高精度短基线定位系统关键技术研究

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1、http://www.paper.edu.cn高精度短基线定位系统关键技术研究时洁，刘伯胜，宋海岩哈尔滨工程大学水声工程学院，哈尔滨（150001） E-mail：shijie_dongxin@163.com摘要：短基线定位系统是一种常用的水声定位设备。船舶模型试验要求定位系统具有很高的精度，用以检验船舶设计的科学性、合理性。本文重点介绍高精度定位系统的关键技术， 其中包括高精度基阵标校、分区定位解算、冗余设计、抗多途干扰措施等。试验证明，该系统定位精度高，轨迹光滑“野点”少，收到令人满意的效果。关键词：水声定位系统，短基线，高精度，关键技术中图分类号：TB568文献标识码

2、：A为提高船舶模型试验的整体测试能力，发射机放置于试验模型中，接收水听器通过试验水池需要配备高精度水声定位系统，精电缆连接至池边接收分系统。接收分系统由确、实时给出模型位置，并据此对船舶设计多通道接收机、信号处理分机、接口通信分的科学性、合理性作出评估。由于水池一般机及显控平台等部分组成。其中显控平台完尺度小、深度浅，水声信号多途干扰十分严成定位解算、后置处理、轨迹显示等任务，重；另外，水池水域小，基阵尺度受到限制，给出最终定位结果。图1为定位系统组成示在此条件下，定位高精度必然要求测时高精意图。度。根据试验水池水声传播条件及定位系统精度要求，定位系统采用了以下关键技术：1

3、.2定位数学模型1.2.1接收基阵初步标校（1）接收基阵阵形高精度标校；定位系统参考系如图2所示，x轴是支 （2）冗余设计及分区定位解算；架在池底的投影。为测量船模位置，首先应（3）抗多途干扰软硬件措施；确定接收水听器在参考系中的位置。设五个（4）窄脉冲技术，适当提高工作频率，采用信标工作方式等；水听器依图2所示布放于池底，布放时，1、##试验结果表明，该系统定位精度高，轨2及4#水听器沿水池中部上方支架放置于#迹光滑，离散程度小，具有很高的可行性。池底，入水前分别记录1#至2#及1#至4#水1定位系统组成及定位数学模型听器之间的间距，3#、5#水听器位置原则上任意，但以图

4、2所示之菱形为佳。1.1定位系统组成定位系统工作于钢筋混凝土水池，水池上方设有刚性支架。定位系统湿端由一个发射换能器和五个接收水听器基阵组成。水声-1-http://www.paper.edu.cn发射机航模同步水下接收基阵对专家系统时多通道接收机信号处理分机接口通信分机显控平台显示窗口交互控制人机交互图1定位系统组成示意图Fig.1sketchmapofpositioningsystem接收基阵位置标校时，将发射换能器吊值。放至2#水听器顶上方，测得它到2#、3#、5水听器的声传播时延为#τ、τ、τ，223252则发射换能器至2#水听器之间的距离为：h=c⋅τ22（1）式

5、（1）中c为水中声速，约为1480m/s。类似的，将发射换能器吊放至4#水听器顶上方，测得它到4#、3#、5#水听器的声传播时延为τ、τ、τ。则接443454收基阵布放时，可测得2#、4#水听器的x坐图2接收基阵布放示意图Fig.2planesketchmapofsubarrayposition标，设为x、2x，它们的y坐标则为41.2.2定位解算原理y0，于是可通过以下方程组得到2=y=4系统采用信标式工作方式，信标安装在3、5#水听器的位置。#船模上，试验前发射与接收系统进行同步对⎧⎪−−(x(x33⎨x)22x)24++(y3(y3−−y)22y)44++h2h2==

6、(c(c⋅τ)232⋅τ)234时，保证系统为同时基工作。设船模位置为（X,Y,Z），到5个水听器的声传播时延为τ（i=1,2,⋅⋅⋅,5），除去1-2-4、1-3-5基元i⎪⎩（2）⎧⎪22(x)5⎨⎪⎩(x)5（3）求解方程组（2）（3），可得到（y2)2y)44⋅τ)252⋅τ)254x,y）33的组合方式，任取五个基元其中三个均可得[1]到方程组：222)YyZzci(X−x+(−)+(−)=(⋅τ)2iii（）i=1,2,⋅⋅⋅,5和（到，此值将进一步用于高精度标校。为提高x5,y），至此，5个水听器坐标均已得5（4）方程中，xyz、已由标校工作得到，iii标校精

7、度，时延测量应重复多次，取其平均可设定，τ可由定位系统现场得到，求解非i值代入方程组（2）和（3）进行求解。另外，线性方程组（4），即可解算出航模位置标校也宜进行多次，取平均值作为最终测量（X,Y,Z）。-2-http://www.paper.edu.cn2高精度定位系统关键技术式中x=0，1y=0，1y=0，Z和4iz均i可设定。此方程组包含15个方程，共有132.1高精度基阵标校2.1.1高精度基阵标校方法个未知量，使用Newton-Raphson[2]方法求[2]方法求解（5）式方程组即可得到高精度标校阵位。