（水声工程专业论文）水下机器人水声定位系统硬件的设计与实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fn a v i g a t i o na n dl o c a l i z a t i o nh a sb e e np l a y i n ga l li m p o r t a n t r o l ei nt h ee x p l o r a t i o na n dr e s e a r c ho fo c e a n s n o w a d a y s ，t h eu n d e r w a t e ra c o u s t i c p o s i t i o n i n gs y s t e mi st h em a i n s t r e a mo f u n d e r w a t e rn a v i g a t i o na n dl o c a l i z a t i o n w i t ht h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h eu n d e r w a t e rr e s e a r c ha n de x p l o i t a t i o n ，m o r e a n dm o r er e s e a r c hm e t h o d ss h o u l db eu t i l i z e d ，s u c ha su n d e r w a t e rv e h i c l e s ，t h e v i d e os y s t e ma sw e l la so t h e rk i n d so fe x p l o r a t i o ne q u i p m e n t s ，t h e r e f o r et h eh i g h a c c u r a t en a v i g a t i o na n dl o c a l i z a t i o ni st h ep r e c o n d i t i o nt or e a l i z et h eu n d e r w a t e r h i 曲a c c u r a c y , h i g he f f i c i e n c ys c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dp r o d u c t i o na c t i v i t i e s t h ec o n t e n to ft h i sp a p e ri st h ep o s h i o n i n gs y s t e mu s i n gi nt h ep r o j e c to f a r o vf o rd a ms e c u r i t yi n s p e c t i o n w h e nt h er o vc a r r i e so u tt h ea n d e r w a t e r i n s p e c t i n gt a s k ，i tn e e d sp r e c i s ep o s i t i o n i n gs y s t e mt on a v i g a t ea n dl o c a t et h e p o s i t i o n t h eu n d e r w a t e ra c o u s t i cp o s i t i o n i n gs y s t e mr e a l i z e st h el o c a l i z a t i o n f u n c t i o no f t h er o vt h r o u g hb e a c o na n dr e c e i v e r ar e v i e wa b o u tt h eu n d e r w a t e ra c o u s t i cp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yw a sm a d e f i r s t ，t h e nt h em e t h o do fu n d e r w a t e ra c o u s t i cp o s i t i o n i n gw a ss t u d i e d ，a n ds e v e r a l k i n d so fp o s i t i o n i n gm o d e sa n dc a l c u l a t i o nm e t h o d sw e r ea n a l y z e d a tl a s t ，t h e p o s i t i o n i n gs c h e m ef o rt h er o v w a sd e t e r m i n e d i nt h i sp a p e r ，t h ed e s i g na n df u l f i l l m e n to ft h eu n d e m r a t e rb e a c o nw a sa l s o p r o v i d e d ，a n dt h es o u r c es i g n a ln e e d e db yt h es i g n a ls o h i c cw a sp r o d u c e du s i n g s i n g l ec h i pc o m p u t e r a t 8 9 s 5 1a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h ep a p e ri st h eh a r d w a r ed e s i g na n dr e a l i z a t i o n o ft h er e c e i v e ro ft h eu n d e r w a t e ra c