超短基線(xiàn)水聲定位系統(tǒng).ppt

2020 2 11 1 水下定位與導(dǎo)航技術(shù) 第三章超短基線(xiàn)水聲定位系統(tǒng) 2 3 1引言 組成結(jié)構(gòu) 發(fā)射換能器和幾個(gè)水聽(tīng)器可以組成一個(gè)直徑只有幾厘米 幾十厘米的水聽(tīng)器基陣 稱(chēng)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(cè) 超短基線(xiàn)系統(tǒng)定位解算方式非同步信標(biāo)方式應(yīng)答器方式響應(yīng)器方式帶有深度的應(yīng)答器 響應(yīng)器方式 3 超短基線(xiàn)系統(tǒng)的幾種定位解算方式 測(cè)量聲線(xiàn)入射角 a 信標(biāo)方式 距離和角度 b 應(yīng)答器方式 單程距離和角度 c 響應(yīng)器方式 d 有深度的應(yīng)答器 響應(yīng)器方式 一類(lèi)是根據(jù)聲線(xiàn)入射角和已知深度進(jìn)行位置解算另一類(lèi)則是根據(jù)測(cè)量的距離和聲線(xiàn)入射角進(jìn)行定位解算 已知 將測(cè)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(biāo)信標(biāo)方式 位置解算 結(jié)構(gòu)及定位解算圖 3個(gè)水聽(tīng)器擺成L型 位置解算 信標(biāo)位置 Xa Ta Za 3個(gè)水聽(tīng)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(biāo)信標(biāo)方式 位置解算 R與信標(biāo)的坐標(biāo)Xa Ya及深度的關(guān)系為 而 從而解得 mx my是通過(guò)相位差測(cè)量而得到的 6 3 2入射角和深度方式 非同步信標(biāo)信標(biāo)方式 位置解算 因此有 兩個(gè)水聽(tīng)器接收信號(hào)的相位差 與信號(hào)入射角 m的關(guān)系為 由于基陣尺寸甚小 可認(rèn)為是遠(yuǎn)場(chǎng)接收的情況 即入射到所有基元的聲線(xiàn)平行 7 3 2入射角和深度方式 非同步信標(biāo)信標(biāo)方式 位置解算 算法小結(jié) 先測(cè)得兩換能器接收信號(hào)的相位差 然后利用公式解算信標(biāo)在船坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo) 8 3 2入射角和深度方式 非同步信標(biāo)信標(biāo)方式 位置解算 r 在某些場(chǎng)合 要求目標(biāo)的坐標(biāo) 要以水平距離和水平面內(nèi)的目標(biāo)方位角給出 在水平面內(nèi)以極坐標(biāo)形式給出 9 3 3入射角與距離算法 應(yīng)答器或響應(yīng)器方式 目標(biāo)斜距若使用應(yīng)答器代替信標(biāo)通過(guò)相位測(cè)量得到角度 直接求出位置坐標(biāo)應(yīng)答器深度 若使用響應(yīng)器 10 3 4超短基線(xiàn)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(duì)誤差 誤差分析的目的 分析應(yīng)答器在基陣坐標(biāo)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(xiàn)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(duì)Xa求全微分有 12 3 4超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)定位誤差分析 位置測(cè)量的相對(duì)誤差表示式位置相對(duì)定位精度斜距R和 的相對(duì)誤差 由和有代入上式可得以水平位置精度與斜距之比來(lái)衡量定位精度時(shí)有斜距相對(duì)定位精度 13 3 4超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)定位誤差分析 在各項(xiàng)誤差認(rèn)為互相獨(dú)立的情況下 相對(duì)于斜距的位置均方誤差記為 即類(lèi)似地 可得到結(jié)論 信標(biāo)或應(yīng)答器在基陣的下方時(shí) 定位誤差主要來(lái)源于相位測(cè)量誤差 14 3 4超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)定位誤差分析 分析 第一項(xiàng) 聲速引起的誤差第二項(xiàng) 測(cè)時(shí)誤差引起的誤差第三項(xiàng) 陣元間距不準(zhǔn)引起的誤差第四項(xiàng) 相位測(cè)量誤差引起的誤差 與角度 mx my有關(guān) 當(dāng)接近90 即信標(biāo)或應(yīng)答器在基陣的下方 時(shí) 相位差很小 前3項(xiàng)影響很小 相位測(cè)量誤差起主要作用 隨 mx my減小 前3項(xiàng)影響加大當(dāng)信標(biāo)或應(yīng)答器在靠近基陣所在平面 即角度很小 時(shí) 因有反射聲影響 精度也難保證 結(jié)論 超短基線(xiàn)系統(tǒng)只在基陣下方一個(gè)有限的錐體內(nèi)定位精度較高改進(jìn)措施 加大基陣尺寸 采用寬帶信號(hào) 0 15 3 4超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)定位誤差分析 