/7/2024oo误误差方程差方程差方程差方程为为oo其中，其中，其中，其中，dcdc为为声速声速声速声速误误差，差，差，差，dtidti为测时误为测时误差，它由差，它由差，它由差，它由时时钟误钟误差、脉冲前沿丈量差、脉冲前沿丈量差、脉冲前沿丈量差、脉冲前沿丈量误误差〔与信号差〔与信号差〔与信号差〔与信号/ /噪声比有关噪声比有关噪声比有关噪声比有关〕呵斥，〕呵斥，〕呵斥，〕呵斥，dxidxi、、、、dyidyi、、、、dzidzi为为基元位置基元位置基元位置基元位置误误差，可差，可差，可差，可经经过预过预先校准减小基元位置先校准减小基元位置先校准减小基元位置先校准减小基元位置误误差9/7/2024n n交会交会交会交会误误差的分析差的分析差的分析差的分析n n分析思分析思分析思分析思绪绪：：：：n n以一个特定的以一个特定的以一个特定的以一个特定的阵阵形形形形为为例例例例进进展展展展误误差分析差分析差分析差分析n n设设阵阵元元元元位位位位置置置置坐坐坐坐标标为为A(0,0,0)A(0,0,0)，，，，B(L,0,0)B(L,0,0)，，，，C(0,L,0)C(0,L,0)，，，，D(0,0,L)D(0,0,L)n n解算位置坐解算位置坐解算位置坐解算位置坐标标〔求定位方程的解〕〔求定位方程的解〕〔求定位方程的解〕〔求定位方程的解〕n n求全微分求全微分求全微分求全微分进进展展展展误误差分析差分析差分析差分析9/7/2024n n交会交会交会交会误误差的分析差的分析差的分析差的分析n n求定位方程的解求定位方程的解求定位方程的解求定位方程的解n n线线性方程性方程性方程性方程组组中的向量和矩中的向量和矩中的向量和矩中的向量和矩阵阵分分分分别简别简化化化化为为 rDrBrC9/7/2024oo目的目的目的目的T T的位置坐的位置坐的位置坐的位置坐标标 oo可解出信可解出信可解出信可解出信标标的位置分量〔如的位置分量〔如的位置分量〔如的位置分量〔如XX分量〕分量〕分量〕分量〕oo基元位置无基元位置无基元位置无基元位置无误误差差差差时时，目的位置，目的位置，目的位置，目的位置误误差分量差分量差分量差分量为为oo3 3部分的部分的部分的部分的总误总误差差差差应为应为均方根均方根均方根均方根误误差＝各差＝各差＝各差＝各误误差的平方和开差的平方和开差的平方和开差的平方和开根根根根δXcδXt9/7/2024rArBoo声速声速声速声速误误差引起的定位交会差引起的定位交会差引起的定位交会差引起的定位交会误误差差差差思索思索 并且并且记那么那么有有9/7/2024oo声速声速声速声速误误差引起的定位交会差引起的定位交会差引起的定位交会差引起的定位交会误误差差差差oo测时误测时误差引起的定位差引起的定位差引起的定位差引起的定位误误差差差差 oo设测时误设测时误差相等差相等差相等差相等记为记为 ，且在，且在，且在，且在远间远间隔上有隔上有隔上有隔上有9/7/2024oo例：例：例：例：设间设间隔隔隔隔为为r=200mr=200m，，，，c=1500m/sc=1500m/s，，，，ooδc=0.5%×c=7.5m/sδc=0.5%×c=7.5m/s，因此，由声速，因此，由声速，因此，由声速，因此，由声速误误差引起的交差引起的交差引起的交差引起的交会会会会误误差差差差为为 oo 在在在在阵阵元元元元间间距距距距L L＝＝＝＝1.5m1.5m时时，由，由，由，由测时误测时误差引起的交会差引起的交会差引起的交会差引起的交会误误差差差差为为oo 在运用在运用在运用在运用CWCW脉冲脉冲脉冲脉冲时时，假，假，假，假设测时误设测时误差差差差约为约为＝＝＝＝0.1ms0.1ms，因，因，因，因此可算得此可算得此可算得此可算得=28.3m=28.3m。

