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1、水下定位与导航技术水下定位与导航技术第二章第二章 短基线水声定位系统短基线水声定位系统（Ultra-short baseline positioning system-SBL）4/7/202314/7/2023本章要解决的问题本章要解决的问题oo短基线定位系统的结构（组成）和原理短基线定位系统的结构（组成）和原理短基线定位系统的结构（组成）和原理短基线定位系统的结构（组成）和原理oo三种工作模式（同步和非同步信标方式、应答器方式）三种工作模式（同步和非同步信标方式、应答器方式）三种工作模式（同步和非同步信标方式、应答器方式）三种工作模式（同步和非同步信标方式、应答器方式）下的定位算法（位置解算
2、公式）下的定位算法（位置解算公式）下的定位算法（位置解算公式）下的定位算法（位置解算公式）oo解算后位置修正问题（坐标变换是通用的。基阵坐标系、解算后位置修正问题（坐标变换是通用的。基阵坐标系、解算后位置修正问题（坐标变换是通用的。基阵坐标系、解算后位置修正问题（坐标变换是通用的。基阵坐标系、转换为船坐标系、大地坐标系）转换为船坐标系、大地坐标系）转换为船坐标系、大地坐标系）转换为船坐标系、大地坐标系）oo介绍短基线定位系统的实例介绍短基线定位系统的实例介绍短基线定位系统的实例介绍短基线定位系统的实例n由定位方程进行定位解算的方法由定位方程进行定位解算的方法n定位误差的分析定位误差的分析n基阵
3、校准与水下姿态修正基阵校准与水下姿态修正n距离模糊问题（定位系统存在的普遍问题）距离模糊问题（定位系统存在的普遍问题）24/7/2023 2.1 引言引言是安装在船上的发射器和接收器。它以一个频率发出询问信号，并以另一频率接收回答信号。接收频率可以多个，对应于多个应答器，常常只相隔0.5kHz。发射和接收换能器是无指向性的。是置于海底或装在载体上的发射/接收器。它接收问答机的询问信号（或指令），发回另一与接收频率不同的回答信号。收发换能器无指向性的。问答器：先发后收，发射器和接收器可在一起也可分开。应答器：先收后发，发射和接收共用一个换能器。注意：问答器和应答器的区别。注意：问答器和应答器的区
4、别。置于海底或装在水下载体（潜器）上的发射器，它以特定频率不停的发出声脉冲。它是自主工作的。声信标分同步式和非同步式两种。置于海底或装在水下载体（潜器）上的发射器，它由外部硬件（如控制线）的控制信号触发，发出询问信号。问答机或其它水听器接收它的信号。它常用于噪声较强的场合。oo一些名词的解释一些名词的解释一些名词的解释一些名词的解释n询问器或问答机（询问器或问答机（Interogator）n应答器（应答器（Transponder）n声信标（声信标（Beacon或或Pinger）n响应器（响应器（Responder）34/7/2023短基线系统（短基线系统（SBL）oo系统组成系统组成系统组成系
5、统组成n被定位的船或被定位的船或潜器上至少有潜器上至少有3个水听器。个水听器。n间距在间距在520米的量级。米的量级。n水面船上面装水面船上面装有问答机有问答机n一个同步信标一个同步信标（或应答器）（或应答器）置于海底置于海底oo工作原理工作原理工作原理工作原理n问答机接收来自信标（或应答器）发出的信号，根据信问答机接收来自信标（或应答器）发出的信号，根据信号到达各基元的时间，求得斜距，据此可计算水面船相号到达各基元的时间，求得斜距，据此可计算水面船相对于信标（或应答器）的位置。对于信标（或应答器）的位置。44/7/2023典型的典型的SBL系统的工作原理系统的工作原理使用非同步信标的短基线系
