超短基線水聲定位系統(tǒng)

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1、水下定位與導(dǎo)航技術(shù)第三章超短基線水聲定位系統(tǒng)7/29/202113.1引言組成結(jié)構(gòu)：發(fā)射換能器和幾個(gè)水聽器可以組成一個(gè)直徑只有幾厘米～幾十厘米的水聽器基陣，稱為聲頭。聲頭可以安裝在船體的底部，也可以懸掛于小型水面船的一側(cè)。超短基線系統(tǒng)定位解算方式非同步信標(biāo)方式應(yīng)答器方式響應(yīng)器方式帶有深度的應(yīng)答器/響應(yīng)器方式2超短基線系統(tǒng)的幾種定位解算方式（測量聲線入射角）（a）信標(biāo)方式（距離和角度）(b)應(yīng)答器方式（單程距離和角度）(c)響應(yīng)器方式(d)有深度的應(yīng)答器/響應(yīng)器方式一類是根據(jù)聲線入射角和已知深度進(jìn)行位置解算另一類則是根據(jù)測量的距離和聲線入射角進(jìn)行定位解算。已知將測得的斜距、入射角與深度組合，

2、從而提高定位精度。33.2入射角和深度方式（非同步信標(biāo)信標(biāo)方式）位置解算結(jié)構(gòu)及定位解算圖：3個(gè)水聽器擺成L型。位置解算：信標(biāo)位置(Xa,Ta,Za）3個(gè)水聽器按L型布置，間距為d。d43.2入射角和深度方式（非同步信標(biāo)信標(biāo)方式）位置解算R與信標(biāo)的坐標(biāo)Xa,Ya及深度的關(guān)系為而從而解得θmx,θmy是通過相位差測量而得到的53.2入射角和深度方式（非同步信標(biāo)信標(biāo)方式）位置解算因此有兩個(gè)水聽器接收信號(hào)的相位差Φ與信號(hào)入射角θm的關(guān)系為由于基陣尺寸甚小，可認(rèn)為是遠(yuǎn)場接收的情況，即入射到所有基元的聲線平行。63.2入射角和深度方式（非同步信標(biāo)信標(biāo)方式）位置解算算法小結(jié)先測得兩換能器接收信號(hào)的相位差

3、，然后利用公式解算信標(biāo)在船坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)。73.2入射角和深度方式（非同步信標(biāo)信標(biāo)方式）位置解算，θr在某些場合，要求目標(biāo)的坐標(biāo)，要以水平距離和水平面內(nèi)的目標(biāo)方位角給出。在水平面內(nèi)以極坐標(biāo)形式給出8應(yīng)答器T3.3入射角與距離算法（應(yīng)答器或響應(yīng)器方式）目標(biāo)斜距若使用應(yīng)答器代替信標(biāo)通過相位測量得到角度，直接求出位置坐標(biāo)應(yīng)答器深度若使用響應(yīng)器93.4超短基線定位系統(tǒng)定位誤差分析一般，誤差以水平位置誤差與斜距之比度量（相對(duì)誤差）。誤差分析的目的：分析應(yīng)答器在基陣坐標(biāo)系下的位置解算誤差，即求ΔXa、ΔYa、ΔZa分別為多少？分析方法：103.4超短基線定位系統(tǒng)定位誤差分析Xa、Ya、Za的求解公

4、式以X的定位誤差為例，對(duì)Xa求全微分有113.4超短基線定位系統(tǒng)定位誤差分析位置測量的相對(duì)誤差表示式位置相對(duì)定位精度斜距R和λ的相對(duì)誤差：由和有代入上式可得以水平位置精度與斜距之比來衡量定位精度時(shí)有斜距相對(duì)定位精度123.4超短基線定位系統(tǒng)定位誤差分析在各項(xiàng)誤差認(rèn)為互相獨(dú)立的情況下，相對(duì)于斜距的位置均方誤差記為，即類似地，可得到結(jié)論：信標(biāo)或應(yīng)答器在基陣的下方時(shí)，定位誤差主要來源于相位測量誤差。133.4超短基線定位系統(tǒng)定位誤差分析分析：第一項(xiàng)：聲速引起的誤差第二項(xiàng)：測時(shí)誤差引起的誤差第三項(xiàng)：陣元間距不準(zhǔn)引起的誤差第四項(xiàng)：相位測量誤差引起的誤差，與角度θmx,θmy有關(guān)：當(dāng)接近90°（即信標(biāo)

5、或應(yīng)答器在基陣的下方）時(shí)，相位差很小，前3項(xiàng)影響很小，相位測量誤差起主要作用。隨θmx,θmy減小，前3項(xiàng)影響加大當(dāng)信標(biāo)或應(yīng)答器在靠近基陣所在平面(即角度很小)時(shí)，因有反射聲影響，精度也難保證。結(jié)論：超短基線系統(tǒng)只在基陣下方一個(gè)有限的錐體內(nèi)定位精度較高改進(jìn)措施：加大基陣尺寸；采用寬帶信號(hào)→0143.4超短基線定位系統(tǒng)定位誤差分析誤差與θm的變化關(guān)系注意：衡量相對(duì)定位誤差時(shí)，兩個(gè)相對(duì)誤差公式計(jì)算的量值隨θm的減小的趨勢(shì)是不同的。在只考慮相位差測量誤差時(shí)例：f0＝20kHz，d=0.04m，c=1500m/s，h=4000m，△φ＝1°表3.1在不同θm下，相位差測量相對(duì)誤差153.4超短基線

6、定位系統(tǒng)定位誤差分析誤差與θm的變化關(guān)系“跳象限”問題“跳象限”的現(xiàn)象：隨θm的減小，定位精度難以保證存在水面反射，使直達(dá)聲和反射聲相加之后總和信號(hào)的相位發(fā)生變化。結(jié)果，使得計(jì)算的不正確。例如，信標(biāo)本應(yīng)在第I象限，而計(jì)算結(jié)果可能是X、Y均為負(fù)值，誤為第IV象限。結(jié)果，使載體相對(duì)于信標(biāo)的位置軌跡不連續(xù)。這就是所謂的“跳象限”現(xiàn)象。“跳象限”的情況主要由水面反射引起，可通過信號(hào)處理的方法解決。以前采用單頻信號(hào)時(shí)，對(duì)信號(hào)處理的手段未進(jìn)行較深入地研究，存在此種問題?，F(xiàn)在采用寬帶信號(hào)，信號(hào)處理的手段也較高，“跳象限”的問題可以解決。163.5改善超短基線定位系統(tǒng)定位精度的措施分析不考慮聲速和陣元間距

7、誤差的情況下定位誤差與陣元間距d成反比，d大則誤差減??；與測距精度和測相精度成正比，測距精度和測相精度高則誤差小。增加d的限制當(dāng)d>λ/2，陣元間最大相位差將會(huì)落在區(qū)間[-π,π]之外，結(jié)果造成相位差測量模糊，致使位置解算發(fā)生錯(cuò)誤。因此，d必須≤λ/2。173.5改善超短基線定位系統(tǒng)定位精度的措施測時(shí)誤差為改善測時(shí)誤差可增加接收機(jī)輸出信號(hào)/噪聲比和帶寬當(dāng)采用CW脈沖時(shí)，信號(hào)帶寬與脈沖寬度成反比，即，而匹配濾波器輸出信/噪