oo减小由减小由减小由减小由测时误测时误差呵斥的定位交会差呵斥的定位交会差呵斥的定位交会差呵斥的定位交会误误差的方法：加大基差的方法：加大基差的方法：加大基差的方法：加大基阵阵长长度，并尽能度，并尽能度，并尽能度，并尽能够够减小减小减小减小测时误测时误差〔信号方式、算法〕差〔信号方式、算法〕差〔信号方式、算法〕差〔信号方式、算法〕 9/7/2024oo定位定位定位定位误误差小差小差小差小结结：：：：oo引入定位引入定位引入定位引入定位误误差的要素差的要素差的要素差的要素oo测测距距距距误误差〔由差〔由差〔由差〔由测时误测时误差引起〕差引起〕差引起〕差引起〕oo基基基基阵阵姿姿姿姿态态丈量丈量丈量丈量误误差差差差oo基基基基阵阵尺寸尺寸尺寸尺寸误误差差差差oo声速声速声速声速误误差差差差oo交会交会交会交会误误差差差差oo结论结论：：：：oo在在在在远间远间隔将引起交会隔将引起交会隔将引起交会隔将引起交会误误差差差差oo测时误测时误差引起的交会差引起的交会差引起的交会差引起的交会误误差最大差最大差最大差最大oo加大基加大基加大基加大基阵阵尺寸有助于减小交会尺寸有助于减小交会尺寸有助于减小交会尺寸有助于减小交会误误差差差差9/7/2024oo4 4、基、基、基、基阵阵校准与水下姿校准与水下姿校准与水下姿校准与水下姿态态修正修正修正修正oo基基基基阵阵位置校准位置校准位置校准位置校准oo方方方方法法法法：：：：多多多多次次次次丈丈丈丈量量量量〔〔〔〔可可可可直直直直接接接接丈丈丈丈量量量量〕〕〕〕基基基基阵阵两两两两两两两两之之之之间间的的的的间间隔隔隔隔，，，，列列列列写写写写方方方方程程程程组组，，，，方方方方程程程程组组数数数数目目目目应应为为未未未未知知知知数数数数个个个个数数数数〔〔〔〔阵阵元元元元位位位位置置置置坐坐坐坐标标〕〕〕〕，，，，可可可可根根根根据据据据实实践践践践情情情情况况况况减减减减少少少少未未未未知知知知数数数数的的的的个个个个数数数数保保保保证证方方方方程程程程个个个个数数数数大于未知数个数。

大于未知数个数大于未知数个数大于未知数个数oo设设各各各各基基基基元元元元在在在在基基基基线线坐坐坐坐标标系系系系中中中中的的的的位位位位置置置置为为 ，，，，它它它它们们之之之之间间的的的的间间隔隔隔隔为为rij rij ，有，有，有，有oo其其其其中中中中NN为为阵阵元元元元数数数数共共共共有有有有 个个个个间间隔隔隔隔，，，，可可可可列列列列出出出出MM个个个个方方方方程程程程每每每每一一一一基基基基元元元元有有有有3 3个个个个未未未未知知知知数数数数，，，，总总未未未未知知知知数数数数个个个个数数数数为为3N3N方程数大于未知数个数方程数大于未知数个数方程数大于未知数个数方程数大于未知数个数时时，方程可解，即，方程可解，即，方程可解，即，方程可解，即 oo 解得解得解得解得N≥7N≥7oo有有有有时时可可可可测测间间隔隔隔隔往往往往往往往往小小小小于于于于M M ，，，，为为使使使使方方方方程程程程可可可可解解解解，，，，必必必必需需需需减减减减少少少少未知数。