6、统使用非同步信标的短基线系统使用非同步信标的短基线系统使用非同步信标的短基线系统 使用应答器的短基线水声定位系统使用应答器的短基线水声定位系统使用应答器的短基线水声定位系统使用应答器的短基线水声定位系统54/7/2023oo问题：问题：问题：问题：n有无其它的信号形式？有无其它的信号形式？n有无其它的测时方法？效果如何？有无其它的测时方法？效果如何？oo测时方法：测时方法：测时方法：测时方法：n采用常规脉冲包络检波和相对到达时间测量方法。采用常规脉冲包络检波和相对到达时间测量方法。oo定位精度：定位精度：定位精度：定位精度：n一般在长基线和超短基线系统之间。一般在长基线和超短基线系统之间。oo
7、特点及存在的问题：特点及存在的问题：特点及存在的问题：特点及存在的问题：n水听器需要安装在载体的不同位置，有些水听器有时不水听器需要安装在载体的不同位置，有些水听器有时不可避免地会处于噪声较大的位置，从而影响定位效果。可避免地会处于噪声较大的位置，从而影响定位效果。64/7/20232.2 使用非同步信标的短基线系统使用非同步信标的短基线系统oo分析：分析：分析：分析：n用信标定位的目的：要知道船或目标（应答器）用信标定位的目的：要知道船或目标（应答器）的大地位置，首先需要知道船与信标的相对位的大地位置，首先需要知道船与信标的相对位置。置。n定位条件：船上只需定位条件：船上只需3只接收器只接收
8、器n设要求解的船的坐标是：设要求解的船的坐标是：x、y、z，信号的信号的为为x，已知，已知信标深度为信标深度为Z、两、两换换能器的能器的间间距分距分别别为为D1、D2，测测得两两水听器接收信号的得两两水听器接收信号的时时延延差。差。n可用通可用通过过几何关系可列出它几何关系可列出它们们之之间间的关系方程。的关系方程。74/7/20232.2 使用非同步信标的短基线系统使用非同步信标的短基线系统oo定位解算的思路：定位解算的思路：定位解算的思路：定位解算的思路：n通通过测过测量两两水听器接收信号的量两两水听器接收信号的时间时间差，确定信差，确定信标标相相对对水面船的距离。水面船的距离。o由于使用
9、的是非同步信由于使用的是非同步信标标，只能利用，只能利用时间时间时间时间差差差差进进行行测测向，向，在在进进行定位。行定位。n利用几何关系建立利用几何关系建立定位方程定位方程定位方程定位方程。n解方程，确定水面船的相解方程，确定水面船的相对对信信标标的位置。的位置。n根据信根据信标标的的绝对绝对位置，确定水面船的位置坐位置，确定水面船的位置坐标标。84/7/2023xR1dRX简化假设：简化假设：简化假设：简化假设：考虑船与信标的考虑船与信标的考虑船与信标的考虑船与信标的距离较远，船在信距离较远，船在信距离较远，船在信距离较远，船在信标的上方。因此，标的上方。因此，标的上方。因此，标的上方。因
10、此，3 3个入射角个入射角个入射角个入射角较小，较小，较小，较小，且近似相等，用且近似相等，用且近似相等，用且近似相等，用x代替。代替。代替。代替。x为沿为沿x轴的轴的两个水听器的两个水听器的信号入射角信号入射角 A EDB C定位解算方法定位解算方法定位解算方法定位解算方法94/7/2023 记记记记 ,因此有因此有因此有因此有 而而而而 当船在信标上方附近时，当船在信标上方附近时，X X很小，有很小，有 。因此有。因此有 类似地，计算出信标在类似地，计算出信标在类似地，计算出信标在类似地，计算出信标在y y轴的位移，得到轴的位移，得到轴的位移，得到轴的位移，得到问题：信问题：信问题：信问题
11、：信标深度如标深度如标深度如标深度如何知道？何知道？何知道？何知道？应答器的应答器的应答器的应答器的位置事先位置事先位置事先位置事先是如何确是如何确是如何确是如何确定的？定的？定的？定的？104/7/20232.3 使用应答器的短基线水声定位系统使用应答器的短基线水声定位系统oo使用应答器的优点使用应答器的优点使用应答器的优点使用应答器的优点n只有问答机发出询问信号时，应答器才回答。无询问只有问答机发出询问信号时，应答器才回答。无询问信号时，它保持安静，使电池寿命得以延长；信号时，它保持安静，使电池寿命得以延长；n可利用绝对往返时间求解，不需要简化假设。使用非可利用绝对往返时间求解，不需要简化
