短基线水声定位系统SBL.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 positioning system --SBL）） 本章要解决的问题本章要解决的问题oo短基线定位系统的结构（组成）和原理短基线定位系统的结构（组成）和原理短基线定位系统的结构（组成）和原理短基线定位系统的结构（组成）和原理oo三种工作模式（同步和非同步信标方式、应答器方式）三种工作模式（同步和非同步信标方式、应答器方式）三种工作模式（同步和非同步信标方式、应答器方式）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）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介绍短基线定位系统的实例介绍短基线定位系统的实例介绍短基线定位系统的实例介绍短基线定位系统的实例n n由定位方程进行定位解算的方法由定位方程进行定位解算的方法由定位方程进行定位解算的方法由定位方程进行定位解算的方法n n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n n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n n距离模糊问题（定位系统存在的普遍问题）距离模糊问题（定位系统存在的普遍问题）距离模糊问题（定位系统存在的普遍问题）距离模糊问题（定位系统存在的普遍问题） 2.1 引言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 oo一些名词的解释一些名词的解释一些名词的解释一些名词的解释n n询问器或问答机（询问器或问答机（询问器或问答机（询问器或问答机（InterogatorInterogator））））n n应答器（应答器（应答器（应答器（TransponderTransponder））））n n声信标（声信标（声信标（声信标（BeaconBeacon或或或或PingerPinger））））n n响应器（响应器（响应器（响应器（ResponderResponder）））） 短基线系统（短基线系统（SBL ））oo系统组成系统组成系统组成系统组成n n被定位的船或被定位的船或被定位的船或被定位的船或潜器上至少有潜器上至少有潜器上至少有潜器上至少有3 3个水听器。

个水听器个水听器个水听器n n间距在间距在间距在间距在5 5～～～～2020米的量级米的量级米的量级米的量级n n水面船上面装水面船上面装水面船上面装水面船上面装有问答机有问答机有问答机有问答机n n一个同步信标一个同步信标一个同步信标一个同步信标（或应答器）（或应答器）（或应答器）（或应答器）置于海底置于海底置于海底置于海底oo工作原理工作原理工作原理工作原理n n问答机接收来自信标（或应答器）发出的信号，根据信问答机接收来自信标（或应答器）发出的信号，根据信问答机接收来自信标（或应答器）发出的信号，根据信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号到达各基元的时间，求得斜距，据此可计算水面船相号到达各基元的时间，求得斜距，据此可计算水面船相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）的位置对于信标（或应答器）的位置对于信标（或应答器）的位置对于信标（或应答器）的位置典型的典型的SBL系统的工作原理系统的工作原理使用非同步信标的短基线系统使用非同步信标的短基线系统使用非同步信标的短基线系统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使用应答器的短基线水声定位系统oo问题：问题：问题：问题：n n有无其它的信号形式？有无其它的信号形式？有无其它的信号形式？有无其它的信号形式？n n有无其它的测时方法？效果如何？有无其它的测时方法？效果如何？有无其它的测时方法？效果如何？有无其它的测时方法？效果如何？oo测时方法：测时方法：测时方法：测时方法：n采用常规脉冲包络检波和相对到达时间测量方法。

采用常规脉冲包络检波和相对到达时间测量方法oo定位精度：定位精度：定位精度：定位精度：n一般在长基线和超短基线系统之间一般在长基线和超短基线系统之间oo特点及存在的问题：特点及存在的问题：特点及存在的问题：特点及存在的问题：n水听器需要安装在载体的不同位置，有些水听器有时不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，从而影响定位效果可避免地会处于噪声较大的位置，从而影响定位效果2.2 使用非同步信标的短基线系统使用非同步信标的短基线系统oo分析：分析：分析：分析：n n用信标定位的目的：要知道船或目标（应答器）用信标定位的目的：要知道船或目标（应答器）用信标定位的目的：要知道船或目标（应答器）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的大地位置，首先需要知道船与信标的相对位的大地位置，首先需要知道船与信标的相对位的大地位置，首先需要知道船与信标的相对位置n n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只接收器只接收器只接收器只接收器n n设要求解的船的坐标是：设要求解的船的坐标是：设要求解的船的坐标是：设要求解的船的坐标是：x x、、、、y y、、、、z z，，，，信号的信号的信号的信号的为为为为θxθx，已知，已知，已知，已知信标深度为信标深度为信标深度为信标深度为Z Z、两、两、两、两换换换换能器的能器的能器的能器的间间间间距分距分距分距分别别别别为为为为D D1 1 、、、、D D2 2 ，，，，测测测测得两两水听器接收信号的得两两水听器接收信号的得两两水听器接收信号的得两两水听器接收信号的时时时时延延延延差。