o u s t i cp o s i t i o n i n gs y s t e m ，i n c l u d i n gd e s i g n a n dd e b u g g i n go ft h eh a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u i t t h er e c e i v e ri sc o m p o s e do f a n a l o gs i g n a lm o d u l a t i o n ，d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，d a t au p l o a d i n ga n d p o w e rs u p p l y t h ea n a l o gp a r ti n c l u d e st h eo p e r a t i o na m p l i f i e rd e s i g n ，t h eb a n d p a s sf i l t e rd e s i g na n dt h ea u t o m a t i cg a i nd e s i g n ，w h i l et h ed i g i t a lp a r ti n c l u d e s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d s p ( t m s 3 2 0 v c 3 3 ) d e s i g n ，a dd e s i g n , r a md e s i g na n de p l dd e s i g n t h e s o f t w a r e i n v o l v e st h ee p l dc o n t r o l l o g i cp r o g r a m m i n ga n dt h ed s pd a t a p r o c e s s i n gp r o g r a m m i n ga sw e l la st h em a i nc o m p u t e rs e r i a lc o m m u n i c a t i o n p r o g r a m m i n g t h ep a p e rf i n a l l yi n t r o d u c e st h ea s s o c i a t e d d e b u g g i n g ，t h ew a t e rt a n k e x p e r i m e n ta n dt h ef i e l dt e s to f t h ee n t i r es y s t e m k e yw o r d s ：u n d e r w a t e ra c o u s t i cp o s i t i o n i n g ；r o v ；s i g n a ls o u r c e ；h a r d w a r e e l e c t r i cc i r c u i t ；d s p ；e p l d 哈尔滨工程大学 学位论文原创声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日 期：细年歹月肛日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着海洋发展的日益深入，用于水下勘探的相关技术越来越受到人们的 重视。作为水下探测的一个重要分支，水声定位技术在水下探测领域中的诸 多场合发挥着不可替代的作用，其重要性也日益提高。 由于电磁波在水中传播吸收损失非常严重，因此利用水声技术对水下、 水面目标进行定位、跟踪或导航在军事和民用方面都有着重要和不可取代的 地位。在军用方面，精确的导航定位系统是潜器从事水下活动的耳目，也是 检验水下制导兵器性能的必要手段，所以少数的发达国家投入了大量的人力 和物力，研制用于不同场合的水声定位跟踪系统，很大程度上满足军事上的 需要；在民用方面，海洋资源的开发，以及水下安全探测等都离不开水下或 水面目标的定位或导航。 1 2 水声定位技术的发展现状与展望 从上世纪中期人们就开始了利用水声技术对船舶和水中载体进行地理位 置的测定，但最初主要应用于军事领域，随着科学技术的发展，特别是随着 陆地上资源的快速开发和对能源的需求，近年来人类已经将注意力越来越多 地转向海洋资源的开发和利用。水声定位技术不但广泛应用于军事，在民用 方面也越来越多地受到重视，例如海洋资源开发、沉船打捞、潜水员定位以 及航道异物清除等都要用到水声定位技术。 1 2 1 声学定位系统的分类和发展现状 根据声学定位系统定位基线的长度传统上我们将定位系统分为3 种类型 长基线定位系统( l o n gb a s el i n e ) 、短基线定位系统( s h o r tb a s el i n e ) 、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 超短基线定位系统( u l t r as h o r tb a s el i n e ) ，定位系统的划分见表1 1 。 表1 1 定位系统的划分 定位系统类型基线长度 超短基线( u s b l ) 1 0 c m 短基线( s b l ) 长基线( l b l ) 1 0 0 6 0 0 0 m ( 一) 长基线定位系统 长基线定位系统( l b l ) 需要在海底布设3 个以上的基点，以定的几 何图形组成海底定位基线阵，工作船( 或被测目标) 般位于基线阵之内， 通过测量应答器与基点之间的相对位置来确定应答器的坐标，工作方式有声 学应答式、电触发式两种。长基线定位系统的优点是定位精度与水深无关， 在较大的范围上可以达到较高的相对定位精度，定位数据更新率高；缺点是 系统构成复杂，基线阵布设需要消耗高昂的费用，并且需要做大量的校正工 作，耗费大量的时间。