未知数9/7/2024oo4 4、基、基、基、基阵阵校准与水下姿校准与水下姿校准与水下姿校准与水下姿态态修正修正修正修正oo基基基基阵阵位置校准位置校准位置校准位置校准oo减少未知数的方法减少未知数的方法减少未知数的方法减少未知数的方法oo基基基基阵阵的的的的特特特特殊殊殊殊构构构构造造造造，，，，ZiZi是是是是知知知知的的的的，，，，因因因因此此此此NN个个个个阵阵元元元元减减减减少少少少了了了了NN个个个个未知数 oo再再再再选选y y轴轴，，，，使使使使其其其其经经过过对对角角角角两两两两基基基基元元元元在在在在xoyxoy平平平平面面面面投投投投影影影影点点点点的的的的连连线线此时时，，，，该该两基元的两基元的两基元的两基元的x x坐坐坐坐标为标为0 0，又减少，又减少，又减少，又减少2 2个未知数个未知数个未知数个未知数oo结结果：果：果：果：总总未知数个数减未知数个数减未知数个数减未知数个数减为为2N-2 2N-2 9/7/2024oo4 4、基、基、基、基阵阵校准与水下姿校准与水下姿校准与水下姿校准与水下姿态态修正修正修正修正oo基基基基阵阵位置校准位置校准位置校准位置校准oo基基基基阵阵水下姿水下姿水下姿水下姿态态的修正的修正的修正的修正 oo水水水水下下下下基基基基阵阵用用用用可可可可承承承承重重重重电电缆缆悬悬挂挂挂挂到到到到一一一一定定定定深深深深度度度度。

受受受受海海海海洋洋洋洋环环境境境境和和和和母母母母船船船船摇摇摆摆的的的的影影影影响响响响，，，，水水水水下下下下姿姿姿姿态态并并并并不不不不固固固固定定定定必必必必需需需需对对姿姿姿姿态态进进展展展展修修修修正正正正，，，，将将将将测测得得得得的的的的相相相相对对于于于于基基基基阵阵坐坐坐坐标标系系系系的的的的目目目目的的的的轨轨迹迹迹迹转转换换到到到到大大大大地地地地坐坐坐坐标标上上上上实实践践践践上上上上也也也也是是是是坐坐坐坐标标变变换换的的的的问问题题 oo基基基基阵阵坐坐坐坐标标系与北向坐系与北向坐系与北向坐系与北向坐标标系的系的系的系的转换转换oo设设目的在大地坐目的在大地坐目的在大地坐目的在大地坐标标系和基系和基系和基系和基阵阵坐坐坐坐标标系中的位置系中的位置系中的位置系中的位置为为oox=(x y z)T x=(x y z)T 和和和和 xa=(xa ya za)T xa=(xa ya za)Too进进展坐展坐展坐展坐标变换标变换绕绕Y轴转角轴转角β绕绕X轴转角轴转角α绕绕Z轴转角轴转角Φ9/7/2024oo5 5、、、、间间隔模糊隔模糊隔模糊隔模糊问题问题和数据和数据和数据和数据预处预处置置置置 oo间间隔模糊隔模糊隔模糊隔模糊问题问题oo产产生的生的生的生的缘缘由由由由oo当当当当回回回回波波波波时时间间大大大大于于于于发发射射射射周周周周期期期期时时，，，，或或或或作作作作用用用用间间隔隔隔隔大大大大于于于于cTcT时时，，，，便会出便会出便会出便会出现间现间隔模糊。