12、假设。使用非同步信标方式，只能利用时差，不得不作假设；同步信标方式，只能利用时差，不得不作假设；n可以编程询问，按需要调整数据速率。在多个应答器可以编程询问，按需要调整数据速率。在多个应答器的情况下，可在时间上调整询问，避免回答重叠；的情况下，可在时间上调整询问，避免回答重叠；n因询问时刻已知，可用时间窗接收，从而降低虚警并因询问时刻已知，可用时间窗接收，从而降低虚警并减小多途回波的干扰；减小多途回波的干扰；n在两个问答机和两个应答器的情况，有可能根据几何在两个问答机和两个应答器的情况，有可能根据几何关系确定最佳可视范围。关系确定最佳可视范围。114/7/20232.3 使用应答器的短基线水声
13、定位系统使用应答器的短基线水声定位系统oo使用应答器使用应答器使用应答器使用应答器的短基线水的短基线水的短基线水的短基线水声定位系统声定位系统声定位系统声定位系统（船上除有（船上除有（船上除有（船上除有水听器阵外，水听器阵外，水听器阵外，水听器阵外，还有问答机）还有问答机）还有问答机）还有问答机）124/7/2023定位解算方法定位解算方法 oo设应答器的坐标为，设应答器的坐标为，设应答器的坐标为，设应答器的坐标为，oo有有有有4 4个水听器位于边长个水听器位于边长个水听器位于边长个水听器位于边长为为为为2 2a a，2 2b b的矩形顶的矩形顶的矩形顶的矩形顶点点点点oo有有有有XX、y y
14、、z z三个未知三个未知三个未知三个未知数，数，数，数，3 3个水听器可有个水听器可有个水听器可有个水听器可有3 3个斜距，列个斜距，列个斜距，列个斜距，列3 3个方程个方程个方程个方程oo有一个冗余的水听器，有一个冗余的水听器，有一个冗余的水听器，有一个冗余的水听器，有何意义？有何意义？有何意义？有何意义？134/7/2023xy（x x，y y，z z）应答器应答器PR1R2H1H2H3H4R3R4T定位解算方程定位解算方程 oo设设设设应答器的坐标为应答器的坐标为应答器的坐标为应答器的坐标为 T（x，y，z）oo不考虑声线弯曲时，不考虑声线弯曲时，不考虑声线弯曲时，不考虑声线弯曲时，由几
15、何关系可以得到由几何关系可以得到由几何关系可以得到由几何关系可以得到定位方程定位方程定位方程定位方程(a,-b)(-a,-b)(a,b)(-a,b)144/7/2023oo因此有因此有因此有因此有oo消去消去消去消去z z，得到，得到，得到，得到oo代回原方程有代回原方程有代回原方程有代回原方程有oo深度的均值深度的均值深度的均值深度的均值4 4 4 4个值的平均个值的平均个值的平均个值的平均154/7/2023oo若只收到若只收到若只收到若只收到3 3个信号，例如个信号，例如个信号，例如个信号，例如1 1，2 2，3 3号收到信号号收到信号号收到信号号收到信号oo深度的均值深度的均值深度的均
16、值深度的均值 oo问题：各个问题：各个问题：各个问题：各个RR值如何确定？值如何确定？值如何确定？值如何确定？n在船中心只有一个发射器（不是问答器）时，应在船中心只有一个发射器（不是问答器）时，应答器到各水听器的距离可用各信号的往返距离的答器到各水听器的距离可用各信号的往返距离的1/2代替。代替。n若采用若采用问答机问答机问答机问答机，则容易通过它得到船中心（发射，则容易通过它得到船中心（发射器位置）与应答器的距离，从而得到应答器到各器位置）与应答器的距离，从而得到应答器到各水听器的距离。水听器的距离。164/7/2023xy（x x，y y，z z）应答器应答器PR1R2H1H2H3H4R3
