高精度短基線(xiàn)定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

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1、http://www.paper.edu.cn高精度短基線(xiàn)定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究時(shí)潔，劉伯勝，宋海巖哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院，哈爾濱（150001） E-mail：shijie_dongxin@163.com摘要：短基線(xiàn)定位系統(tǒng)是一種常用的水聲定位設(shè)備。船舶模型試驗(yàn)要求定位系統(tǒng)具有很高的精度，用以檢驗(yàn)船舶設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性。本文重點(diǎn)介紹高精度定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)， 其中包括高精度基陣標(biāo)校、分區(qū)定位解算、冗余設(shè)計(jì)、抗多途干擾措施等。試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)定位精度高，軌跡光滑“野點(diǎn)”少，收到令人滿(mǎn)意的效果。關(guān)鍵詞：水聲定位系統(tǒng)，短基線(xiàn)，高精度，關(guān)鍵技術(shù)中圖分類(lèi)號(hào)：TB568文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

2、：A為提高船舶模型試驗(yàn)的整體測(cè)試能力，發(fā)射機(jī)放置于試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，接收水?tīng)器通過(guò)試驗(yàn)水池需要配備高精度水聲定位系統(tǒng)，精電纜連接至池邊接收分系統(tǒng)。接收分系統(tǒng)由確、實(shí)時(shí)給出模型位置，并據(jù)此對(duì)船舶設(shè)計(jì)多通道接收機(jī)、信號(hào)處理分機(jī)、接口通信分的科學(xué)性、合理性作出評(píng)估。由于水池一般機(jī)及顯控平臺(tái)等部分組成。其中顯控平臺(tái)完尺度小、深度淺，水聲信號(hào)多途干擾十分嚴(yán)成定位解算、后置處理、軌跡顯示等任務(wù)，重；另外，水池水域小，基陣尺度受到限制，給出最終定位結(jié)果。圖1為定位系統(tǒng)組成示在此條件下，定位高精度必然要求測(cè)時(shí)高精意圖。度。根據(jù)試驗(yàn)水池水聲傳播條件及定位系統(tǒng)精度要求，定位系統(tǒng)采用了以下關(guān)鍵技術(shù)：1

3、.2定位數(shù)學(xué)模型1.2.1接收基陣初步標(biāo)校（1）接收基陣陣形高精度標(biāo)校；定位系統(tǒng)參考系如圖2所示，x軸是支 （2）冗余設(shè)計(jì)及分區(qū)定位解算；架在池底的投影。為測(cè)量船模位置，首先應(yīng)（3）抗多途干擾軟硬件措施；確定接收水聽(tīng)器在參考系中的位置。設(shè)五個(gè)（4）窄脈沖技術(shù)，適當(dāng)提高工作頻率，采用信標(biāo)工作方式等；水聽(tīng)器依圖2所示布放于池底，布放時(shí)，1、##試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)定位精度高，軌2及4#水聽(tīng)器沿水池中部上方支架放置于#跡光滑，離散程度小，具有很高的可行性。池底，入水前分別記錄1#至2#及1#至4#水1定位系統(tǒng)組成及定位數(shù)學(xué)模型聽(tīng)器之間的間距，3#、5#水聽(tīng)器位置原則上任意，但以圖

4、2所示之菱形為佳。1.1定位系統(tǒng)組成定位系統(tǒng)工作于鋼筋混凝土水池，水池上方設(shè)有剛性支架。定位系統(tǒng)濕端由一個(gè)發(fā)射換能器和五個(gè)接收水聽(tīng)器基陣組成。水聲-1-http://www.paper.edu.cn發(fā)射機(jī)航模同步水下接收基陣對(duì)專(zhuān)家系統(tǒng)時(shí)多通道接收機(jī)信號(hào)處理分機(jī)接口通信分機(jī)顯控平臺(tái)顯示窗口交互控制人機(jī)交互圖1定位系統(tǒng)組成示意圖Fig.1sketchmapofpositioningsystem接收基陣位置標(biāo)校時(shí)，將發(fā)射換能器吊值。放至2#水聽(tīng)器頂上方，測(cè)得它到2#、3#、5水聽(tīng)器的聲傳播時(shí)延為#τ、τ、τ，223252則發(fā)射換能器至2#水聽(tīng)器之間的距離為：h=c?τ22（1）式

5、（1）中c為水中聲速，約為1480m/s。類(lèi)似的，將發(fā)射換能器吊放至4#水聽(tīng)器頂上方，測(cè)得它到4#、3#、5#水聽(tīng)器的聲傳播時(shí)延為τ、τ、τ。則接443454收基陣布放時(shí)，可測(cè)得2#、4#水聽(tīng)器的x坐圖2接收基陣布放示意圖Fig.2planesketchmapofsubarrayposition標(biāo)，設(shè)為x、2x，它們的y坐標(biāo)則為41.2.2定位解算原理y0，于是可通過(guò)以下方程組得到2=y=4系統(tǒng)采用信標(biāo)式工作方式，信標(biāo)安裝在3、5#水聽(tīng)器的位置。#船模上，試驗(yàn)前發(fā)射與接收系統(tǒng)進(jìn)行同步對(duì)????(x(x33?x)22x)24++(y3(y3??y)22y)44++h2h2==

6、(c(c?τ)232?τ)234時(shí)，保證系統(tǒng)為同時(shí)基工作。設(shè)船模位置為（X,Y,Z），到5個(gè)水聽(tīng)器的聲傳播時(shí)延為τ（i=1,2,???,5），除去1-2-4、1-3-5基元i??（2）??22(x)5???(x)5（3）求解方程組（2）（3），可得到（y2)2y)44?τ)252?τ)254x,y）33的組合方式，任取五個(gè)基元其中三個(gè)均可得[1]到方程組：222)YyZzci(X?x+(?)+(?)=(?τ)2iii（）i=1,2,???,5和（到，此值將進(jìn)一步用于高精度標(biāo)校。為提高x5,y），至此，5個(gè)水聽(tīng)器坐標(biāo)均已得5（4）方程中，xyz、已由標(biāo)校工作得到，iii標(biāo)校精

7、度，時(shí)延測(cè)量應(yīng)重復(fù)多次，取其平均可設(shè)定，τ可由定位系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)得到，求解非i值代入方程組（2）和（3）進(jìn)行求解。另外，線(xiàn)性方程組（4），即可解算出航模位置標(biāo)校也宜進(jìn)行多次，取平均值作為最終測(cè)量（X,Y,Z）。-2-http://www.paper.edu.cn2高精度定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)式中x=0，1y=0，1y=0，Z和4iz均i可設(shè)定。此方程組包含15個(gè)方程，共有132.1高精度基陣標(biāo)校2.1.1高精度基陣標(biāo)校方法個(gè)未知量，使用Newton-Raphson[2]方法求[2]方法求解（5）式方程組即可得到高精度標(biāo)校陣位。