第3章-超短基线水声定位系统

2020/4/171水下定位与导航技术第三章超短基线水声定位系统2020/4/1723.1引言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。超短基线系统定位解算方式非同步信标方式应答器方式响应器方式带有深度的应答器/响应器方式2020/4/173超短基线系统的几种定位解算方式（测量声线入射角）（a）信标方式（距离和角度）(b)应答器方式（单程距离和角度）(c)响应器方式(d)有深度的应答器/响应器方式一类是根据声线入射角和已知深度进行位置解算另一类则是根据测量的距离和声线入射角进行定位解算。已知将测得的斜距、入射角与深度组合，从而提高定位精度。2020/4/1743.2入射角和深度方式（非同步信标信标方式）位置解算结构及定位解算图：3个水听器摆成L型。位置解算：信标位置(Xa,Ta,Za）3个水听器按L型布置，间距为d。d2020/4/1753.2入射角和深度方式（非同步信标信标方式）位置解算R与信标的坐标Xa,Ya及深度的关系为2222hXYRaa2aXmyaRY222cos而从而解得mymxmyahY22coscos1cosmymxmxahX22coscos1cosθmx,θmy是通过相位差测量而得到的mxR22cos2020/4/1763.2入射角和深度方式（非同步信标信标方式）位置解算mcos2dd2cos121mxd2cos131my因此有两个水听器接收信号的相位差Φ与信号入射角θm的关系为由于基阵尺寸甚小，可认为是远场接收的情况，即入射到所有基元的声线平行。20tfctcosdm2020/4/1773.2入射角和深度方式（非同步信标信标方式）位置解算算法小结d2cos121mxd2cos131mymymxmyahY22coscos1cosmymxmxahX22coscos1cos先测得两换能器接收信号的相位差，然后利用公式解算信标在船坐标系下的位置坐标。2020/4/1783.2入射角和深度方式（非同步信标信标方式）位置解算2113111tantantanmxmyaaconconXY22aaYXr，θr在某些场合，要求目标的坐标，要以水平距离和水平面内的目标方位角给出。在水平面内以极坐标形式给出mymxmyahY22coscos1cosmymxmxahX22coscos1cosd2cos121mxd2cos131my2020/4/179应答器T3.3入射角与距离算法（应答器或响应器方式）目标斜距若使用应答器代替信标通过相位测量得到角度，直接求出位置坐标应答器深度RTcTR,21RcTRmxaRXcosmyaRYcosmymxaRhZ22coscos1若使用响应器d2cos121mxmymxmxahX22coscos1cos2020/4/17103.4超短基线定位系统定位误差分析一般，误差以水平位置误差与斜距之比度量（相对误差）。误差分析的目的：分析应答器在基阵坐标系下的位置解算误差，即求ΔXa、ΔYa、ΔZa分别为多少？分析方法：2020/4/17113.4超短基线定位系统定位误差分析Xa、Ya、Za的求解公式以X的定位误差为例，对Xa求全微分有dRRXa2cos12mxdRRYa2cos13my2/1222132222122441ddRZamcos2dddRdRdRRdXa21212121212222ddRRXXaa12122020/4/17123.4超短基线定位系统定位误差分析位置测量的相对误差表示式位置相对定位精度斜距R和λ的相对误差：由和有代入上式可得以水平位置精度与斜距之比来衡量定位精度时有斜距相对定位精度ddRRXXaa1212cTR0/fcccTTRRcccf01ddccTTXXaa12122ddTTccdRXa12121222dRXa2122020/4/17133.4超短基线定位系统定位误差分析在各项误差认为互相独立的情况下，相对于斜距的位置均方误差记为，即类似地，可得到结论：信标或应答器在基阵的下方时，定位误差主要来源于相位测量误差。21222222122222dddTTccdX21322222132222dddTTccdY222/RXX22yx总的均方误差ddTTccdXXRXmxaaa12121222cos2020/4/17143.4超短基线定位系统定位误差分析分析：第一项：声速引起的误差第二项：测时误差引起的误差第三项：阵元间距不准引起的误差第四项：相位测量误差引起的误差，与角度θmx,θmy有关：当接近90°（即信标或应答器在基阵的下方）时，相位差很小，前3项影响很小，相位测量误差起主要作用。随θmx,θmy减小，前3项影响加大当信标或应答器在靠近基阵所在平面(即角度很小)时，因有反射声影响，精度也难保证。