17、R4T各个各个R值如何确定？值如何确定？oo设设设设HH4 4为问答器，则为问答器，则为问答器，则为问答器，则HH4 4发射并接收，回波时发射并接收，回波时发射并接收，回波时发射并接收，回波时间为间为间为间为T T0 0，因此，因此，因此，因此，oo而而而而HH1 1收到回波的时间收到回波的时间收到回波的时间收到回波的时间为为为为t t1 1，行程为，行程为，行程为，行程为，oo所以所以所以所以oo任意一个任意一个任意一个任意一个RR1 1RR4 4174/7/20232.4 位置修正（姿态修正）位置修正（姿态修正）oo为何要进行位置修正？为何要进行位置修正？为何要进行位置修正？为何要进行位置
18、修正？n船有纵摇（船有纵摇（pitch在船的在船的XZ平面内）、横摇平面内）、横摇（roll在在YZ平面内）平面内）n测量是以基阵坐标系进行的测量是以基阵坐标系进行的 oo修正的方法修正的方法修正的方法修正的方法n进行坐标变换进行坐标变换n什么是坐标变换什么是坐标变换o将测量坐标系（如基阵坐标系）下将测量坐标系（如基阵坐标系）下测量的目标位置或者说目标的坐标（视测量的目标位置或者说目标的坐标（视在坐标）转换到另一个坐标系（如船坐标系、大地坐标系），即求在坐标）转换到另一个坐标系（如船坐标系、大地坐标系），即求出目标在新的坐标系下的坐标。出目标在新的坐标系下的坐标。n将基阵坐标系下的目标位置转换
19、为大地坐标系下的坐标将基阵坐标系下的目标位置转换为大地坐标系下的坐标需要：基阵坐标系需要：基阵坐标系船坐标系（经摇摆修正后）船坐标系（经摇摆修正后）大地大地坐标系。坐标系。XYZXYZXYZ184/7/20232.4 位置修正（姿态修正）位置修正（姿态修正）oo为何要进行位置修正？为何要进行位置修正？为何要进行位置修正？为何要进行位置修正？n船有纵摇（船有纵摇（pitch在船的在船的XZ平面内）、横摇平面内）、横摇（roll在在YZ平面内）平面内）n测量是以基阵坐标系进行的测量是以基阵坐标系进行的 oo修正的方法修正的方法修正的方法修正的方法n水听器、基阵坐标系与船坐标系是一致运动的水听器、基
20、阵坐标系与船坐标系是一致运动的o阵坐标系与船坐标系原点重合阵坐标系与船坐标系原点重合o只要作坐标旋转变换只要作坐标旋转变换n水听器、基阵的坐标轴是平行的水听器、基阵的坐标轴是平行的o阵坐标系与船坐标系阵坐标系与船坐标系XY平面平行平面平行o只要作坐标平移变换只要作坐标平移变换n水听器、基阵坐标系与船坐标系是任意情况水听器、基阵坐标系与船坐标系是任意情况 o先坐标平移，再旋转，或先旋转再平移先坐标平移，再旋转，或先旋转再平移XYZXYZXYZXYZ194/7/2023短基短基线系线系统有统有横摇横摇和纵和纵摇的摇的情况情况 基阵坐标系的测量结果基阵坐标系的测量结果基阵坐标系的测量结果基阵坐标系的
21、测量结果船船船船坐标系下坐标，并进行摇摆坐标系下坐标，并进行摇摆坐标系下坐标，并进行摇摆坐标系下坐标，并进行摇摆修正（补偿）。修正（补偿）。修正（补偿）。修正（补偿）。204/7/20232.4 位置修正位置修正oo修正算法的推导修正算法的推导修正算法的推导修正算法的推导oo方法一：方法一：方法一：方法一：n1)假定基阵坐标系与船坐标系的坐标轴是平行的，假定基阵坐标系与船坐标系的坐标轴是平行的，只是两个坐标系的中心点不同。只是两个坐标系的中心点不同。n2)先考虑二维的情况。先考虑二维的情况。n3）第一步进行坐标平移。）第一步进行坐标平移。n4）第二步进行坐标旋转。）第二步进行坐标旋转。设基阵一