誤差與 m的變化關(guān)系注意 衡量相對(duì)定位誤差時(shí) 兩個(gè)相對(duì)誤差公式計(jì)算的量值隨 m的減小的趨勢(shì)是不同的 在只考慮相位差測(cè)量誤差時(shí)例 f0 20kHz d 0 04m c 1500m s h 4000m 1 表3 1在不同 m下 相位差測(cè)量相對(duì)誤差 16 3 4超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)定位誤差分析 誤差與 m的變化關(guān)系 跳象限 問(wèn)題 跳象限 的現(xiàn)象 隨 m的減小 定位精度難以保證存在水面反射 使直達(dá)聲和反射聲相加之后總和信號(hào)的相位發(fā)生變化 結(jié)果 使得計(jì)算的不正確 例如 信標(biāo)本應(yīng)在第I象限 而計(jì)算結(jié)果可能是X Y均為負(fù)值 誤為第IV象限 結(jié)果 使載體相對(duì)于信標(biāo)的位置軌跡不連續(xù) 這就是所謂的 跳象限 現(xiàn)象 跳象限 的情況主要由水面反射引起 可通過(guò)信號(hào)處理的方法解決 以前采用單頻信號(hào)時(shí) 對(duì)信號(hào)處理的手段未進(jìn)行較深入地研究 存在此種問(wèn)題 現(xiàn)在采用寬帶信號(hào) 信號(hào)處理的手段也較高 跳象限 的問(wèn)題可以解決 17 3 5改善超短基線(xiàn)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(cè)距精度和測(cè)相精度成正比 測(cè)距精度和測(cè)相精度高則誤差小 增加d的限制當(dāng)d 2 陣元間最大相位差將會(huì)落在區(qū)間 之外 結(jié)果造成相位差測(cè)量模糊 致使位置解算發(fā)生錯(cuò)誤 因此 d必須 2 18 3 5改善超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)定位精度的措施 測(cè)時(shí)誤差為改善測(cè)時(shí)誤差可增加接收機(jī)輸出信號(hào) 噪聲比和帶寬當(dāng)采用CW脈沖時(shí) 信號(hào)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(cè)相誤差為改善角度測(cè)量精度的方法是提高信 噪比 19 3 5改善超短基線(xiàn)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(hào)和5 6 或7 8 號(hào)陣元測(cè)得的相位差為利用1 4號(hào)和5 8號(hào)陣元測(cè)得的相位差應(yīng)為目標(biāo)位置坐標(biāo)為由 位置測(cè)量誤差減小到原來(lái)的d D 1 N倍 即方位測(cè)量精度提高N倍 20 3 5改善超短基線(xiàn)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(cè)量誤差減小到原來(lái)的d D 1 N倍 即方位測(cè)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(gè)基元輔助判斷 兩個(gè)大尺度基元的相位差 21 3 5改善超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)定位精度的措施 采用寬帶信號(hào)提高定位精度需要考慮的問(wèn)題采用寬帶信號(hào) 不能用測(cè)相的方法 必須采用測(cè)時(shí)的方法 測(cè)量?jī)蓚€(gè)基元回波信號(hào)的時(shí)延差 測(cè)時(shí)誤差與采樣間隔有關(guān) 當(dāng)采樣間隔被硬件的能力限制時(shí) 需要采用插值法 來(lái)提高測(cè)時(shí)精度 22 3 5改善超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)定位精度的措施 采用寬帶信號(hào)提高定位精度兩陣元信號(hào)的時(shí)間差為則位置坐標(biāo)為測(cè)量時(shí)延的方法 相關(guān)法 前沿法 精度不高 23 3 5改善超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)定位精度的措施 采用寬帶信號(hào)提高定位精度假設(shè)接收信號(hào)的時(shí)延為t0 則輸入信號(hào)為參考信號(hào)為其中 B T稱(chēng)為調(diào)頻斜率 B為信號(hào)帶寬 拷貝相關(guān)器的輸出為 24 3 5改善超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)定位精度的措施 采用寬帶信號(hào)提高定位精度接收的時(shí)延值t0 為最大值出現(xiàn)的時(shí)刻 相對(duì)定位誤差 在只考慮時(shí)延測(cè)量對(duì)定位精度的影響時(shí) 相對(duì)定位誤差為時(shí)延估計(jì)的精度 取決于采樣頻率fs 采樣間隔 令時(shí)延測(cè)量誤差等于采樣周期的一半 即 采樣間隔應(yīng)滿(mǎn)足 25 采用寬帶信號(hào)提高定位精度提高測(cè)時(shí)精度的方法 插值估計(jì)相關(guān)峰的出現(xiàn)時(shí)刻設(shè)擬合波形函數(shù)為令則解得 26 Ar Br代入r3整理后得因?yàn)?Ts為采樣周期 故上式可寫(xiě)為整理得由此估計(jì)出相關(guān)器輸出信號(hào)的頻率 