再者，虽然长基线定位系统的定位精度是独立于水深 的，但是却与工作频率密切相关，若要获得更高的定位精度，目前典型的做 法是发展高频( h i g hf r e q u e n c y ) 或超高频0 1 x t r ah i g hf r e q u e n c y ) 的长基线 定位系统，但是由于高频信号在水中衰减很快，因此作用范围很有限，一般 很难超过1 0 0 0 m 。另外对水声定位系统来说，长距离的信号传输也是一个很 难回避的问题，传统的水声数据传输方式有多频键控( m f s k ) 和多相键控 ( m p s k ) 两种，m f s k 调制方法性能适中，具有一定的抗多途能力，m p s k 方式可以提高信息传输速率，但在传输距离和环境适应性方面性能不足。近 来利用水声扩频技术传输受到国内外的广泛重视，已经出现了扩频技术的水 声m o d e m 产品，其性能有较明显的提高，表现在传输距离增加、误码率 降低，且对使用环境具有较好的宽容性。 目前在国际市场上所见性能较好的长基线定位系统有美国s o n a r d y n e 公 司f u s i n o 系列的长基线定位系统，该系列产品可用于水下仪器设备的连续跟 踪定位，也可应用于复杂的深海工程建设项目、矿石开采、海难救援等。中 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 频段7 8 0 7 型工作水深4 0 0 0 m ，定位精度o 1 5 1 0 m ：高频段7 8 0 8 型工作水 深2 5 0 0 m ，定位精度o 0 2 o 1 5 m 。再有，挪威s i m r a d 公司的h p r 4 0 8 s 型长 基线定位系统也是同类产品中的佼佼者，具有自动校准功能的异频收发阵使 得整个系统在超过3 0 0 0 m 的作用范围内可以达到几厘米的定位精度。 h p r 4 0 8 s 型长基线定位系统因其高精度、高可靠性、数据更新率高( 定位数 据更新时间在o 2 s 左右) 的特点已经被广泛的应用于水下机器人、深拖系统 等水下设备的导航定位【6 】。 ( 二) 短基线定位系统 短基线定位系统( s b l ) 与长基线定位系统所不同的是定位基点是布置 在船底的，3 个以上的基点在船底构成基线阵，通过测量声波在应答器与基 点( 接收器) 之间的传播时间来确定斜距，通过测相技术来确定方位，进而 推算出应答器的坐标。因为基线阵是布置在船底的，所以短基线定位系统需 要配有垂直参考单元( v e r t i c a lr e f e r e n c eu n i t ) 、罗经( g y r o ) 、参考坐 标系统( 一般用d g p s 或g p s ) 。短基线定位系统的优点是系统组成简单， 便于操作，不需要组建水下基线阵，测距精度高；缺点是需要在船底布置3 个以上的发射接收器，要求具有良好的几何图形，这就对船只提出了更高的 要求，在深水区为了达到更好的定位精度需要加大船底基线的长度，整个系 统需要做大量的校准工作，绝对定位精度主要依赖于v r u ，g y r o ，d g p s 等 外围传感器。 澳大利亚n a u t r o n i x 公司生产的n a s d r 订1 r s 9 2 5 型短基线定位系统采用 a d s 2 信号( a c o u s t i cd i g i t a ls p r e a ds p e c t r u m ) ，此种信号的抗干扰能力 特别强，在传输距离和测量精度方面具有更优的性能，即便是在环境噪声较大 且深水区作业的情况下同样能够取得良好的定位效果，因为系统的这个特点， 该产品已经与多套动力定位系统组成联合系统应用于深海调查和生产项目。 n a s d r i l l r s 9 2 5 系统的水昕器是由多个换能器单元组成的组合阵，波束的指 向性和信噪比更佳，系统定位数据更新率高，系统能够在全海深范围工作， 在工作范围3 5 0 0 m 以内可以达到优于2 5 m 的定位精度。 ( 三) 超短基线定位系统 超短基线定位系统与短基线定位系统一样定位基线是布置在船底的，只 哈尔滨工程大学硕士学位论文 是它的基线长度更短些，基点是集中做在一个阵列上的，同样是通过测时、 测相技术来确定应答器的空间位置。工作方式有3 种：声学应答式、电触发 式、p i n g e r 模式( 应答器与接收器通过同步时钟方式控制进行工作) 系统也需配 有w 、c , y r o 、参考定位系统。整个系统的构成简单，操作方便，不需要组 建水下基线阵，测距精度高：系统的主要缺点同样是需要做大量的校准工作， 绝对定位精度主要依赖于外围传感器v r u 、g y r o 、d g p s 等。 国外从事超短基线定位系统研制的主要有法国o c e a n ot e c h n o l o g y 公司、 挪威的s i m r a d 公司、澳大利亚n a u t r o n i x 公司、美国的f e r r a n f i o r e 公司等。 法国o c e a n ot e c h n o l o g y 公司生产的p o s i d o n i a6 0 0 0 型超短基线定位系统最大 作用距离8 0 0 0 m ，定位精度为作用距离的0 5 1 o ，从1 9 9 7 年开始已经 开始装备在法国i f r e m e r 的水下机器人和深拖系统以及德国的g e o m a r 深拖系统，其主要优点是对常规的水听器阵的结构进行了改造，并采用调频 声学信号( c h i r p ) ；而s i m r a d 公司研制的h i p a r5 0 0 型系统的换能器为2 4 1 个换能器单元组成的球型阵，测量精度优于作用距离的o 2 ，工作水深达到 4 0 0 0 m ，新近推出的h i p a r 7 0 0 型系统是在h i p a r5 0 0 型的基础上开发的长 程声学定位系统，换能器为5 0 个换能器单元组成的半球型阵，多换能器组阵 形成窄波束方式提高换能器的指向性和信噪比，理论推算最大作用距离为 8 0 0 0 m ，最大工作水深为6 0 0 0 m ，定位精度为作用距离的0 5 ，另外还有些 产品，如s i m r a dh p r 4 1 0 、o r et r a e k p o i r t t 2 、n a u t r o r t i xr s 9 1 2 等工作水深 都在2 0 0 0 m 以内，定位精度为作用距离的0 5 l 。