差n n可用通可用通可用通可用通过过过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们们之之之之间间间间的关系方程的关系方程的关系方程的关系方程2.2 使用非同步信标的短基线系统使用非同步信标的短基线系统oo定位解算的思路：定位解算的思路：定位解算的思路：定位解算的思路：n n通通通通过测过测过测过测量两两水听器接收信号的量两两水听器接收信号的量两两水听器接收信号的量两两水听器接收信号的时间时间时间时间差，确定信差，确定信差，确定信差，确定信标标标标相相相相对对对对水面船的距离水面船的距离水面船的距离水面船的距离oo由于使用的是非同步信由于使用的是非同步信由于使用的是非同步信由于使用的是非同步信标标标标，只能利用，只能利用，只能利用，只能利用时间时间时间时间差差差差进进进进行行行行测测测测向，向，向，向，在在在在进进进进行定位n n利用几何关系建立利用几何关系建立利用几何关系建立利用几何关系建立定位方程定位方程定位方程定位方程n n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对对信信信信标标标标的位置n n根据信根据信根据信根据信标标标标的的的的绝对绝对绝对绝对位置，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标标。

xR1dRθX简化假设：简化假设：简化假设：简化假设： 考虑船与信标的考虑船与信标的考虑船与信标的考虑船与信标的距离较远，船在信距离较远，船在信距离较远，船在信距离较远，船在信标的上方因此，标的上方因此，标的上方因此，标的上方因此，3 3个入射角个入射角个入射角个入射角θθθθ较小，较小，较小，较小，且近似相等，用且近似相等，用且近似相等，用且近似相等，用θ θx x代替θθx为沿为沿x轴的轴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 记记记记 , , , , 因此有因此有因此有因此有 而而而而 当船在信标上方附近时，当船在信标上方附近时，当船在信标上方附近时，当船在信标上方附近时，θθθθX X X X很小，有很小，有很小，有很小，有 。

因此有因此有 类似地，计算出信标在类似地，计算出信标在类似地，计算出信标在类似地，计算出信标在y y轴的位移，得到轴的位移，得到轴的位移，得到轴的位移，得到问题：信问题：信问题：信问题：信标深度如标深度如标深度如标深度如何知道？何知道？何知道？何知道？应答器的应答器的应答器的应答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？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oo使用应答器的优点使用应答器的优点使用应答器的优点使用应答器的优点n n只有问答机发出询问信号时，应答器才回答无询问只有问答机发出询问信号时，应答器才回答无询问只有问答机发出询问信号时，应答器才回答无询问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；信号时，它保持安静，使电池寿命得以延长；信号时，它保持安静，使电池寿命得以延长；信号时，它保持安静，使电池寿命得以延长；n n可利用绝对往返时间求解，不需要简化假设使用非可利用绝对往返时间求解，不需要简化假设使用非可利用绝对往返时间求解，不需要简化假设使用非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；同步信标方式，只能利用时差，不得不作假设；同步信标方式，只能利用时差，不得不作假设；同步信标方式，只能利用时差，不得不作假设；n n可以编程询问，按需要调整数据速率在多个应答器可以编程询问，按需要调整数据速率在多个应答器可以编程询问，按需要调整数据速率在多个应答器可以编程询问，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；的情况下，可在时间上调整询问，避免回答重叠；的情况下，可在时间上调整询问，避免回答重叠；的情况下，可在时间上调整询问，避免回答重叠；n n因询问时刻已知，可用时间窗接收，从而降低虚警并因询问时刻已知，可用时间窗接收，从而降低虚警并因询问时刻已知，可用时间窗接收，从而降低虚警并因询问时刻已知，可用时间窗接收，从而降低虚警并减小多途回波的干扰；减小多途回波的干扰；减小多途回波的干扰；减小多途回波的干扰；n n在两个问答机和两个应答器的情况，有可能根据几何在两个问答机和两个应答器的情况，有可能根据几何在两个问答机和两个应答器的情况，有可能根据几何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。

关系确定最佳可视范围关系确定最佳可视范围关系确定最佳可视范围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oo使用应答器使用应答器使用应答器使用应答器的短基线水的短基线水的短基线水的短基线水声定位系统声定位系统声定位系统声定位系统（船上除有（船上除有（船上除有（船上除有水听器阵外，水听器阵外，水听器阵外，水听器阵外，还有问答机）还有问答机）还有问答机）还有问答机）定位解算方法定位解算方法 oo设应答器的坐标为，设应答器的坐标为，设应答器的坐标为，设应答器的坐标为，oo有有有有4 4个水听器位于边长个水听器位于边长个水听器位于边长个水听器位于边长为为为为2 2a a，，，，2 2b b的矩形顶的矩形顶的矩形顶的矩形顶点点点点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，有何意义？有何意义？有何意义？有何意义？xy（（（（x x，，，，y y，，，，z z））））应答器应答器PR1R2H1H2H3H4R3R4T定位解算方程定位解算方程 oo设设设设应答器的坐标为应答器的坐标为应答器的坐标为应答器的坐标为 T T（（（（x x，，，，y y，，，，z z））））oo不考虑声线弯曲时，不考虑声线弯曲时，不考虑声线弯曲时，不考虑声线弯曲时，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)oo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深度的均值深度的均值深度的均值深度的均值－－－－－－－－4 4 4 4个值的平均个值的平均个值的平均个值的平均oo若只收到若只收到若只收到若只收到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深度的均值深度的均值深度的均值深度的均值 oo问题：各个问题：各个问题：各个问题：各个RR值如何确定？值如何确定？值如何确定？值如何确定？n n在船中心只有一个发射器（不是问答器）时，应在船中心只有一个发射器（不是问答器）时，应在船中心只有一个发射器（不是问答器）时，应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答器到各水听器的距离可用各信号的往返距离的答器到各水听器的距离可用各信号的往返距离的答器到各水听器的距离可用各信号的往返距离的1/21/2代替。

