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1、1CopyrightSound and Vibration Lab of ZJUT2CopyrightSound and Vibration Lab of ZJUTn基本概念基本概念n三三种基线定位技术原理种基线定位技术原理n定位误差来源定位误差来源3CopyrightSound and Vibration Lab of ZJUTn基本基本概念：背景概念：背景靠靠什么实现水下定位？什么实现水下定位？声波在海水中的衰减速度远小于电磁波，声波在海水中的衰减速度远小于电磁波，所以水下定位主要采用声波。所以水下定位主要采用声波。4CopyrightSound and Vibration Lab of
2、ZJUTn基本基本概念：背景概念：背景水水下声学定位的应用：航道安全、深海矿下声学定位的应用：航道安全、深海矿藏资源调查、海底光缆线路铺设等，对水藏资源调查、海底光缆线路铺设等，对水下拖体进行导航定位。下拖体进行导航定位。5CopyrightSound and Vibration Lab of ZJUTn基本基本概念：三概念：三种声学定位系统种声学定位系统定位类型定位类型基线长度（基线长度（m）简称简称特点特点长基线长基线1006000LBL(Long Baseline Positioning)大面积区域调查；大面积区域调查；系统复杂，操作系统复杂，操作繁琐。繁琐。短基线短基线2050SBL(
3、Short Baseline positioning)操作简单，价格操作简单，价格低廉；深水测量低廉；深水测量基线长度要大于基线长度要大于40米。米。超短基线超短基线1USBL(Ultrashort Baseline positioning)安装、操作简单；安装、操作简单；精度校准要求极精度校准要求极高。高。6CopyrightSound and Vibration Lab of ZJUT短基线定位系统短基线定位系统 7 H3 H1 H2 D1 D2 y x H3 H1 R3 R1 x z x x dR31X3131311sinxdRRRctctD2121212sinydRRRctctD311
4、()sinxc ttxzzD212()sinyc ttyzzD1.求求x坐标坐标2.求求y坐标坐标8xy应答器应答器PR1R2H1H2H3H4R3R4T22221)()(zbyaxR22222)()(zbyaxR22223)()(zbyaxR22224)()(zbyaxR(a,-b)(-a,-b)(a,b)(-a,b)aRRRRx8)()(22242123bRRRRy8)()(242322212.求求x，y坐标坐标1.建立数学模型建立数学模型92/122211)()(byaxRz2/122222)()(byaxRz2/122233)()(byaxRz2/122244)()(byaxRz4432
5、1zzzzz9xy应答器应答器PR1R2H1H2H3H4R3R4T(a,-b)(-a,-b)(a,b)(-a,b)3.求求z坐标坐标其中10若只收到3个信号，例如1，2，3号收到信号aRRx4)(2123bRRy4)(22213321zzzz10 xy应答器应答器PR1R2H1H2H3H4R3R4T(a,-b)(-a,-b)(a,b)(-a,b)11CopyrightSound and Vibration Lab of ZJUT 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。 超短基线定位系
6、统超短基线定位系统12CopyrightSound and Vibration Lab of ZJUT超短基线系统超短基线系统的的两种两种定位定位解算方式解算方式12已知已知方位方位-深度法深度法声线入射角声线入射角和已知深度和已知深度h方位方位-距离法距离法声线声线入射角入射角和测量距离和测量距离R超短超短基线定位系基线定位系统算法统算法xy y1 12 23 34 40 0D311cos2mxc ttxSctD231cos2myc ttySctD222zSxy14CopyrightSound and Vibration Lab of ZJUT长基线定位系统长基线定位系统14可算出船与应答器
7、之间的精确距离。通过定位方程解算出船在应答器阵中的相对位置坐标。应答器发出回答信号舰上问答机发出询问信号F43,T3F41,T1F42,T215CopyrightSound and Vibration Lab of ZJUT22221111()()()Rxxyyzz22222222()()()Rxxyyzz22223333()()()Rxxyyzz112cTR x,y,zx1,y1,z1x3,y3,z3x2,y2,z2长基线定位系统算法长基线定位系统算法332cTR 222cTR 16CopyrightSound and Vibration Lab of ZJUT132213321132232
8、332()()()2 ()()()yyyyyyxx yyxyyx yy长基线定位系统算法长基线定位系统算法132213321132232332()()()2()()()xxxxxxyy xxy xxy xx22222,1,2,3iiiiiixyzRzz i其中17CopyrightSound and Vibration Lab of ZJUT定位误差来源定位误差来源l系统误差：声速测量误差、声波波长误差、声线系统误差：声速测量误差、声波波长误差、声线弯曲导致的相位测量误差弯曲导致的相位测量误差、基阵安装、基阵安装误差等。误差等。l随机误差：海洋噪声、船姿态、水听器基阵姿态随机误差：海洋噪声、船
9、姿态、水听器基阵姿态变化等。变化等。18CopyrightSound and Vibration Lab of ZJUT定位误差：声线弯曲定位误差：声线弯曲常声速声线跟踪法常声速声线跟踪法常梯度声线跟踪法常梯度声线跟踪法1iiRpg siniipC19CopyrightSound and Vibration Lab of ZJUT定位误差：姿态变化定位误差：姿态变化XYZXYZXYZ为什么要进行姿态为什么要进行姿态修正：修正：船受风、浪影响，船受风、浪影响，会有晃动。而测量会有晃动。而测量是以基阵坐标系进是以基阵坐标系进行的。行的。解决解决方法：姿态修方法：姿态修正（坐标变换）正（坐标变换）姿态变化姿态变化20CopyrightSound and Vibration Lab of ZJUT定位误差：海洋噪声定位误差：海洋噪声海洋噪声海洋噪声来源：海面来源：海面波浪空化噪声，舰波浪空化噪声，舰船噪声等。船噪声等。应对措施：对噪声源抑制降低噪声提高应对措施：对噪声源抑制降低噪声提高信噪比信噪比。 选择流线型的测量船和换能器，选选择流线型的测量船和换能器，选择低噪音发动机，增大吃水深度等。择低噪音发动机，增大吃水深度等。21CopyrightSound and Vibration Lab of ZJUT