超短基線水聲定位系統(tǒng).ppt

2020 2 11 1 水下定位與導航技術 第三章超短基線水聲定位系統(tǒng) 2 3 1引言 組成結構 發(fā)射換能器和幾個水聽器可以組成一個直徑只有幾厘米 幾十厘米的水聽器基陣 稱為聲頭 聲頭可以安裝在船體的底部 也可以懸掛于小型水面船的一側 超短基線系統(tǒng)定位解算方式非同步信標方式應答器方式響應器方式帶有深度的應答器 響應器方式 3 超短基線系統(tǒng)的幾種定位解算方式 測量聲線入射角 a 信標方式 距離和角度 b 應答器方式 單程距離和角度 c 響應器方式 d 有深度的應答器 響應器方式 一類是根據聲線入射角和已知深度進行位置解算另一類則是根據測量的距離和聲線入射角進行定位解算 已知 將測得的斜距 入射角與深度組合 從而提高定位精度 4 3 2入射角和深度方式 非同步信標信標方式 位置解算 結構及定位解算圖 3個水聽器擺成L型 位置解算 信標位置 Xa Ta Za 3個水聽器按L型布置 間距為d d 5 3 2入射角和深度方式 非同步信標信標方式 位置解算 R與信標的坐標Xa Ya及深度的關系為 而 從而解得 mx my是通過相位差測量而得到的 6 3 2入射角和深度方式 非同步信標信標方式 位置解算 因此有 兩個水聽器接收信號的相位差 與信號入射角 m的關系為 由于基陣尺寸甚小 可認為是遠場接收的情況 即入射到所有基元的聲線平行 7 3 2入射角和深度方式 非同步信標信標方式 位置解算 算法小結 先測得兩換能器接收信號的相位差 然后利用公式解算信標在船坐標系下的位置坐標 8 3 2入射角和深度方式 非同步信標信標方式 位置解算 r 在某些場合 要求目標的坐標 要以水平距離和水平面內的目標方位角給出 在水平面內以極坐標形式給出 9 3 3入射角與距離算法 應答器或響應器方式 目標斜距若使用應答器代替信標通過相位測量得到角度 直接求出位置坐標應答器深度 若使用響應器 10 3 4超短基線定位系統(tǒng)定位誤差分析 一般 誤差以水平位置誤差與斜距之比度量 相對誤差 誤差分析的目的 分析應答器在基陣坐標系下的位置解算誤差 即求 Xa Ya Za分別為多少 分析方法 11 3 4超短基線定位系統(tǒng)定位誤差分析 Xa Ya Za的求解公式以X的定位誤差為例 對Xa求全微分有 12 3 4超短基線定位系統(tǒng)定位誤差分析 位置測量的相對誤差表示式位置相對定位精度斜距R和 的相對誤差 由和有代入上式可得以水平位置精度與斜距之比來衡量定位精度時有斜距相對定位精度 13 3 4超短基線定位系統(tǒng)定位誤差分析 在各項誤差認為互相獨立的情況下 相對于斜距的位置均方誤差記為 即類似地 可得到結論 信標或應答器在基陣的下方時 定位誤差主要來源于相位測量誤差 14 3 4超短基線定位系統(tǒng)定位誤差分析 分析 第一項 聲速引起的誤差第二項 測時誤差引起的誤差第三項 陣元間距不準引起的誤差第四項 相位測量誤差引起的誤差 與角度 mx my有關 當接近90 即信標或應答器在基陣的下方 時 相位差很小 前3項影響很小 相位測量誤差起主要作用 隨 mx my減小 前3項影響加大當信標或應答器在靠近基陣所在平面 即角度很小 時 因有反射聲影響 精度也難保證 結論 超短基線系統(tǒng)只在基陣下方一個有限的錐體內定位精度較高改進措施 加大基陣尺寸 采用寬帶信號 0 15 3 4超短基線定位系統(tǒng)定位誤差分析 誤差與 m的變化關系注意 衡量相對定位誤差時 兩個相對誤差公式計算的量值隨 m的減小的趨勢是不同的 在只考慮相位差測量誤差時例 f0 20kHz d 0 04m c 1500m s h 4000m 1 表3 1在不同 m下 相位差測量相對誤差 16 3 4超短基線定位系統(tǒng)定位誤差分析 誤差與 m的變化關系 跳象限 問題 跳象限 的現象 隨 m的減小 定位精度難以保證存在水面反射 使直達聲和反射聲相加之后總和信號的相位發(fā)生變化 結果 使得計算的不正確 例如 信標本應在第I象限 而計算結果可能是X Y均為負值 誤為第IV象限 結果 使載體相對于信標的位置軌跡不連續(xù) 