代替n n若采用若采用若采用若采用问答机问答机问答机问答机，则容易通过它得到船中心（发射，则容易通过它得到船中心（发射，则容易通过它得到船中心（发射，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器位置）与应答器的距离，从而得到应答器到各器位置）与应答器的距离，从而得到应答器到各器位置）与应答器的距离，从而得到应答器到各水听器的距离水听器的距离水听器的距离水听器的距离 xy（（（（x x，，，，y y，，，，z z））））应答器应答器PR1R2H1H2H3H4R3R4T各个各个R值如何确定？值如何确定？oo设设设设HH4 4为问答器，则为问答器，则为问答器，则为问答器，则HH4 4发射并接收，回波时发射并接收，回波时发射并接收，回波时发射并接收，回波时间为间为间为间为T T0 0，因此，，因此，，因此，，因此，oo而而而而HH1 1收到回波的时间收到回波的时间收到回波的时间收到回波的时间为为为为t t1 1，行程为，，行程为，，行程为，，行程为，oo所以所以所以所以oo任意一个任意一个任意一个任意一个RR1 1RR4 42.4 位置修正（姿态修正）位置修正（姿态修正）oo为何要进行位置修正？为何要进行位置修正？为何要进行位置修正？为何要进行位置修正？ n n船有纵摇（船有纵摇（船有纵摇（船有纵摇（pitchpitch在船的在船的在船的在船的XZXZ平面内）、横摇平面内）、横摇平面内）、横摇平面内）、横摇 （（（（rollroll在在在在YZYZ平面内）平面内）平面内）平面内）n n测量是以基阵坐标系进行的测量是以基阵坐标系进行的测量是以基阵坐标系进行的测量是以基阵坐标系进行的 oo修正的方法修正的方法修正的方法修正的方法n n进行坐标变换进行坐标变换进行坐标变换进行坐标变换n n什么是坐标变换什么是坐标变换什么是坐标变换什么是坐标变换oo将测量坐标系（如基阵坐标系）下将测量坐标系（如基阵坐标系）下将测量坐标系（如基阵坐标系）下将测量坐标系（如基阵坐标系）下测量的目标位置或者说目标的坐标（视测量的目标位置或者说目标的坐标（视测量的目标位置或者说目标的坐标（视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），即求在坐标）转换到另一个坐标系（如船坐标系、大地坐标系），即求在坐标）转换到另一个坐标系（如船坐标系、大地坐标系），即求在坐标）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。

出目标在新的坐标系下的坐标出目标在新的坐标系下的坐标出目标在新的坐标系下的坐标n n将基阵坐标系下的目标位置转换为大地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将基阵坐标系下的目标位置转换为大地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：基阵坐标系需要：基阵坐标系需要：基阵坐标系需要：基阵坐标系→→→→船坐标系（经摇摆修正后）船坐标系（经摇摆修正后）船坐标系（经摇摆修正后）船坐标系（经摇摆修正后）→→→→大地大地大地大地坐标系XYZXYZXYZ2.4 位置修正（姿态修正）位置修正（姿态修正）oo为何要进行位置修正？为何要进行位置修正？为何要进行位置修正？为何要进行位置修正？ n n船有纵摇（船有纵摇（船有纵摇（船有纵摇（pitchpitch在船的在船的在船的在船的XZXZ平面内）、横摇平面内）、横摇平面内）、横摇平面内）、横摇 （（（（rollroll在在在在YZYZ平面内）平面内）平面内）平面内）n n测量是以基阵坐标系进行的测量是以基阵坐标系进行的测量是以基阵坐标系进行的测量是以基阵坐标系进行的 oo修正的方法修正的方法修正的方法修正的方法n n水听器、基阵坐标系与船坐标系是一致运动的水听器、基阵坐标系与船坐标系是一致运动的水听器、基阵坐标系与船坐标系是一致运动的水听器、基阵坐标系与船坐标系是一致运动的oo阵坐标系与船坐标系原点重合阵坐标系与船坐标系原点重合阵坐标系与船坐标系原点重合阵坐标系与船坐标系原点重合oo只要作坐标旋转变换只要作坐标旋转变换只要作坐标旋转变换只要作坐标旋转变换n n水听器、基阵的坐标轴是平行的水听器、基阵的坐标轴是平行的水听器、基阵的坐标轴是平行的水听器、基阵的坐标轴是平行的oo阵坐标系与船坐标系阵坐标系与船坐标系阵坐标系与船坐标系阵坐标系与船坐标系XYXY平面平行平面平行平面平行平面平行oo只要作坐标平移变换只要作坐标平移变换只要作坐标平移变换只要作坐标平移变换n n水听器、基阵坐标系与船坐标系是任意情况水听器、基阵坐标系与船坐标系是任意情况水听器、基阵坐标系与船坐标系是任意情况水听器、基阵坐标系与船坐标系是任意情况 oo先坐标平移，再旋转，或先旋转再平移先坐标平移，再旋转，或先旋转再平移先坐标平移，再旋转，或先旋转再平移先坐标平移，再旋转，或先旋转再平移XYZXYZXYZXYZ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 基阵坐标系的测量结果基阵坐标系的测量结果基阵坐标系的测量结果基阵坐标系的测量结果→→船船船船坐标系下坐标，并进行摇摆坐标系下坐标，并进行摇摆坐标系下坐标，并进行摇摆坐标系下坐标，并进行摇摆修正（补偿）。