22、个平面的坐标系为设基阵一个平面的坐标系为，测得的海底应答器在此坐标系的，测得的海底应答器在此坐标系的视在坐标为视在坐标为 。船的坐标系。船的坐标系为为 （已转动过的），应答（已转动过的），应答器在此坐标系中的坐标为器在此坐标系中的坐标为 。两个坐标系的偏移量为两个坐标系的偏移量为 。214/7/2023应答器应答器T应答器NQMPZa基阵坐标系下测得应基阵坐标系下测得应答器的位置为答器的位置为船坐标系，应答船坐标系，应答器的位置为器的位置为两个坐标系两个坐标系的偏移量为的偏移量为 旋转到旋转到XVOZV坐标系坐标系Xa基阵坐标系船坐标系XVYV224/7/2023写成矩阵形式有写成矩阵形式有n
23、5)把把y轴的横滚角加上，就可得到轴的横滚角加上，就可得到矩阵表示先平移到船坐标系，然后以矩阵表示先平移到船坐标系，然后以X轴为轴旋转，轴为轴旋转，得到的结果再以得到的结果再以Y轴为轴旋转，便可得到对纵横摇的轴为轴旋转，便可得到对纵横摇的修正结果修正结果。234/7/20232.5 短基线系统的应用实例短基线系统的应用实例船船舷悬挂式轨迹短基线测量系统舷悬挂式轨迹短基线测量系统oo关心的问题关心的问题关心的问题关心的问题n应用背景应用背景o要测量、定位的目标是什么？要测量、定位的目标是什么？o系统的作用距离、定位精度要求是什么？系统的作用距离、定位精度要求是什么？o确定采用确定采用SBL、SS
24、BL、LBL那种定位系统。那种定位系统。n基线的阵形？需要几个水听器（基元）？基线的阵形？需要几个水听器（基元）？n定位解算方程定位解算方程n定位精度定位精度o误差有多大？与什么参数有关？误差有多大？与什么参数有关？o目的：寻求提高定位精度的方法。目的：寻求提高定位精度的方法。244/7/20232.5 短基线系统的应用实例短基线系统的应用实例船船舷悬挂式轨迹短基线测量系统舷悬挂式轨迹短基线测量系统oo关心的问题关心的问题关心的问题关心的问题n应用背景应用背景n基线的阵形？需要几个水听器（基元）？基线的阵形？需要几个水听器（基元）？n定位解算方程定位解算方程n定位精度定位精度n实际使用中还有哪
25、些问题？如何解决？实际使用中还有哪些问题？如何解决？o基阵的安装，安装误差如何修正？基阵的安装，安装误差如何修正？o基线发生摇摆如何修正？基线发生摇摆如何修正？o是否会发生距离模糊问题，如何避免？是否会发生距离模糊问题，如何避免？o多途效应（如水面的镜面反射）会否影响定位解算？如何多途效应（如水面的镜面反射）会否影响定位解算？如何避免？避免？254/7/20232.5 短基线系统的应用实例短基线系统的应用实例船船舷悬挂式轨迹短基线测量系统舷悬挂式轨迹短基线测量系统oo1 1、引言、引言、引言、引言n背景背景o海上试验海上试验n目标的航速、姿态、控制特性、航行深度等目标的航速、姿态、控制特性、航
26、行深度等o高速运动目标自带内记设备高速运动目标自带内记设备o短基线系统的使用目的短基线系统的使用目的n客观评价运动目标航行情况客观评价运动目标航行情况n运动目标自身的控制等性能运动目标自身的控制等性能n运动目标的回收运动目标的回收水下高速运动体三维水下高速运动体三维水下高速运动体三维水下高速运动体三维轨迹轨迹轨迹轨迹短基线测量系统短基线测量系统短基线测量系统短基线测量系统同步信标可承重多芯电缆 水下部分有换能器阵和水下电子舱，舱内含有前置放大器、姿态测量装置。264/7/2023oo2 2、定位方程、定位方程、定位方程、定位方程n定位方程定位方程o基阵坐标系基阵坐标系n设参考点：基阵中心设参考
27、点：基阵中心o共有共有6个接收基元个接收基元n其其相相对对位位置置坐坐标标为为（xi，yi，zi），i=1,2,6。o目标的相对位置坐标为目标的相对位置坐标为（X,Y,Z）o则定位方程为则定位方程为274/7/2023目标的位置目标的位置oo三个独立的定位方程三个独立的定位方程三个独立的定位方程三个独立的定位方程的解的解的解的解oo或者说三个球面的交或者说三个球面的交或者说三个球面的交或者说三个球面的交汇点汇点汇点汇点284/7/2023n定位方程的线性化定位方程的线性化o方程中取方程中取4个进行线性化，个进行线性化，o两个式子相减，并设两个式子相减，并设 可得可得o取取3个方程构成平面交汇方