27 最大值時(shí)有 而因此 又知 故可得出k的取值范圍為通過(guò)以上諸式 可估計(jì)出相關(guān)峰的出現(xiàn)時(shí)刻 28 小結(jié)t0的估計(jì)方法 設(shè)擬合曲線(xiàn)求k k為非負(fù)的整數(shù) 29 3 6超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)相位差測(cè)量方法 自適應(yīng)陷波濾波器 Notch濾波器 自適應(yīng)陷波濾波器是具有一對(duì)正交權(quán)值的自適應(yīng)濾波器 參考信號(hào)為采用LMS算法的權(quán)值迭代公式為誤差序列為 30 3 6超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)相位差測(cè)量方法 利用Notch濾波器測(cè)量信號(hào)的相位比較x k 與y k 可得因此有自適應(yīng)陷波器的帶寬為 31 3 6超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)相位差測(cè)量方法 自適應(yīng)相位差估計(jì)器算法構(gòu)成兩個(gè)信號(hào)的初相位 利用前面的結(jié)論 32 3 6超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)相位差測(cè)量方法 自適應(yīng)相位差估計(jì)器兩個(gè)信號(hào)的相位差相位差的均值利用一階遞歸濾波器對(duì)各個(gè)權(quán)值進(jìn)行平均或直接對(duì)各權(quán)值進(jìn)行平均相位差的均值 33 3 7超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)的標(biāo)校 基元相位差校準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)校的目的 解決系統(tǒng)誤差針對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行校準(zhǔn)校準(zhǔn)的方法轉(zhuǎn)動(dòng)基陣使利用相位差估計(jì)器測(cè)得的其中兩個(gè)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(shí)記錄垂直的另外兩基元的接收相位差 再次轉(zhuǎn)動(dòng)基陣約180 垂直 再次使兩個(gè)基元相位差為0 同時(shí)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(shí) 在時(shí)間測(cè)量 計(jì)算信號(hào)入射角時(shí) 扣除這一附加相位差 34 3 7超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)的標(biāo)校 基元相位差校準(zhǔn)1 無(wú)高精度的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)設(shè)理論相位差值為 21 0 和 23 0 由電路和水聽(tīng)器造成的相對(duì)相位誤差為 21 e 和 23 e 利用相位差估計(jì)器測(cè)得的兩個(gè)相位差為 21 21 0 21 e 23 23 0 23 e 調(diào)整調(diào)整基陣角度 使上式為0 即此時(shí)測(cè)得另兩陣元間的相位差為 35 3 7超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)的標(biāo)校 基元相位差校準(zhǔn)1 無(wú)高精度的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)將基陣轉(zhuǎn)動(dòng)大約180度 再次調(diào)整基陣角度使測(cè)得的1 2號(hào)陣元間的相位差為0 此時(shí)兩次坐標(biāo)軸間的夾角為 于是有 36 3 7超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)的標(biāo)校 基元相位差校準(zhǔn)由 1 3 式 可得 由 2 4 式 可得 37 3 7超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)的標(biāo)校 基元相位差校準(zhǔn)2 有高精度的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)第一步 直接測(cè)量記錄兩兩陣元的相位差第二步 將基陣轉(zhuǎn)動(dòng)180度之后再記錄這兩個(gè)相位差為 因此可直接得到 38 3 7超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)的標(biāo)校 基元相位差校準(zhǔn)3 當(dāng)測(cè)量不滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)條件時(shí)基陣未轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)測(cè)量的兩陣元間的相位差為考慮到h di 而 x也很小 經(jīng)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(xiàn)定位系統(tǒng)的標(biāo)校 基元相位差校準(zhǔn)3 