隔模糊T9/7/2024oo5 5、、、、间间隔模糊隔模糊隔模糊隔模糊问题问题和数据和数据和数据和数据预处预处置置置置 oo间间隔模糊隔模糊隔模糊隔模糊问题问题oo处处理的方法理的方法理的方法理的方法oo增大信增大信增大信增大信标发标发射信号的周期射信号的周期射信号的周期射信号的周期oo利用利用利用利用轨轨迹的延迹的延迹的延迹的延续续性性性性进进展事后展事后展事后展事后处处置置置置oo在在在在不不不不同同同同信信信信号号号号发发射射射射周周周周期期期期的的的的发发射射射射信信信信号号号号上上上上设设置置置置发发射射射射标标志志志志例例例例如如如如采采采采用用用用两两两两个个个个频频率率率率的信号交的信号交的信号交的信号交递发递发射，或在奇数周期射，或在奇数周期射，或在奇数周期射，或在奇数周期发发射两个脉冲射两个脉冲射两个脉冲射两个脉冲oo利利利利用用用用目目目目的的的的上上上上另另另另一一一一周周周周期期期期较较大大大大的的的的信信信信号号号号进进展展展展测测距距距距、、、、判判判判别别此此此此时时需需需需在在在在定定定定位位位位系系系系统统中添加一个接中添加一个接中添加一个接中添加一个接纳纳通道，接通道，接通道，接通道，接纳这纳这个信号。

个信号9/7/2024oo5 5、、、、间间隔模糊隔模糊隔模糊隔模糊问题问题和数据和数据和数据和数据预处预处置置置置 oo数据数据数据数据预处预处置置置置oo预预处处置置置置的的的的目目目目的的的的：：：：是是是是为为了了了了防防防防止止止止不不不不用用用用要要要要的的的的干干干干扰扰，，，，保保保保证证进进入入入入解算的是有效直达声脉冲解算的是有效直达声脉冲解算的是有效直达声脉冲解算的是有效直达声脉冲oo方法：方法：方法：方法：滤滤波、加波、加波、加波、加间间隔隔隔隔门门、、、、9/7/2024oo5 5、、、、间间隔模糊隔模糊隔模糊隔模糊问题问题和数据和数据和数据和数据预处预处置置置置 oo数据数据数据数据预处预处置置置置oo水面反射的水面反射的水面反射的水面反射的处处置置置置oo1 1〕〕〕〕问题问题的提出：的提出：的提出：的提出：oo2 2〕〕〕〕产产生生生生镜镜反射的条件：反射的条件：反射的条件：反射的条件：第一条件：第一条件：第一条件：第一条件：第二条件：第二条件：第二条件：第二条件：反射声反射声9/7/2024oo5 5、、、、间间隔模糊隔模糊隔模糊隔模糊问题问题和数据和数据和数据和数据预处预处置置置置 oo数据数据数据数据预处预处置置置置oo水面反射的水面反射的水面反射的水面反射的处处置置置置oo1 1〕〕〕〕问题问题的提出：的提出：的提出：的提出：oo2 2〕〕〕〕产产生生生生镜镜反射的条件：反射的条件：反射的条件：反射的条件：oo3 3〕〕〕〕产产生生生生镜镜反射的条件公式推反射的条件公式推反射的条件公式推反射的条件公式推导导：：：：oo思思思思绪绪：几何关系＋两个条件：几何关系＋两个条件：几何关系＋两个条件：几何关系＋两个条件第一条件：第一条件：第一条件：第一条件：第二条件：第二条件：第二条件：第二条件：9/7/2024利用第一个条件得到利用第一个条件得到利用第一个条件得到利用第一个条件得到不等式不等式不等式不等式利用第二个条件得利用第二个条件得利用第二个条件得利用第二个条件得到不等式到不等式到不等式到不等式3 3〕〕〕〕处处理的方法：理的方法：理的方法：理的方法： 找出会找出会找出会找出会发发生反射声生反射声生反射声生反射声先于直达声到达的情先于直达声到达的情先于直达声到达的情先于直达声到达的情况况况况 。

利用不等式作利用不等式作利用不等式作利用不等式作为为判判判判别别条件条件条件条件设设置基置基置基置基阵阵深深深深度度度度 ，防止水面反射的，防止水面反射的，防止水面反射的，防止水面反射的影响。