28、程组，解方程即可确定个方程构成平面交汇方程组，解方程即可确定目标的相对坐标目标的相对坐标。294/7/2023n定位方程的线性化定位方程的线性化n将定位方程组写成将定位方程组写成 矩阵形式矩阵形式o令令304/7/2023n将定位方程组写成将定位方程组写成 矩阵形式矩阵形式o令令o记记o则写为矩阵形式则写为矩阵形式 Ax=co当当A非奇异时可得到解非奇异时可得到解 314/7/2023n应当注意：应当注意：o当所选基元在同一平面上时，当所选基元在同一平面上时，A-1不存在，因而无不存在，因而无解。为了保证任意解。为了保证任意4个阵元都不在同一平面内，各个阵元都不在同一平面内，各阵元的阵元的“杆
29、长杆长”不同。（即保证构成的方程组所不同。（即保证构成的方程组所代表的平面两两不在一个平面）代表的平面两两不在一个平面）o若所选基元在某一平面附近，定位误差较大。若所选基元在某一平面附近，定位误差较大。o若若4个基元处于立方体构成的直角坐标系的原点和个基元处于立方体构成的直角坐标系的原点和3轴上时，平面交会的效果最好，原因是轴上时，平面交会的效果最好，原因是3个平面个平面互相正交。互相正交。324/7/2023oo3 3、误差源分析（定位误差）、误差源分析（定位误差）、误差源分析（定位误差）、误差源分析（定位误差）n引入定位误差的因素：引入定位误差的因素：o测距误差（由测时误差引起）测距误差（
30、由测时误差引起）o基阵姿态测量误差基阵姿态测量误差o基阵尺寸误差（基阵阵元位置测量误差）基阵尺寸误差（基阵阵元位置测量误差）o声速误差声速误差o交会误差交会误差n由于基阵尺度较小，在远距离定位时，将引入交会误差由于基阵尺度较小，在远距离定位时，将引入交会误差 n误差分析的方法：误差分析的方法：o对定位解算的球面方程求全微分。对定位解算的球面方程求全微分。334/7/2023o误差方程为误差方程为o其中，其中，dc为声速误差，为声速误差，dti为测时误差，它由时为测时误差，它由时钟误差、脉冲前沿测量误差（与信号钟误差、脉冲前沿测量误差（与信号/噪声比有噪声比有关）造成，关）造成，dxi、dyi、
31、dzi为基元位置误差，可为基元位置误差，可通过预先校准减小基元位置误差。通过预先校准减小基元位置误差。344/7/2023n交会误差的分析交会误差的分析o分析思路：分析思路：n以一个特定的阵形为例进行误差分析以一个特定的阵形为例进行误差分析设阵元位置坐标为设阵元位置坐标为A(0,0,0)A(0,0,0)，B(L,0,0)B(L,0,0)，C(0,L,0)C(0,L,0)，D(0,0,L)D(0,0,L)n解算位置坐标（解算位置坐标（求定位方程的解）求定位方程的解）n求全微分进行误差分析求全微分进行误差分析354/7/2023n交会误差的分析交会误差的分析o求定位方程的解求定位方程的解n线性方程
32、组中的向量和矩阵分别简化为线性方程组中的向量和矩阵分别简化为 rDrBrC364/7/2023o目标目标T的位置坐标的位置坐标 o可解出信标的位置分量（如可解出信标的位置分量（如X分量）分量）o基元位置无误差时，目标位置误差分量为基元位置无误差时，目标位置误差分量为3部分的总误差应为均方根误差各误差的平方和开根部分的总误差应为均方根误差各误差的平方和开根XcXt374/7/2023rArBo声速误差引起的定位交会误差声速误差引起的定位交会误差考虑考虑 并且记并且记则有则有384/7/2023o声速误差引起的定位交会误差声速误差引起的定位交会误差o测时误差引起的定位误差测时误差引起的定位误差 设