结论：超短基线系统只在基阵下方一个有限的锥体内定位精度较高改进措施：加大基阵尺寸；采用宽带信号21222222122222dddTTccdX22yxmcos2d→02020/4/17153.4超短基线定位系统定位误差分析误差与θm的变化关系注意：衡量相对定位误差时，两个相对误差公式计算的量值随θm的减小的趋势是不同的。在只考虑相位差测量误差时例：f0＝20kHz，d=0.04m，c=1500m/s，h=4000m，△φ＝1°表3.1在不同θm下，相位差测量相对误差mx()858070605040302012()16.7333.365.796123.4147.1166.3180.4Rx/(%)0.520.520.520.520.520.520.520.52xx/(%)5.983.0031.5221.04170.81030.67990.60140.5543x(m)21.021.422.424.728.534.045.065.92121222121222222＝ddccTTXXXaaax12012121222cosdfcdRmxxmxdcos212dRcosRXa212mx2020/4/17163.4超短基线定位系统定位误差分析误差与θm的变化关系“跳象限”问题“跳象限”的现象：随θm的减小，定位精度难以保证存在水面反射，使直达声和反射声相加之后总和信号的相位发生变化。结果，使得计算的不正确。例如，信标本应在第I象限，而计算结果可能是X、Y均为负值，误为第IV象限。结果，使载体相对于信标的位置轨迹不连续。这就是所谓的“跳象限”现象。“跳象限”的情况主要由水面反射引起，可通过信号处理的方法解决。以前采用单频信号时，对信号处理的手段未进行较深入地研究，存在此种问题。现在采用宽带信号，信号处理的手段也较高，“跳象限”的问题可以解决。2020/4/17173.5改善超短基线定位系统定位精度的措施分析不考虑声速和阵元间距误差的情况下定位误差与阵元间距d成反比，d大则误差减小；与测距精度和测相精度成正比，测距精度和测相精度高则误差小。增加d的限制当dλ/2，阵元间最大相位差将会落在区间[-π,π]之外，结果造成相位差测量模糊，致使位置解算发生错误。因此，d必须≤λ/2。121222dRRdXa2020/4/17183.5改善超短基线定位系统定位精度的措施测时误差为改善测时误差可增加接收机输出信号/噪声比和带宽当采用CW脉冲时，信号带宽与脉冲宽度成反比，即，而匹配滤波器输出信/噪比为因此有测相误差为改善角度测量精度的方法是提高信/噪比SNRBt1mxsin12SNRdTB/100nKTnESNRTt2020/4/17193.5改善超短基线定位系统定位精度的措施增大基元间距改善定位精度1、2（或3、4）号和5、6（或7、8）号阵元测得的相位差为利用1、4号和5、8号阵元测得的相位差应为目标位置坐标为由mxdcos221mydcos265mxDcos241myDcos285DRRxmx2cos41DRRymy2cos85414122DRRDXa位置测量误差减小到原来的d/D=1/N倍，即方位测量精度提高N倍2020/4/17203.5改善超短基线定位系统定位精度的措施增大基元间距改善定位精度由D=Nd=8d,ΔXa位置测量误差减小到原来的d/D=1/N倍，即方位测量精度提高N倍若原阵元间距为d=λ/2，则因此，要用小间距的两个基元辅助判断，两个大尺度基元的相位差。414122DRRDXa)8,8(412020/4/17213.5改善超短基线定位系统定位精度的措施采用宽带信号提高定位精度需要考虑的问题采用宽带信号，不能用测相的方法，必须采用测时的方法，测量两个基元回波信号的时延差。测时误差与采样间隔有关，当采样间隔被硬件的能力限制时，需要采用插值法，来提高测时精度。2020/4/17223.5改善超短基线定位系统定位精度的措施采用宽带信号提高定位精度两阵元信号的时间差为则位置坐标为测量时延的方法：相关法、前沿法（精度不高）cdmmcosdRcRXmxmxacosdRcRYmymyacos2020/4/17233.5改善超短基线定位系统定位精度的措施采用宽带信号提高定位精度假设接收信号的时延为t0，则输入信号为参考信号为其中β=B/T称为调频斜率，B为信号带宽。拷贝相关器的输出为其它,0,sin)(00200tTttttttAtsi其它,00,sin)(2TtttAtsr,0t-t,cos1sin000002其它TttTttttttTAtRout2020/4/17243.5改善超短基线定位系统定位精度的措施采用宽带信号提高定位精度接收的时延值t0：为最大值出现的时刻。相对定位误差：在只考虑时延测量对定位精度的影响时，相对定位误差为时延估计的精度：取决于采样频率fs。采样间隔：令时延测量误差等于采样周期的一半，即。采样间隔应满足