长程超短基线定位系统研制

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1、长程超短基线定位系统研制摘要水声定位系统在海洋科学领域应用广泛，但原有系统大多或设备庞大、操作复杂，或定位范围小、精度低，很难真正满足使用需求。声学、信号处理理论逐步成熟；电子技术，如DSP、DGPS技术的发展，为我们提供了开发更先进的定位系统的可能。本论文的主要工作包括国家“863”计划中的课题——长程超短基线系统的总体设计研究与实现，声基阵相位校准和海上系统安装误差校准试验的方案设计研究，最后通过试验验证系统的工作性能。系统的总体结构设计是决定一个系统性能好坏的关键因素。本系统由水声定位系统、船姿态测量系统和GP

2、S定位系统三大部分组成，其中基线基阵结构改进是系统设计的独特之处，使系统可以实现了高精度的目标定位。文中分析了整个系统的误差来源，介绍了系统定位解算的方式，并且对声换能器基阵、应答器功能、收发单元组成及主控软件也进行了论述。根据对系统误差分析可知，除了提高输入信噪比，可以提高整个系统定位性能，有效控制系统的测向误差也是系统实现高精度定位的关键。本文从高精度定位算法、声基阵相位校准及海上安装误差校准，这三个方面介绍如何提高系统的测向精度，减少系统相位误差，提高系统在远距离的定位精度。传统的超短基线定位系统基阵尺寸小便于

3、安装，但其定位误差随着作用距离增加而迅速增加，影响了超短基线在深海作业中的应用。由于在远距离误差发散快，超短基线作用距离不远，其远距离定位精度也不高。为了满足深海作业需要，提高超短基线远距离的定位精度，文中提出改进超短基线定位精度的两种方法，一种方法是通过改进基阵阵形，从而加大基阵孔径提高定位精度；另一种是通过使用宽带信号测向，采用相关峰内插时延估计的方法。经计算机仿真，通过两种方法改进后的超短基线系统定位精度都得到不同程度的提高。由于本系统的声基阵是多元基阵，不同阵元间存在的附加相移会直接影响系统定位精度，是需要校

4、准和补偿的相移量。文中针对本系统声基阵相位哈尔滨工程大学博士学位论文校准试验的实际情况，给出了阵元间附加相移的测量方法及水池试验结果。如前所述，一套完整的超短基线定位系统都包括三个组成部分：水声定位系统、船姿态测量系统和6PS定位系统，前者是用定位目标在基阵坐标系下的位置，后两者是用于将目标的水声基阵坐标转化为相应的大地坐标。这些系统所包括有多个传感器，不同传感器所在的坐标系间的角度偏差是导致超短基线系统定位误差的一个重要原因。如何在不用附加任何硬件的情况下在海上快速对USBL系统进行校准是系统需要解决的重要问题。文

5、中提出了利用对海底固定应答器的定位进行校准试验的过程，并利用非线性迭代最小二乘原理对应答器位置及坐标问的角度偏差进行了估计，海试试验证明此校准方案的有效性。最后，本文对系统的湖试、海试作了介绍，系统的主要性能在试验中得到了充分的体现。关键词：水声定位系统；USBL；定位算法；相位校准；超短基线的海上校准AbstractAcousticpositioningsystemhaswideapplicationinOceanScientificfield．However,existingsystemshavedisadvan

6、tagesofbulkiness，perplexingoperation，limitedpositionrangeandlowprecision，resultingintheirincompetenceofsatisfyiⅡgmanyapplicationneeds．WiththedevelopmentofAcousticsmadSignalProcessingtheory,aswellasthatofDSPandDGPStechnology,itispossibleforUStodevelopmoreadvance

7、dpositioningsystems．Themainworkofthisthesisincludes：systemleveldesignandimplementta—tionofanLongRangeUltraShortBaseline(LR-USBL)systemthatisoneofresearchprojectsoftheNatural863program，researchanddesignofthecalibrat’ionofthephaseshiftmisalignmentsofthebaselinear

8、ray，angularmisaligrnentsoftheUSBLsensors，andperformanceverificationbyexperiments．Systemarchitecturedesigniscrucialtoasystem’Sperformance．Oursystemiscomposedofacousticvessel—