修正（补偿）修正（补偿）修正（补偿）2.4 位置修正位置修正oo修正算法的推导修正算法的推导修正算法的推导修正算法的推导oo方法一：方法一：方法一：方法一：n n1) 1) 假定基阵坐标系与船坐标系的坐标轴是平行的，假定基阵坐标系与船坐标系的坐标轴是平行的，假定基阵坐标系与船坐标系的坐标轴是平行的，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只是两个坐标系的中心点不同只是两个坐标系的中心点不同只是两个坐标系的中心点不同n n2) 2) 先考虑二维的情况先考虑二维的情况先考虑二维的情况先考虑二维的情况n n3 3）第一步进行坐标平移第一步进行坐标平移第一步进行坐标平移第一步进行坐标平移n n4 4）第二步进行坐标旋转第二步进行坐标旋转第二步进行坐标旋转第二步进行坐标旋转 设基阵一个平面的坐标系为设基阵一个平面的坐标系为，测得的海底应答器在此坐标系的，测得的海底应答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），应答（已转动过的），应答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 应答器应答器T应答器NQMPZ’a基阵坐标系下测得应基阵坐标系下测得应答器的位置为答器的位置为船坐标系，应答船坐标系，应答器的位置为器的位置为两个坐标系两个坐标系的偏移量为的偏移量为 旋转到旋转到XVOZV坐标系坐标系X’a基阵坐标系船坐标系XVYV写成矩阵形式有写成矩阵形式有写成矩阵形式有写成矩阵形式有n n5)5)把把把把y y轴的横滚角加上，就可得到轴的横滚角加上，就可得到轴的横滚角加上，就可得到轴的横滚角加上，就可得到矩阵表示先平移到船坐标系，然后以矩阵表示先平移到船坐标系，然后以X轴为轴旋转，轴为轴旋转，得到的结果再以得到的结果再以Y轴为轴旋转，便可得到对纵横摇的轴为轴旋转，便可得到对纵横摇的修正结果修正结果 2.5 短基线系统的应用实例短基线系统的应用实例——船船舷悬挂式轨迹短基线测量系统舷悬挂式轨迹短基线测量系统oo关心的问题关心的问题关心的问题关心的问题n n应用背景应用背景应用背景应用背景oo要测量、定位的目标是什么？要测量、定位的目标是什么？要测量、定位的目标是什么？要测量、定位的目标是什么？oo系统的作用距离、定位精度要求是什么？系统的作用距离、定位精度要求是什么？系统的作用距离、定位精度要求是什么？系统的作用距离、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那种定位系统。