這就是所謂的 跳象限 現象 跳象限 的情況主要由水面反射引起 可通過信號處理的方法解決 以前采用單頻信號時 對信號處理的手段未進行較深入地研究 存在此種問題 現在采用寬帶信號 信號處理的手段也較高 跳象限 的問題可以解決 17 3 5改善超短基線定位系統(tǒng)定位精度的措施 分析不考慮聲速和陣元間距誤差的情況下定位誤差與陣元間距d成反比 d大則誤差減小 與測距精度和測相精度成正比 測距精度和測相精度高則誤差小 增加d的限制當d 2 陣元間最大相位差將會落在區(qū)間 之外 結果造成相位差測量模糊 致使位置解算發(fā)生錯誤 因此 d必須 2 18 3 5改善超短基線定位系統(tǒng)定位精度的措施 測時誤差為改善測時誤差可增加接收機輸出信號 噪聲比和帶寬當采用CW脈沖時 信號帶寬與脈沖寬度成反比 即 而匹配濾波器輸出信 噪比為因此有測相誤差為改善角度測量精度的方法是提高信 噪比 19 3 5改善超短基線定位系統(tǒng)定位精度的措施 增大基元間距改善定位精度1 2 或3 4 號和5 6 或7 8 號陣元測得的相位差為利用1 4號和5 8號陣元測得的相位差應為目標位置坐標為由 位置測量誤差減小到原來的d D 1 N倍 即方位測量精度提高N倍 20 3 5改善超短基線定位系統(tǒng)定位精度的措施 增大基元間距改善定位精度由D Nd 8d Xa位置測量誤差減小到原來的d D 1 N倍 即方位測量精度提高N倍若原陣元間距為d 2 則因此 要用小間距的兩個基元輔助判斷 兩個大尺度基元的相位差 21 3 5改善超短基線定位系統(tǒng)定位精度的措施 采用寬帶信號提高定位精度需要考慮的問題采用寬帶信號 不能用測相的方法 必須采用測時的方法 測量兩個基元回波信號的時延差 測時誤差與采樣間隔有關 當采樣間隔被硬件的能力限制時 需要采用插值法 來提高測時精度 22 3 5改善超短基線定位系統(tǒng)定位精度的措施 采用寬帶信號提高定位精度兩陣元信號的時間差為則位置坐標為測量時延的方法 相關法 前沿法 精度不高 23 3 5改善超短基線定位系統(tǒng)定位精度的措施 采用寬帶信號提高定位精度假設接收信號的時延為t0 則輸入信號為參考信號為其中 B T稱為調頻斜率 B為信號帶寬 拷貝相關器的輸出為 24 3 5改善超短基線定位系統(tǒng)定位精度的措施 采用寬帶信號提高定位精度接收的時延值t0 為最大值出現的時刻 相對定位誤差 在只考慮時延測量對定位精度的影響時 相對定位誤差為時延估計的精度 取決于采樣頻率fs 采樣間隔 令時延測量誤差等于采樣周期的一半 即 采樣間隔應滿足 25 采用寬帶信號提高定位精度提高測時精度的方法 插值估計相關峰的出現時刻設擬合波形函數為令則解得 26 Ar Br代入r3整理后得因為 Ts為采樣周期 故上式可寫為整理得由此估計出相關器輸出信號的頻率 27 最大值時有 而因此 又知 故可得出k的取值范圍為通過以上諸式 可估計出相關峰的出現時刻 28 小結t0的估計方法 設擬合曲線求k k為非負的整數 29 3 6超短基線定位系統(tǒng)相位差測量方法 自適應陷波濾波器 Notch濾波器 自適應陷波濾波器是具有一對正交權值的自適應濾波器 參考信號為采用LMS算法的權值迭代公式為誤差序列為 30 3 6超短基線定位系統(tǒng)相位差測量方法 利用Notch濾波器測量信號的相位比較x k 與y k 可得因此有自適應陷波器的帶寬為 31 3 6超短基線定位系統(tǒng)相位差測量方法 自適應相位差估計器算法構成兩個信號的初相位 利用前面的結論 32 3 6超短基線定位系統(tǒng)相位差測量方法 自適應相位差估計器兩個信號的相位差相位差的均值利用一階遞歸濾波器對各個權值進行平均或直接對各權值進行平均相位差的均值 33 3 7超短基線定位系統(tǒng)的標校 基元相位差校準進行標校的目的 解決系統(tǒng)誤差針對系統(tǒng)誤差進行校準校準的方法轉動基陣使利用相位差估計器測得的其中兩個基元相位差為0 此相位差為理論入射相位差減系統(tǒng)相位差 同時記錄垂直的另外兩基元的接收相位差 再次轉動基陣約180 垂直 再次使兩個基元相位差為0 