第4章-長基線水聲定位系統(tǒng)(LBL)

2023/7/81水下定位與導(dǎo)航技術(shù)長基線水聲定位系統(tǒng)2特點(diǎn)：利用海底應(yīng)答器陣來確定載體的位置----相對于海底應(yīng)答器陣的相對坐標(biāo)。

引言組成結(jié)構(gòu)及原理（工作過程）應(yīng)用水下施工海底電纜鋪設(shè)海上石油勘探水下載體定位方面有廣泛的應(yīng)用。還可與GPS一起，完成水下機(jī)器人的高精度絕對定位。長基線、短基線和超短基線系統(tǒng)的區(qū)別基線：是以應(yīng)答器構(gòu)成的，通常應(yīng)答器的應(yīng)答距離為10～20公里基線安裝的位置：海底定位方法：長基線利用海底應(yīng)答器陣來確定載體的位置記錄詢問時刻和各應(yīng)答器應(yīng)答信號到達(dá)時刻位置坐標(biāo)：定位的坐標(biāo)是海底應(yīng)答器陣的相對坐標(biāo)應(yīng)答器的頻率：各個應(yīng)答器的回答頻率不同定位目標(biāo)、使用條件：確知應(yīng)答器陣的絕對地理位置3

引言4引言組成結(jié)構(gòu)及原理浮標(biāo)形式的長基線系統(tǒng)長基線系統(tǒng)的基元也可以是水面無線電浮標(biāo)。此時被定位的目標(biāo)上裝有同步或非同步聲信標(biāo)，諸基元接收的聲信號需調(diào)制為無線電信號發(fā)到一只母船上進(jìn)行處理，從而完成水下目標(biāo)的定位。由于無線電浮標(biāo)在海面上不固定，因此必須利用裝載其上的GPS接收機(jī)定時地測定自身位置，與定位信號一起發(fā)至母船。換插圖？？5引言

本章要解決的問題本章主要研究利用海底應(yīng)答器的長基線水聲定位系統(tǒng)，利用無線電浮標(biāo)的長基線系統(tǒng)基本原理是相同的。長基線系統(tǒng)的幾種應(yīng)用模式(定位解算時，依定位模式的不同獲取水聲傳播距離的方式也有所不同。)海底應(yīng)答器的標(biāo)校（定位系統(tǒng)的陣元為應(yīng)答器，因此應(yīng)答器的位置測量精度對定位精度有直接影響）跟蹤定位算法應(yīng)用實(shí)例介紹。6幾種應(yīng)用模式艦船導(dǎo)航模式長基線有纜潛器（TTS）導(dǎo)航模式（TetherdSubmersible）長基線無纜潛器（FSS）定位模式（FreeSwimmingSubmersible）母船詢問的長基線FSS定位導(dǎo)航模式長基線同步鈡FSS定位導(dǎo)航模式艦船導(dǎo)航模式、有纜潛器導(dǎo)航模式以及無纜潛器導(dǎo)航模式。7幾種應(yīng)用模式艦船導(dǎo)航模式1）定位對象為水面艦船系統(tǒng)組成工作原理可算出船與應(yīng)答器之間的精確距離。通過定位方程解算出船在應(yīng)答器陣中的相對位置坐標(biāo)。應(yīng)答器的回答頻率（多個）統(tǒng)一記成F4艦上問答機(jī)發(fā)出詢問信號，頻率為F3

（通常為一個）問答機(jī)與應(yīng)答器的距離（多個）統(tǒng)一記成R1F43F41F428幾種應(yīng)用模式艦船導(dǎo)航模式2）定位對象為有纜潛器系統(tǒng)組成工作原理設(shè)：詢問時刻為0，船上問答機(jī)接收應(yīng)答信號時刻為t1＝2R1/c