那种定位系统那种定位系统那种定位系统n n基线的阵形？需要几个水听器（基元）？基线的阵形？需要几个水听器（基元）？基线的阵形？需要几个水听器（基元）？基线的阵形？需要几个水听器（基元）？n n定位解算方程定位解算方程定位解算方程定位解算方程n n定位精度定位精度定位精度定位精度oo误差有多大？与什么参数有关？误差有多大？与什么参数有关？误差有多大？与什么参数有关？误差有多大？与什么参数有关？oo目的：寻求提高定位精度的方法目的：寻求提高定位精度的方法目的：寻求提高定位精度的方法目的：寻求提高定位精度的方法2.5 短基线系统的应用实例短基线系统的应用实例——船船舷悬挂式轨迹短基线测量系统舷悬挂式轨迹短基线测量系统oo关心的问题关心的问题关心的问题关心的问题n n应用背景应用背景应用背景应用背景n n基线的阵形？需要几个水听器（基元）？基线的阵形？需要几个水听器（基元）？基线的阵形？需要几个水听器（基元）？基线的阵形？需要几个水听器（基元）？n n定位解算方程定位解算方程定位解算方程定位解算方程n n定位精度定位精度定位精度定位精度n n实际使用中还有哪些问题？如何解决？实际使用中还有哪些问题？如何解决？实际使用中还有哪些问题？如何解决？实际使用中还有哪些问题？如何解决？oo基阵的安装，安装误差如何修正？基阵的安装，安装误差如何修正？基阵的安装，安装误差如何修正？基阵的安装，安装误差如何修正？oo基线发生摇摆如何修正？基线发生摇摆如何修正？基线发生摇摆如何修正？基线发生摇摆如何修正？oo是否会发生距离模糊问题，如何避免？是否会发生距离模糊问题，如何避免？是否会发生距离模糊问题，如何避免？是否会发生距离模糊问题，如何避免？oo多途效应（如水面的镜面反射）会否影响定位解算？如何多途效应（如水面的镜面反射）会否影响定位解算？如何多途效应（如水面的镜面反射）会否影响定位解算？如何多途效应（如水面的镜面反射）会否影响定位解算？如何避免？避免？避免？避免？2.5 短基线系统的应用实例短基线系统的应用实例——船船舷悬挂式轨迹短基线测量系统舷悬挂式轨迹短基线测量系统oo1 1、引言、引言、引言、引言n n背景背景背景背景oo海上试验海上试验海上试验海上试验n n目标的航速、姿态、控制特性、航行深度等目标的航速、姿态、控制特性、航行深度等目标的航速、姿态、控制特性、航行深度等目标的航速、姿态、控制特性、航行深度等oo高速运动目标自带内记设备高速运动目标自带内记设备高速运动目标自带内记设备高速运动目标自带内记设备oo短基线系统的使用目的短基线系统的使用目的短基线系统的使用目的短基线系统的使用目的n n客观评价运动目标航行情况客观评价运动目标航行情况客观评价运动目标航行情况客观评价运动目标航行情况n n运动目标自身的控制等性能运动目标自身的控制等性能运动目标自身的控制等性能运动目标自身的控制等性能n n运动目标的回收运动目标的回收运动目标的回收运动目标的回收水下高速运动体三维水下高速运动体三维水下高速运动体三维水下高速运动体三维轨迹轨迹轨迹轨迹短基线测量系统短基线测量系统短基线测量系统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。

oo2 2、定位方程、定位方程、定位方程、定位方程n n定位方程定位方程定位方程定位方程oo基阵坐标系基阵坐标系基阵坐标系基阵坐标系n n设参考点：基阵中心设参考点：基阵中心设参考点：基阵中心设参考点：基阵中心oo共有共有共有共有6 6个接收基元个接收基元个接收基元个接收基元n n其其其其相相相相对对对对位位位位置置置置坐坐坐坐标标标标为为为为（（（（x xi i，，，，y yi i，，，，z zi i）））），，，，i i=1,2…,6=1,2…,6 oo目标的相对位置坐标为目标的相对位置坐标为目标的相对位置坐标为目标的相对位置坐标为（（（（X,Y,ZX,Y,Z））））oo则定位方程为则定位方程为则定位方程为则定位方程为目标的位置目标的位置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或者说三个球面的交或者说三个球面的交或者说三个球面的交或者说三个球面的交汇点汇点汇点汇点n n定位方程的线性化定位方程的线性化定位方程的线性化定位方程的线性化oo方程中取方程中取方程中取方程中取4 4个进行线性化，个进行线性化，个进行线性化，个进行线性化，oo两个式子相减，并设两个式子相减，并设两个式子相减，并设两个式子相减，并设 可得可得可得可得oo取取取取3 3个方程构成平面交汇方程组，解方程即可确定个方程构成平面交汇方程组，解方程即可确定个方程构成平面交汇方程组，解方程即可确定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目标的相对坐标目标的相对坐标目标的相对坐标。

n n定位方程的线性化定位方程的线性化定位方程的线性化定位方程的线性化n n将定位方程组写成将定位方程组写成将定位方程组写成将定位方程组写成 矩阵形式矩阵形式矩阵形式矩阵形式oo令令令令n n将定位方程组写成将定位方程组写成将定位方程组写成将定位方程组写成 矩阵形式矩阵形式矩阵形式矩阵形式oo令令令令oo记记记记oo则写为矩阵形式则写为矩阵形式则写为矩阵形式则写为矩阵形式 A Ax x=c=coo当当当当AA非奇异时可得到解非奇异时可得到解非奇异时可得到解非奇异时可得到解 n n应当注意：应当注意：应当注意：应当注意：oo当所选基元在同一平面上时，当所选基元在同一平面上时，当所选基元在同一平面上时，当所选基元在同一平面上时，A A-1-1不存在，因而无不存在，因而无不存在，因而无不存在，因而无解为了保证任意解为了保证任意解为了保证任意解为了保证任意4 4个阵元都不在同一平面内，各个阵元都不在同一平面内，各个阵元都不在同一平面内，各个阵元都不在同一平面内，各阵元的阵元的阵元的阵元的“ “杆长杆长杆长杆长” ”不同即保证构成的方程组所代不同即保证构成的方程组所代不同即保证构成的方程组所代不同。