同時記錄垂直的另外兩基元的接收相位差 利用公式求解出系統(tǒng)的相位差 定位時 在時間測量 計算信號入射角時 扣除這一附加相位差 34 3 7超短基線定位系統(tǒng)的標校 基元相位差校準1 無高精度的機械轉動系統(tǒng)時設理論相位差值為 21 0 和 23 0 由電路和水聽器造成的相對相位誤差為 21 e 和 23 e 利用相位差估計器測得的兩個相位差為 21 21 0 21 e 23 23 0 23 e 調整調整基陣角度 使上式為0 即此時測得另兩陣元間的相位差為 35 3 7超短基線定位系統(tǒng)的標校 基元相位差校準1 無高精度的機械轉動系統(tǒng)時將基陣轉動大約180度 再次調整基陣角度使測得的1 2號陣元間的相位差為0 此時兩次坐標軸間的夾角為 于是有 36 3 7超短基線定位系統(tǒng)的標校 基元相位差校準由 1 3 式 可得 由 2 4 式 可得 37 3 7超短基線定位系統(tǒng)的標校 基元相位差校準2 有高精度的機械轉動系統(tǒng)時第一步 直接測量記錄兩兩陣元的相位差第二步 將基陣轉動180度之后再記錄這兩個相位差為 因此可直接得到 38 3 7超短基線定位系統(tǒng)的標校 基元相位差校準3 當測量不滿足遠場條件時基陣未轉動時測量的兩陣元間的相位差為考慮到h di 而 x也很小 經一階近似后有因而理論相位差 近似值 為 陣中心 Ri Rr 39 3 7超短基線定位系統(tǒng)的標校 基元相位差校準3 當測量不滿足遠場條件時將基陣圍繞中心轉動180度之后 再次測得兩陣元的相位差 記為 有與基陣未轉動時同樣的方法 可得 40 3 7超短基線定位系統(tǒng)的標校 基元相位差校準3 當測量不滿足遠場條件時 陣中心 Ri Rd 式 1 式 2 得 式 3 和式 4 代入式 5 得 41 3 7超短基線定位系統(tǒng)的標校 超短基線系統(tǒng)的海上校準進行標校的目的 解決系統(tǒng)誤差標校 針對系統(tǒng)誤差進行校準陣元相位誤差 測量在水池進行陣元間距誤差 制作基陣時保證需要的傳感器垂直參考設備 測量基陣姿態(tài)角 縱 橫搖角 姿態(tài)傳感器 姿態(tài)測量儀 羅徑 測量船的航向角高精度GPS 測量船位PGPS 42 3 7超短基線定位系統(tǒng)的標校 超短基線系統(tǒng)的海上校準海上校準的基本過程圍繞應答器按某一航線航行 用超短基線測量應答器的位置 同時記錄GPS 羅經 姿態(tài)儀的數據進行坐標系的轉換將應答器在基陣坐標系中的位置轉換為大地坐標系的位置每一次測量值與應答器的參考位置進行比較利用高斯 牛頓法解觀測方程應答器的參考位置xRef用長基線的方法確定 為由船坐標系向大地坐標系轉換的方向余弦矩陣 它由船的航向角 橫搖角 和縱傾角 的正 余弦構成 由基陣坐標系向船坐標系轉換的方向余弦矩陣 稱為失配矩陣 它也由3個角度 的正 余弦構成 為用GPS測得的大地坐標船位 天線位置 應答器在基陣坐標系中的位置 43 法國OCEANO公司超短基線系統(tǒng)產品Posidonia 船的路徑和應答器的原始 軌跡 原點 推算的應答器位置 原始數據和補償失配后的數據 原點 推算的應答器位置 44 3 7超短基線定位系統(tǒng)的標校 基元相位差校準針對系統(tǒng)誤差進行校準陣元附加相位誤差 在水池進行陣元間距誤差 制作基陣時保證海上校準 超短基線系統(tǒng)的海上校準坐標系的轉換海上校準的基本過程校準結果 45 3 7超短基線定位系統(tǒng)的標校 基元相位差校準基陣系統(tǒng)測量的應答器位置為xArray Xa Ya Za 應答器的大地坐標為PEarth PGPS BAttxArrayBAtt 3個姿態(tài)角的方向余弦矩陣 若在基陣安裝時船的框架未與基陣框架配準 則須進行額外的旋轉變換BAlign 常數矩陣 由3個角度偏移量決定以應答器地理坐標為觀測值 以 為未知數 利用參數估計法估計參數 46 3 7超短基線定位系統(tǒng)的標校 超短基線系統(tǒng)的海上校準海上校準的基本過程圍繞應答器按某一航線航行 用超短基線測量應答