當(dāng)測(cè)量不滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)條件時(shí)將基陣圍繞中心轉(zhuǎn)動(dòng)180度之后 再次測(cè)得兩陣元的相位差 記為 有與基陣未轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)同樣的方法 可得 40 3 7超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)的標(biāo)校 基元相位差校準(zhǔn)3 當(dāng)測(cè)量不滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)條件時(shí) 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(xiàn)定位系統(tǒng)的標(biāo)校 超短基線(xiàn)系統(tǒng)的海上校準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)校的目的 解決系統(tǒng)誤差標(biāo)校 針對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行校準(zhǔn)陣元相位誤差 測(cè)量在水池進(jìn)行陣元間距誤差 制作基陣時(shí)保證需要的傳感器垂直參考設(shè)備 測(cè)量基陣姿態(tài)角 縱 橫搖角 姿態(tài)傳感器 姿態(tài)測(cè)量?jī)x 羅徑 測(cè)量船的航向角高精度GPS 測(cè)量船位PGPS 42 3 7超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)的標(biāo)校 超短基線(xiàn)系統(tǒng)的海上校準(zhǔn)海上校準(zhǔn)的基本過(guò)程圍繞應(yīng)答器按某一航線(xiàn)航行 用超短基線(xiàn)測(cè)量應(yīng)答器的位置 同時(shí)記錄GPS 羅經(jīng) 姿態(tài)儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換將應(yīng)答器在基陣坐標(biāo)系中的位置轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系的位置每一次測(cè)量值與應(yīng)答器的參考位置進(jìn)行比較利用高斯 牛頓法解觀(guān)測(cè)方程應(yīng)答器的參考位置xRef用長(zhǎng)基線(xiàn)的方法確定 為由船坐標(biāo)系向大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)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(gòu)成 由基陣坐標(biāo)系向船坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的方向余弦矩陣 稱(chēng)為失配矩陣 它也由3個(gè)角度 的正 余弦構(gòu)成 為用GPS測(cè)得的大地坐標(biāo)船位 天線(xiàn)位置 應(yīng)答器在基陣坐標(biāo)系中的位置 43 法國(guó)OCEANO公司超短基線(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)品Posidonia 船的路徑和應(yīng)答器的原始 軌跡 原點(diǎn) 推算的應(yīng)答器位置 原始數(shù)據(jù)和補(bǔ)償失配后的數(shù)據(jù) 原點(diǎn) 推算的應(yīng)答器位置 44 3 7超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)的標(biāo)校 基元相位差校準(zhǔn)針對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行校準(zhǔn)陣元附加相位誤差 在水池進(jìn)行陣元間距誤差 制作基陣時(shí)保證海上校準(zhǔn) 超短基線(xiàn)系統(tǒng)的海上校準(zhǔn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換海上校準(zhǔn)的基本過(guò)程校準(zhǔn)結(jié)果 45 3 7超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)的標(biāo)校 基元相位差校準(zhǔn)基陣系統(tǒng)測(cè)量的應(yīng)答器位置為xArray Xa Ya Za 應(yīng)答器的大地坐標(biāo)為PEarth PGPS BAttxArrayBAtt 3個(gè)姿態(tài)角的方向余弦矩陣 若在基陣安裝時(shí)船的框架未與基陣框架配準(zhǔn) 則須進(jìn)行額外的旋轉(zhuǎn)變換BAlign 常數(shù)矩陣 由3個(gè)角度偏移量決定以應(yīng)答器地理坐標(biāo)為觀(guān)測(cè)值 以 為未知數(shù) 利用參數(shù)估計(jì)法估計(jì)參數(shù) 46 3 7超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)的標(biāo)校 超短基線(xiàn)系統(tǒng)的海上校準(zhǔn)海上校準(zhǔn)的基本過(guò)程圍繞應(yīng)答器按某一航線(xiàn)航行 用超短基線(xiàn)測(cè)量應(yīng)答