水下定位技术概述

1Copyright—SoundandVibrationLabofZJUT水下定位技术概述TheOverviewofUnderwaterPositioningTechnology仰涛2017/4/132Copyright—SoundandVibrationLabofZJUT大纲基本概念三种基线定位技术原理定位误差来源3Copyright—SoundandVibrationLabofZJUT基本概念：背景靠什么实现水下定位？声波在海水中的衰减速度远小于电磁波，所以水下定位主要采用声波。4Copyright—SoundandVibrationLabofZJUT基本概念：背景水下声学定位的应用：航道安全、深海矿藏资源调查、海底光缆线路铺设等，对水下拖体进行导航定位。5Copyright—SoundandVibrationLabofZJUT基本概念：三种声学定位系统定位类型基线长度（m）简称特点长基线100~6000LBL(LongBaselinePositioning)大面积区域调查；系统复杂，操作繁琐。短基线20~50SBL(ShortBaselinepositioning)操作简单，价格低廉；深水测量基线长度要大于40米。超短基线1USBL(UltrashortBaselinepositioning)安装、操作简单；精度校准要求极高。6Copyright—SoundandVibrationLabofZJUT短基线定位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7H3H1H2D1D2yxH3H1R3R1xzxxdR31θX非同步信标定位解算方法3131311sinxdRRRctctD2121212sinydRRRctctD311()sinxcttxzzD212()sinycttyzzD1.求x坐标2.求y坐标8xy（x，y，z）应答器PR1R2H1H2H3H4R3R4T使用应答器的结算方法22221)()(zbyaxR22222)()(zbyaxR22223)()(zbyaxR22224)()(zbyaxR(a,-b)(-a,-b)(a,b)(-a,b)aRRRRx8)()(22242123bRRRRy8)()(242322212.求x，y坐标1.建立数学模型92/122211)()(byaxRz2/122222)()(byaxRz2/122233)()(byaxRz2/122244)()(byaxRz44321zzzzz9xy（x，y，z）应答器PR1R2H1H2H3H4R3R4T(a,-b)(-a,-b)(a,b)(-a,b)3.求z坐标其中10若只收到3个信号，例如1，2，3号收到信号aRRx4)(2123bRRy4)(2221深度的均值3321zzzz10xy（x，y，z）应答器PR1R2H1H2H3H4R3R4T(a,-b)(-a,-b)(a,b)(-a,b)11Copyright—SoundandVibrationLabofZJUT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。超短基线定位系统12Copyright—SoundandVibrationLabofZJUT超短基线系统的两种定位解算方式12已知方位-深度法声线入射角θ和已知深度h方位-距离法声线入射角θ和测量距离R超短基线定位系统算法xy12340D311cos2mxcttxSctD231cos2mycttySctD222zSxy14Copyright—SoundandVibrationLabofZJUT长基线定位系统14可算出船与应答器之间的精确距离。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,T215Copyright—SoundandVibrationLabofZJUT22221111()()()Rxxyyzz22222222()()()Rxxyyzz22223333()()()Rxxyyzz112cTRx,y,zx1,y1,z1x3,y3,z3x2,y2,z2长基线定位系统算法332cTR222cTR16Copyright—SoundandVibrationLabofZJUT132213321132232332()()()2[()()()]yyyyyyxxyyxyyxyy长基线定位系统算法132213321132232332()()()2[()()()]xxxxxxyyxxyxxyxx22222,1,2,3iiiiiixyzRzzi其中17Copyright—SoundandVibrationLabofZJUT定位误差来源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、基阵安装误差等。随机误差：海洋噪声、船姿态、水听器基阵姿态变化等。18Copyright—SoundandVibrationLabofZJUT定位误差：声线弯曲常声速声线跟踪法常梯度声线跟踪法1iiRpgsiniipC19Copyright—SoundandVibrationLabofZJUT定位误差：姿态变化XYZXYZXYZ为什么要进行姿态修正：船受风、浪影响，会有晃动。而测量是以基阵坐标系进行的。解决方法：姿态修正（坐标变换）姿态变化20Copyright—SoundandVibrationLabofZJUT定位误差：海洋噪声海洋噪声来源：海面波浪空化噪声，舰船噪声等。应对措施：对噪声源抑制降低噪声提高信噪比。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。21Copyright—SoundandVibrationLabofZJUTThanks！