，TTS收到應(yīng)答信號時刻為t2=T1+T2。從應(yīng)答器到TTS的單程傳播時間為依據(jù)同樣的方法可以確定另外2個應(yīng)答器到TTS的單程傳播時間T1、T3T2T1＝t1/2應(yīng)答器與TTS的距離（多個）F3F49幾種應(yīng)用模式艦船導(dǎo)航模式－－簡化模型圖中船上問答機(jī)詢問信號用F3表示（通常只有一個頻率），應(yīng)答器回答信號用F4表示（實(shí)際上有幾個應(yīng)答器就有幾個回答頻率）。

由于被定位目標(biāo)（水面船）到應(yīng)答器的單程傳播時間的求解方法一樣。因此，可以簡化表示。F3F4R1iF3F410

幾種應(yīng)用模式長基線有纜潛器（TTS）導(dǎo)航模式母船上只有接收機(jī)，TTS上裝有問答機(jī)。定位對象為TTS求TTS與T的斜距R2工作過程設(shè)：接收時刻t1、t2單程傳播時間T1、T2則，問答機(jī)t1t2T2T1F3F411

幾種應(yīng)用模式長基線無纜潛器（FreeSwimmingSubmersible

－FSS）定位模式1)母船詢問方式定位對象為FSS（TTS）求T3→R3T5T3T1前后兩頁跳轉(zhuǎn)應(yīng)答器12

幾種應(yīng)用模式1）母船詢問的長基線FSS定位導(dǎo)航模式（母船訊問方式）發(fā)F1、

F3、收F4應(yīng)答器F2、F3、F1F1F2→T5＝t1/2→R5t1△t3F3F4→t2＝T5+△

t3+T3+T1F3F4t2t3T3T1應(yīng)答器F4、F313幾種應(yīng)用模式長基線無纜潛器（FreeSwimmingSubmersible

－FSS）定位模式1)母船詢問方式定位對象為FSS（TTS）求T3→R3接收機(jī)順次收到回波的時間為t1、t2、t3T5T3T1前后兩頁跳轉(zhuǎn)應(yīng)答器14幾種應(yīng)用模式長基線無纜潛器（FreeSwimmingSubmersible

－FSS）定位模式

2）長基線同步鈡FSS定位導(dǎo)航（FFS詢問方式）FSS發(fā)出訊問信號（F2），母船接收時刻為t1；在間隔△t3時間后，F(xiàn)SS發(fā)出訊問信號（F3），應(yīng)答器接收，并回答（F4），母船接收時刻為t2；問答器發(fā)出訊問信號（F3），應(yīng)答器回答（F4），母船接收時刻為t3；T5T1T3F2t1F3F4t2t315幾種應(yīng)用模式2）長基線同步鈡FSS定位導(dǎo)航模式F2F3間隔問答機(jī)在t1時刻接收到FSS發(fā)出來的信號問答機(jī)在t2時刻接收到T發(fā)出來的信號F4T3T1？F3問答機(jī)在t3時刻接收到T的應(yīng)答信號注意：設(shè)計(jì)一個工作模式主要是考慮能夠求得各個距離。16

海底應(yīng)答器陣的校準(zhǔn)校準(zhǔn)的目的：布放應(yīng)答器時有誤差≠GPS的數(shù)據(jù)。本節(jié)提到的校準(zhǔn)方法，即測量應(yīng)答器的相對坐標(biāo)，可以沒有GPS數(shù)據(jù)，在有GPS數(shù)據(jù)后可以得到應(yīng)答器的絕對坐標(biāo)，還使校準(zhǔn)方法簡單化，可以繞著應(yīng)答器航行，可以利用超短基線＋GPS初步確定應(yīng)答器的位置，在通過解斜距方程，精確確定應(yīng)答器的位置。兩個應(yīng)答器的情況三個應(yīng)答器的情況用于4邊形應(yīng)答器陣的兩種校準(zhǔn)方法1）條件方程法2)坐標(biāo)變動法17海底應(yīng)答器陣的校準(zhǔn)兩個應(yīng)答器的情況簡單的方法是在應(yīng)答器布放時利用無線電定位或GPS記下投放點(diǎn)的位置。也可利用船上問答機(jī)與應(yīng)答器連續(xù)進(jìn)行應(yīng)答，測量問答機(jī)與兩應(yīng)答器的距離。當(dāng)兩距離之和達(dá)到最小時，此最小值即為兩應(yīng)答器間的距離。應(yīng)答器1應(yīng)答器2R1R2h問答機(jī)18海底應(yīng)答器陣的校準(zhǔn)三個應(yīng)答器的情況設(shè)問答機(jī)的深度為0在D、E、F點(diǎn)測量應(yīng)答器的深度在A、B、C點(diǎn)測量到三個應(yīng)答器之間的斜距若要用最少的應(yīng)答器得到最大覆蓋范圍，則陣形應(yīng)是等邊三角形(ξ2,η2,0)Rji第j個測量與第i個應(yīng)答器間的斜距