即保证构成的方程组所代表的平面两两不在一个平面）表的平面两两不在一个平面）表的平面两两不在一个平面）表的平面两两不在一个平面）oo若所选基元在某一平面附近，定位误差较大若所选基元在某一平面附近，定位误差较大若所选基元在某一平面附近，定位误差较大若所选基元在某一平面附近，定位误差较大oo若若若若4 4个基元处于立方体构成的直角坐标系的原点和个基元处于立方体构成的直角坐标系的原点和个基元处于立方体构成的直角坐标系的原点和个基元处于立方体构成的直角坐标系的原点和3 3轴上时，平面交会的效果最好，原因是轴上时，平面交会的效果最好，原因是轴上时，平面交会的效果最好，原因是轴上时，平面交会的效果最好，原因是3 3个平面个平面个平面个平面互相正交互相正交互相正交互相正交oo3 3、误差源分析（定位误差）、误差源分析（定位误差）、误差源分析（定位误差）、误差源分析（定位误差）n n引入定位误差的因素：引入定位误差的因素：引入定位误差的因素：引入定位误差的因素：oo测距误差（由测时误差引起）测距误差（由测时误差引起）测距误差（由测时误差引起）测距误差（由测时误差引起）oo基阵姿态测量误差基阵姿态测量误差基阵姿态测量误差基阵姿态测量误差oo基阵尺寸误差（基阵阵元位置测量误差）基阵尺寸误差（基阵阵元位置测量误差）基阵尺寸误差（基阵阵元位置测量误差）基阵尺寸误差（基阵阵元位置测量误差）oo声速误差声速误差声速误差声速误差oo交会误差交会误差交会误差交会误差n n由于基阵尺度较小，在远距离定位时，将引入交会误差由于基阵尺度较小，在远距离定位时，将引入交会误差由于基阵尺度较小，在远距离定位时，将引入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 n n误差分析的方法：误差分析的方法：误差分析的方法：误差分析的方法：oo对定位解算的球面方程求全微分。

对定位解算的球面方程求全微分对定位解算的球面方程求全微分对定位解算的球面方程求全微分oo误差方程为误差方程为误差方程为误差方程为oo其中，其中，其中，其中，dcdc为声速误差，为声速误差，为声速误差，为声速误差，dtdti i为测时误差，它由时为测时误差，它由时为测时误差，它由时为测时误差，它由时钟误差、脉冲前沿测量误差（与信号钟误差、脉冲前沿测量误差（与信号钟误差、脉冲前沿测量误差（与信号钟误差、脉冲前沿测量误差（与信号/ /噪声比有噪声比有噪声比有噪声比有关）造成，关）造成，关）造成，关）造成，dxdxi i、、、、dydyi i、、、、dzdzi i为基元位置误差，可为基元位置误差，可为基元位置误差，可为基元位置误差，可通过预先校准减小基元位置误差通过预先校准减小基元位置误差通过预先校准减小基元位置误差通过预先校准减小基元位置误差n n交会误差的分析交会误差的分析交会误差的分析交会误差的分析oo分析思路：分析思路：分析思路：分析思路：n n以一个特定的阵形为例进行误差分析以一个特定的阵形为例进行误差分析以一个特定的阵形为例进行误差分析以一个特定的阵形为例进行误差分析§ §设阵元位置坐标为设阵元位置坐标为设阵元位置坐标为设阵元位置坐标为A(0,0,0)A(0,0,0)A(0,0,0)A(0,0,0)，，，，B(L,0,0)B(L,0,0)B(L,0,0)B(L,0,0)，，，，C(0,L,0)C(0,L,0)C(0,L,0)C(0,L,0)，，，，D(0,0,L)D(0,0,L)D(0,0,L)D(0,0,L)n n解算位置坐标（解算位置坐标（解算位置坐标（解算位置坐标（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求全微分进行误差分析求全微分进行误差分析求全微分进行误差分析求全微分进行误差分析n n交会误差的分析交会误差的分析交会误差的分析交会误差的分析oo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线性方程组中的向量和矩阵分别简化为线性方程组中的向量和矩阵分别简化为线性方程组中的向量和矩阵分别简化为线性方程组中的向量和矩阵分别简化为 rDrBrCoo目标目标目标目标T T的位置坐标的位置坐标的位置坐标的位置坐标 oo可解出信标的位置分量（如可解出信标的位置分量（如可解出信标的位置分量（如可解出信标的位置分量（如XX分量）分量）分量）分量）oo基元位置无误差时，目标位置误差分量为基元位置无误差时，目标位置误差分量为基元位置无误差时，目标位置误差分量为基元位置无误差时，目标位置误差分量为3 3部分的总误差应为均方根误差＝各误差的平方和开根部分的总误差应为均方根误差＝各误差的平方和开根部分的总误差应为均方根误差＝各误差的平方和开根部分的总误差应为均方根误差＝各误差的平方和开根δXcδXtrArBoo声速误差引起的定位交会误差声速误差引起的定位交会误差声速误差引起的定位交会误差声速误差引起的定位交会误差考虑考虑 并且记并且记则有则有oo声速误差引起的定位交会误差声速误差引起的定位交会误差声速误差引起的定位交会误差声速误差引起的定位交会误差oo测时误差引起的定位误差测时误差引起的定位误差测时误差引起的定位误差测时误差引起的定位误差 设测时误差相等记为设测时误差相等记为设测时误差相等记为设测时误差相等记为 ，且在远距离上有，且在远距离上有，且在远距离上有，且在远距离上有oo例：设距离为例：设距离为例：设距离为例：设距离为r r=200m=200m，，，，c c=1500m/s=1500m/s，，，，δδδδc c c c=0.5%×=0.5%×c c=7.5m/s=7.5m/s，因此，由声速误差引起的交会，因此，由声速误差引起的交会，因此，由声速误差引起的交会，因此，由声速误差引起的交会误差为误差为误差为误差为 在阵元间距在阵元间距在阵元间距在阵元间距L L＝＝＝＝1.5m1.5m时，由测时误差引起的交会误差为时，由测时误差引起的交会误差为时，由测时误差引起的交会误差为时，由测时误差引起的交会误差为 在使用在使用在使用在使用CWCW脉冲时，若测时误差约为＝脉冲时，若测时误差约为＝脉冲时，若测时误差约为＝脉冲时，若测时误差约为＝0.1ms0.1ms，因此可，因此可，因此可，因此可算得算得算得算得=28.3m=28.3m。