33、测时误差相等记为设测时误差相等记为 ，且在远距离上有，且在远距离上有394/7/2023oo例：设距离为例：设距离为例：设距离为例：设距离为r=200m=200m，c=1500m/s=1500m/s，c c=0.5%=0.5%c=7.5m/s=7.5m/s，因此，由声速误差引起的交会，因此，由声速误差引起的交会，因此，由声速误差引起的交会，因此，由声速误差引起的交会误差为误差为误差为误差为 在阵元间距在阵元间距在阵元间距在阵元间距L1.5m1.5m时，由测时误差引起的交会误差为时，由测时误差引起的交会误差为时，由测时误差引起的交会误差为时，由测时误差引起的交会误差为 在使用在使用在使用在使用C
34、WCW脉冲时，若测时误差约为脉冲时，若测时误差约为脉冲时，若测时误差约为脉冲时，若测时误差约为0.1ms0.1ms，因此可，因此可，因此可，因此可算得算得算得算得=28.3m=28.3m。o减小由测时误差造成的定位交会误差的方法：加大基阵减小由测时误差造成的定位交会误差的方法：加大基阵长度，并尽可能减小测时误差（信号形式、算法）。长度，并尽可能减小测时误差（信号形式、算法）。404/7/2023oo定位误差小结：定位误差小结：定位误差小结：定位误差小结：n引入定位误差的因素引入定位误差的因素o测距误差（由测时误差引起）测距误差（由测时误差引起）o基阵姿态测量误差基阵姿态测量误差o基阵尺寸误差基
35、阵尺寸误差o声速误差声速误差o交会误差交会误差n结论：结论：o在远距离将引起交会误差在远距离将引起交会误差o测时误差引起的交会误差最大测时误差引起的交会误差最大o加大基阵尺寸有助于减小交会误差加大基阵尺寸有助于减小交会误差414/7/2023oo4 4、基阵校准与水下姿态修正、基阵校准与水下姿态修正、基阵校准与水下姿态修正、基阵校准与水下姿态修正n基阵位置校准基阵位置校准o方方法法：多多次次测测量量（可可直直接接测测量量）基基阵阵两两两两之之间间的的距距离离，列列写写方方程程组组，方方程程组组数数目目应应为为未未知知数数个个数数（阵阵元元位位置置坐坐标标），可可依依据据实实际际情情况况减减少少
36、未未知知数数的的个个数数保保证证方方程程个个数数大大于于未未知知数个数。数个数。o设设各各基基元元在在基基线线坐坐标标系系中中的的位位置置为为 ，它它们们之之间间的的距离为距离为rij，有，有o其其中中N为为阵阵元元数数。共共有有 个个距距离离，可可列列出出M个个方方程程。每每一一基基元元有有3个个未未知知数数，总总未未知知数数个个数数为为3N。方方程程数大于未知数个数时，方程可解，即数大于未知数个数时，方程可解，即 o 解得解得N77o有有时时可可测测距距离离往往往往小小于于M，为为使使方方程程可可解解，必必须须减减少少未未知知数。数。424/7/2023oo4 4、基阵校准与水下姿态修正、
37、基阵校准与水下姿态修正、基阵校准与水下姿态修正、基阵校准与水下姿态修正n基阵位置校准基阵位置校准o减少未知数的办法减少未知数的办法n基基阵阵的的特特殊殊结结构构，Zi是是已已知知的的，因因而而N个个阵阵元元减减少少了了N个个未知数。未知数。n再再选选y轴轴，使使其其通通过过对对角角两两基基元元在在xoy平平面面投投影影点点的的连连线线。此时，该两基元的此时，该两基元的x坐标为坐标为0，又减少，又减少2个未知数。个未知数。n结果：总未知数个数减为结果：总未知数个数减为2N-2 434/7/2023oo4 4、基阵校准与水下姿态修正、基阵校准与水下姿态修正、基阵校准与水下姿态修正、基阵校准与水下姿
38、态修正n基阵位置校准基阵位置校准n基阵水下姿态的修正基阵水下姿态的修正 o水水下下基基阵阵用用可可承承重重电电缆缆悬悬挂挂到到一一定定深深度度。受受海海洋洋环环境境和和母母船船摇摇摆摆的的影影响响，水水下下姿姿态态并并不不固固定定。必必须须对对姿姿态态进进行行修修正正，将将测测得得的的相相对对于于基基阵阵坐坐标标系系的的目目标标轨轨迹迹转转换换到到大大地坐标上。地坐标上。实际上也是坐标变换的问题。实际上也是坐标变换的问题。n基阵坐标系与北向坐标系的转换基阵坐标系与北向坐标系的转换o设目标在大地坐标系和基阵坐标系中的位置为设目标在大地坐标系和基阵坐标系中的位置为ox=(x y z)T 和和 xa
