超短基线水声定位系统

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1、水下定位与导航技术第三章超短基线水声定位系统7/29/202113.1引言组成结构：发射换能器和几个水听器可以组成一个直径只有几厘米～几十厘米的水听器基阵，称为声头。声头可以安装在船体的底部，也可以悬挂于小型水面船的一侧。超短基线系统定位解算方式非同步信标方式应答器方式响应器方式带有深度的应答器/响应器方式2超短基线系统的几种定位解算方式（测量声线入射角）（a）信标方式（距离和角度）(b)应答器方式（单程距离和角度）(c)响应器方式(d)有深度的应答器/响应器方式一类是根据声线入射角和已知深度进行位置解算另一类则是根据测量的距离和声线入射角进行定位解算。已知将测得的斜距、入射角与深度组合，

2、从而提高定位精度。33.2入射角和深度方式（非同步信标信标方式）位置解算结构及定位解算图：3个水听器摆成L型。位置解算：信标位置(Xa,Ta,Za）3个水听器按L型布置，间距为d。d43.2入射角和深度方式（非同步信标信标方式）位置解算R与信标的坐标Xa,Ya及深度的关系为而从而解得θmx,θmy是通过相位差测量而得到的53.2入射角和深度方式（非同步信标信标方式）位置解算因此有两个水听器接收信号的相位差Φ与信号入射角θm的关系为由于基阵尺寸甚小，可认为是远场接收的情况，即入射到所有基元的声线平行。63.2入射角和深度方式（非同步信标信标方式）位置解算算法小结先测得两换能器接收信号的相位差

3、，然后利用公式解算信标在船坐标系下的位置坐标。73.2入射角和深度方式（非同步信标信标方式）位置解算，θr在某些场合，要求目标的坐标，要以水平距离和水平面内的目标方位角给出。在水平面内以极坐标形式给出8应答器T3.3入射角与距离算法（应答器或响应器方式）目标斜距若使用应答器代替信标通过相位测量得到角度，直接求出位置坐标应答器深度若使用响应器93.4超短基线定位系统定位误差分析一般，误差以水平位置误差与斜距之比度量（相对误差）。误差分析的目的：分析应答器在基阵坐标系下的位置解算误差，即求ΔXa、ΔYa、ΔZa分别为多少？分析方法：103.4超短基线定位系统定位误差分析Xa、Ya、Za的求解公

4、式以X的定位误差为例，对Xa求全微分有113.4超短基线定位系统定位误差分析位置测量的相对误差表示式位置相对定位精度斜距R和λ的相对误差：由和有代入上式可得以水平位置精度与斜距之比来衡量定位精度时有斜距相对定位精度123.4超短基线定位系统定位误差分析在各项误差认为互相独立的情况下，相对于斜距的位置均方误差记为，即类似地，可得到结论：信标或应答器在基阵的下方时，定位误差主要来源于相位测量误差。133.4超短基线定位系统定位误差分析分析：第一项：声速引起的误差第二项：测时误差引起的误差第三项：阵元间距不准引起的误差第四项：相位测量误差引起的误差，与角度θmx,θmy有关：当接近90°（即信标

5、或应答器在基阵的下方）时，相位差很小，前3项影响很小，相位测量误差起主要作用。随θmx,θmy减小，前3项影响加大当信标或应答器在靠近基阵所在平面(即角度很小)时，因有反射声影响，精度也难保证。结论：超短基线系统只在基阵下方一个有限的锥体内定位精度较高改进措施：加大基阵尺寸；采用宽带信号→0143.4超短基线定位系统定位误差分析误差与θm的变化关系注意：衡量相对定位误差时，两个相对误差公式计算的量值随θm的减小的趋势是不同的。在只考虑相位差测量误差时例：f0＝20kHz，d=0.04m，c=1500m/s，h=4000m，△φ＝1°表3.1在不同θm下，相位差测量相对误差153.4超短基线

6、定位系统定位误差分析误差与θm的变化关系“跳象限”问题“跳象限”的现象：随θm的减小，定位精度难以保证存在水面反射，使直达声和反射声相加之后总和信号的相位发生变化。结果，使得计算的不正确。例如，信标本应在第I象限，而计算结果可能是X、Y均为负值，误为第IV象限。结果，使载体相对于信标的位置轨迹不连续。这就是所谓的“跳象限”现象。“跳象限”的情况主要由水面反射引起，可通过信号处理的方法解决。以前采用单频信号时，对信号处理的手段未进行较深入地研究，存在此种问题。现在采用宽带信号，信号处理的手段也较高，“跳象限”的问题可以解决。163.5改善超短基线定位系统定位精度的措施分析不考虑声速和阵元间距

7、误差的情况下定位误差与阵元间距d成反比，d大则误差减小；与测距精度和测相精度成正比，测距精度和测相精度高则误差小。增加d的限制当d>λ/2，阵元间最大相位差将会落在区间[-π,π]之外，结果造成相位差测量模糊，致使位置解算发生错误。因此，d必须≤λ/2。173.5改善超短基线定位系统定位精度的措施测时误差为改善测时误差可增加接收机输出信号/噪声比和带宽当采用CW脉冲时，信号带宽与脉冲宽度成反比，即，而匹配滤波器输出信/噪