oo减小由测时误差造成的定位交会误差的方法：加大基阵减小由测时误差造成的定位交会误差的方法：加大基阵减小由测时误差造成的定位交会误差的方法：加大基阵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）长度，并尽可能减小测时误差（信号形式、算法）长度，并尽可能减小测时误差（信号形式、算法）长度，并尽可能减小测时误差（信号形式、算法） oo定位误差小结：定位误差小结：定位误差小结：定位误差小结：n n引入定位误差的因素引入定位误差的因素引入定位误差的因素引入定位误差的因素oo测距误差（由测时误差引起）测距误差（由测时误差引起）测距误差（由测时误差引起）测距误差（由测时误差引起）oo基阵姿态测量误差基阵姿态测量误差基阵姿态测量误差基阵姿态测量误差oo基阵尺寸误差基阵尺寸误差基阵尺寸误差基阵尺寸误差oo声速误差声速误差声速误差声速误差oo交会误差交会误差交会误差交会误差n n结论：结论：结论：结论：oo在远距离将引起交会误差在远距离将引起交会误差在远距离将引起交会误差在远距离将引起交会误差oo测时误差引起的交会误差最大测时误差引起的交会误差最大测时误差引起的交会误差最大测时误差引起的交会误差最大oo加大基阵尺寸有助于减小交会误差加大基阵尺寸有助于减小交会误差加大基阵尺寸有助于减小交会误差加大基阵尺寸有助于减小交会误差oo4 4、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n n基阵位置校准基阵位置校准基阵位置校准基阵位置校准oo方方方方法法法法：：：：多多多多次次次次测测测测量量量量（（（（可可可可直直直直接接接接测测测测量量量量））））基基基基阵阵阵阵两两两两两两两两之之之之间间间间的的的的距距距距离离离离，，，，列列列列写写写写方方方方程程程程组组组组，，，，方方方方程程程程组组组组数数数数目目目目应应应应为为为为未未未未知知知知数数数数个个个个数数数数（（（（阵阵阵阵元元元元位位位位置置置置坐坐坐坐标标标标）））），，，，可可可可依依依依据据据据实实实实际际际际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证证方方方方程程程程个个个个数数数数大大大大于于于于未未未未知知知知数个数。

数个数oo设设设设各各各各基基基基元元元元在在在在基基基基线线线线坐坐坐坐标标标标系系系系中中中中的的的的位位位位置置置置为为为为 ，，，，它它它它们们们们之之之之间间间间的的的的距离为距离为距离为距离为r rij ij ，有，有，有，有oo其其其其中中中中NN为为为为阵阵阵阵元元元元数数数数共共共共有有有有 个个个个距距距距离离离离，，，，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，，，，总总总总未未未未知知知知数数数数个个个个数数数数为为为为3 3NN方方方方程程程程数大于未知数个数时，方程可解，即数大于未知数个数时，方程可解，即数大于未知数个数时，方程可解，即数大于未知数个数时，方程可解，即 oo 解得解得解得解得NN≥7≥7≥7≥7oo有有有有时时时时可可可可测测测测距距距距离离离离往往往往往往往往小小小小于于于于MM ，，，，为为为为使使使使方方方方程程程程可可可可解解解解，，，，必必必必须须须须减减减减少少少少未未未未知知知知数。