39、=(xa ya za)To进行坐标变换进行坐标变换绕绕Y轴转角轴转角绕绕X轴转角轴转角绕绕Z轴转角轴转角444/7/2023oo5 5、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理 n距离模糊问题距离模糊问题o产生的原因产生的原因n当当回回波波时时间间大大于于发发射射周周期期时时，或或作作用用距距离离大大于于cT时时，便便会会出现距离模糊。出现距离模糊。T454/7/2023oo5 5、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理 n距离模糊问题距离模糊问题o解决的方法解决的方法
40、n增大信标发射信号的周期增大信标发射信号的周期n利用轨迹的连续性进行事后处理利用轨迹的连续性进行事后处理n在不同信号发射周期的发射信号上设置发射标记。例如采用两个频在不同信号发射周期的发射信号上设置发射标记。例如采用两个频率的信号交递发射，或在奇数周期发射两个脉冲。率的信号交递发射，或在奇数周期发射两个脉冲。n利用目标上另一周期较大的信号进行测距、判别。此时需在定位系利用目标上另一周期较大的信号进行测距、判别。此时需在定位系统中增加一个接收通道，接收这个信号。统中增加一个接收通道，接收这个信号。464/7/2023oo5 5、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数
41、据预处理、距离模糊问题和数据预处理 n数据预处理数据预处理o预处理的目的：是为了避免不必要的干扰，保证进入解算预处理的目的：是为了避免不必要的干扰，保证进入解算的是有效直达声脉冲。的是有效直达声脉冲。o方法：滤波、加距离门、方法：滤波、加距离门、474/7/2023oo5 5、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理 n数据预处理数据预处理o水面反射的处理水面反射的处理1）问题的提出：）问题的提出：2）产生镜反射的条件：）产生镜反射的条件：第一条件：第一条件：第一条件：第一条件：第二条件：第二条件：第二条件：第二条件：反射声反射声4
42、84/7/2023oo5 5、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理、距离模糊问题和数据预处理 n数据预处理数据预处理o水面反射的处理水面反射的处理1）问题的提出：）问题的提出：2）产生镜反射的条件：）产生镜反射的条件：3）产生镜反射的条件公式推导：）产生镜反射的条件公式推导：思路：几何关系两个条件思路：几何关系两个条件第一条件：第一条件：第一条件：第一条件：第二条件：第二条件：第二条件：第二条件：494/7/2023利用第一个条件得到利用第一个条件得到利用第一个条件得到利用第一个条件得到不等式不等式不等式不等式利用第二个条件得利用第二个条件得利用第二个条件得利用第二个条件得到不等式到不等式到不等式到不等式3 3）解决的方法：）解决的方法：）解决的方法：）解决的方法：找出会发生反射声先于找出会发生反射声先于找出会发生反射声先于找出会发生反射声先于直达声到达的情况直达声到达的情况直达声到达的情况直达声到达的情况 。利用。利用。利用。利用不等式作为判别条件设置不等式作为判别条件设置不等式作为判别条件设置不等式作为判别条件设置基阵深度基阵深度基阵深度基阵深度 ，避免水面反射，避免水面反射，避免水面反射，避免水面反射的影响。的影响。的影响。的影响。50