ξ、η有5個，x2、x3、y3共有8個未知數(shù)，9個方程19海底應(yīng)答器陣的校準(zhǔn)四個應(yīng)答器的情況1）條件方程法4個應(yīng)答器構(gòu)成的4邊形共有6根連線：4個邊和兩個對角線。對這些連線進(jìn)行測量。由于4邊形只要5個值便可唯一確定，因而第6個量是冗余的。DABCX思路：1）已知兩兩應(yīng)答器間的斜距和各應(yīng)答器的深度。2）將斜距投影水平面3）利用一個水平的四邊形去擬合由4個應(yīng)答器構(gòu)成的投影4邊形，找出最佳擬合四邊形。4）利用余弦定理和已知邊長，計(jì)算水平面內(nèi)的各個角度，角A1～A8。5）計(jì)算的結(jié)果應(yīng)滿足角度的集合關(guān)系，不滿足的適當(dāng)調(diào)整角度使之同時滿足角度和邊的關(guān)系。A1A2A3A4A5A6A7A820海底應(yīng)答器陣的校準(zhǔn)四個應(yīng)答器的情況1）條件方程法四邊形的構(gòu)成條件：DABCXA1A2A3A4A5A6A7A8Q21海底應(yīng)答器陣的校準(zhǔn)四個應(yīng)答器的情況1）條件方程法四邊形的構(gòu)成條件：四邊形角度調(diào)整步驟為：由式調(diào)整8個角度之和為0；由式和對“角度對”進(jìn)行調(diào)整；用式調(diào)整角度，使奇數(shù)角度正弦的對數(shù)和等于偶數(shù)角度正弦對數(shù)和。DABCXA1A2A3A4A5A6A7A822海底應(yīng)答器陣的校準(zhǔn)四個應(yīng)答器的情況2)坐標(biāo)變動法坐標(biāo)變動法校準(zhǔn)是任意固定3點(diǎn)，由測量數(shù)據(jù)通過最小二乘法來調(diào)整第4點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：它可用于基陣中的任意點(diǎn)。缺點(diǎn)：對每一點(diǎn)都需假設(shè)一坐標(biāo)作為初值p，這種假設(shè)的位置近似精度愈低，計(jì)算的時間愈長。方法：真值坐標(biāo)為(X4,Y4)，假設(shè)坐標(biāo)為p(X0,Y0)。由幾何關(guān)系有DABCXA1A2A3A4A5A6A7A8O1O2O323海底應(yīng)答器陣的校準(zhǔn)四個應(yīng)答器的情況2)坐標(biāo)變動法微分后有記成設(shè)觀察測量的水平距離O1的變化量（或殘差）為V，則有坐標(biāo)變動的觀察方程

DABCXA1A2A3A4A5A6A7A8O1O2O3幾何關(guān)系測量值243個應(yīng)答器到第4個應(yīng)答器連線的水平投影有3個，因此有記觀察方程可寫為記加權(quán)誤差函數(shù)為使誤差函數(shù)最小的必要條件為和25水下應(yīng)答器基陣陣形測量小結(jié)陣形測量耗時大：3～5個應(yīng)答器，一般需十幾個小時淺水使用時可逐個應(yīng)答器測量，用GPS配合

a)認(rèn)為應(yīng)答器投放位置即為海