数oo4 4、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n n基阵位置校准基阵位置校准基阵位置校准基阵位置校准oo减少未知数的办法减少未知数的办法减少未知数的办法减少未知数的办法n n基基基基阵阵阵阵的的的的特特特特殊殊殊殊结结结结构构构构，，，，Z Zi i是是是是已已已已知知知知的的的的，，，，因因因因而而而而N N个个个个阵阵阵阵元元元元减减减减少少少少了了了了N N个个个个未知数 n n再再再再选选选选y y轴轴轴轴，，，，使使使使其其其其通通通通过过过过对对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连连线线线线此时，该两基元的此时，该两基元的此时，该两基元的此时，该两基元的x x坐标为坐标为坐标为坐标为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n n结果：总未知数个数减为结果：总未知数个数减为结果：总未知数个数减为结果：总未知数个数减为2 2N N-2 -2 oo4 4、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n n基阵位置校准基阵位置校准基阵位置校准基阵位置校准n n基阵水下姿态的修正基阵水下姿态的修正基阵水下姿态的修正基阵水下姿态的修正 oo水水水水下下下下基基基基阵阵阵阵用用用用可可可可承承承承重重重重电电电电缆缆缆缆悬悬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环环境境境境和和和和母母母母船船船船摇摇摇摇摆摆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态态并并并并不不不不固固固固定定定定必必必必须须须须对对对对姿姿姿姿态态态态进进进进行行行行修修修修正正正正，，，，将将将将测测测测得得得得的的的的相相相相对对对对于于于于基基基基阵阵阵阵坐坐坐坐标标标标系系系系的的的的目目目目标标标标轨轨轨轨迹迹迹迹转转转转换换换换到到到到大大大大地坐标上地坐标上地坐标上地坐标上实际上也是坐标变换的问题实际上也是坐标变换的问题实际上也是坐标变换的问题实际上也是坐标变换的问题 n n基阵坐标系与北向坐标系的转换基阵坐标系与北向坐标系的转换基阵坐标系与北向坐标系的转换基阵坐标系与北向坐标系的转换oo设目标在大地坐标系和基阵坐标系中的位置为设目标在大地坐标系和基阵坐标系中的位置为设目标在大地坐标系和基阵坐标系中的位置为设目标在大地坐标系和基阵坐标系中的位置为oox x=(=(x yx y z z) )T T 和和和和 x xa a=(=(x xa a y ya a z za a) )T Too进行坐标变换进行坐标变换进行坐标变换进行坐标变换绕绕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ΦΦoo5 5、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理 n n距离模糊问题距离模糊问题距离模糊问题距离模糊问题oo产生的原因产生的原因产生的原因产生的原因n n当当当当回回回回波波波波时时时时间间间间大大大大于于于于发发发发射射射射周周周周期期期期时时时时，，，，或或或或作作作作用用用用距距距距离离离离大大大大于于于于cTcT时时时时，，，，便便便便会会会会出现距离模糊。

出现距离模糊出现距离模糊出现距离模糊Too5 5、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理 n n距离模糊问题距离模糊问题距离模糊问题距离模糊问题oo解决的方法解决的方法解决的方法解决的方法n n增大信标发射信号的周期增大信标发射信号的周期增大信标发射信号的周期增大信标发射信号的周期n n利用轨迹的连续性进行事后处理利用轨迹的连续性进行事后处理利用轨迹的连续性进行事后处理利用轨迹的连续性进行事后处理n n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率的信号交递发射，或在奇数周期发射两个脉冲率的信号交递发射，或在奇数周期发射两个脉冲率的信号交递发射，或在奇数周期发射两个脉冲n n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，接收这个信号统中增加一个接收通道，接收这个信号统中增加一个接收通道，接收这个信号统中增加一个接收通道，接收这个信号oo5 5、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理 n n数据预处理数据预处理数据预处理数据预处理oo预处理的目的：是为了避免不必要的干扰，保证进入解算预处理的目的：是为了避免不必要的干扰，保证进入解算预处理的目的：是为了避免不必要的干扰，保证进入解算预处理的目的：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的是有效直达声脉冲的是有效直达声脉冲的是有效直达声脉冲oo方法：滤波、加距离门、方法：滤波、加距离门、方法：滤波、加距离门、方法：滤波、加距离门、oo5 5、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理 n n数据预处理数据预处理数据预处理数据预处理oo水面反射的处理水面反射的处理水面反射的处理水面反射的处理1 1）问题的提出：）问题的提出：）问题的提出：）问题的提出：2 2）产生镜反射的条件：）产生镜反射的条件：）产生镜反射的条件：）产生镜反射的条件：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oo5 5、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理 n n数据预处理数据预处理数据预处理数据预处理oo水面反射的处理水面反射的处理水面反射的处理水面反射的处理1 1）问题的提出：）问题的提出：）问题的提出：）问题的提出：2 2）产生镜反射的条件：）产生镜反射的条件：）产生镜反射的条件：）产生镜反射的条件：3 3）产生镜反射的条件公式推导：）产生镜反射的条件公式推导：）产生镜反射的条件公式推导：）产生镜反射的条件公式推导：思路：几何关系＋两个条件思路：几何关系＋两个条件思路：几何关系＋两个条件思路：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：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）解决的方法：）解决的方法：）解决的方法：）解决的方法： 找出会发生反射声先于找出会发生反射声先于找出会发生反射声先于找出会发生反射声先于直达声到达的情况直达声到达的情况直达声到达的情况直达声到达的情况 。

利用利用不等式作为判别条件设置不等式作为判别条件设置不等式作为判别条件设置不等式作为判别条件设置基阵深度基阵深度基阵深度基阵深度 ，避免水面反射，避免水面反射，避免水面反射，避免水面反射的影响。