o 。 n 超氲蕃战蹙旺蒜瞪 b 强l 瞪霉位幕缆c 长墨抟是比景艇 图1 1 3 种声学基线定位系统作业模式 以上3 种声学基线定位系统具有各自的优势和特点，根据不同的定位要 求，可以采用不同的定位系统，3 种定位系统的作业模式如图1 1 所示。 国内已有成熟的声学定位技术，但不能满足长距离的定位需要。哈尔滨 工程大学已研制出三种超短基线定位系统：“深水重潜装潜水员超短基线定 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 位系统”：“探索者”号水下机器人超短基线定位系统；“灭雷具配套水声 跟踪定位装置”。前两种都是简易的系统，仅用于近程的特殊使用场合，最 后一种是型号产品，该系统的显著优点是浅海定位性能优良，即使对于水平 方向( 目标俯仰角为o o ) 的目标，定位精度仍优于3 斜距，浅海作用距离达到 3 k m ，可实时给出3 个目标的轨迹。 中科院声学所、厦门大学、6 9 7 1 厂、国家海洋局海洋技术研究所等单位 在声学定位技术领域都进行过广泛研究。 1 2 2 声学定位技术的新发展 ( 一) 联合式声学定位系统 为了解决水下仪器导航定位的问题，国外一些研究人员已经尝试研制出 了一些联合式的声学定位系统，主要是3 种声学定位系统的不同组合，例如 l u s b l ，l s b l ，s u s b l ，l s b l u s b l 等等，一种联合式定位系统的作业 模式如图1 2 所示。 图1 2 联合式声学定位系统 最近s o n a r d y n e 公司宣布在配备了该公司的双重的l u s b l 定位系统后， 深海发现者号( d i s c o v e rd e e ps e a s ) 已于2 0 0 3 年11 月在墨西哥弯( g u l fo f 哈尔滨工程大学硕士学位论文 m e x i o ) 创造了新的深潜记录，下潜达到了3 0 5 1 m ，这种联合式的定位系统集 合了长基线定位系统和超短基线定位系统的优势，即保证了定位精度独立于 工作水深，又兼有超短基线定位系统操作简便的特点，组合系统能够实现载 体连续的、高精度的导航定位，工作水深可以达到6 0 0 0 m ，作用范围超过 4 5 0 0 m ，若采用c a s i u s 校准程序并配备高分辨率的v r u 和g y r o 传感器， 系统的定位精度可以达到作用距离的0 2 。 ( 二) d v l n a v 导航定位系统 最近出现一种新型的水下导航定位模式，该导航定位模式实际上是声学 定位系统的进一步发展，可以简单的概括成是水声定位系统与多传感器进行 联合的一种水下导航定位方式，大家简称它为d v l n a v 。系统一般需要包括 以下的组成部分：底跟踪多普勒计程仪、电罗经、磁罗经、压力传感器、高 度计、d g p s 以及长基线定位系统等。2 0 0 2 年以来美国w o o d sh o l e 海洋研 究所已经将该定位模式应用到了a l v i n 号深潜器，6 5 0 0 m 水下遥控机器人 d s l 1 2 0 a 和j a s o n 2 及j h ur o v 上。2 0 0 2 年9 月j a s o n ) 深拖系统在j u a nd e f u c a 海脊、坐标北纬4 8 度、西经1 2 8 度区域下潜2 6 0 0 m 进行作业，工作时 间9 h ，d v l n a v 导航定位系统的定位标准偏差4 4 1 m 。”。 图1 3a l v i n 号导航定位系统构成 a l v i n 号导航系统构成如图1 3 所示，工作情况如下，每次下潜之前a l v i n 号所搭乘的母船a t l a n t i s 号首先需要在工作区进行水下长基线阵的布设，将3 个以上的信标编好号，按照一定的几何图形投放在工作区内，投放的信标即 可以作为长基线定位系统的定位基点又可以作为超短基线定位系统的应答 器，信标投放以后，首先利用母船上的差分定位系统和超短基线定位系统对 6 一一一一； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其进行精确定位，如此便可获得长基线定位系统水下基点的大地坐标，完成 基线阵的布设工作。长基线定位系统的控制及处理单元安置在a l v i n 号深潜 器上，在下潜之前，将超短基线定位系统获得的长基线水下基点的准确坐标 输入长基线定位系统的处理单元，另外在a l v i n 号深潜器上配备的底跟踪多 普勒计程仪、电罗经、磁罗经、压力传感器、高度计等与长基线定位系统组 成联合的水下导航定位系统。当a l v i n 号下潜快接近海底时，长基线定位系 统开始工作，底跟踪多普勒计程仪进行海底跟踪，其它的传感器也同时开始 工作，水下联合导航定位软件系统接收来自长基线定位系统以及各个传感器 的数据，实时进行综合处理。d v l n a v 导航定位系统是一个高更新率、高精 度的水下导航定位系统，交互式的用户界面将实时显示出多种信息，包括载 体坐标、运动速度、姿态、所处水深、离底高度、行走航迹等等，实现水下 潜器的实时导航定位。d v l n a v 系统具有良好的兼容性，除本身所包含的高度 计、压力传感器等，还可与海底温度探针、声速探头、磁力仪、c t d 等设备 组成联合的海底探测系统，实现对深海的综合勘测调查“”。 此外，永下g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m - - g p s ) 定位系统也是水声 定位系统的种，该技术可用于潜艇定位，进行爆炸性军火处理( e o d ) ，即 处理在战争中投放在海中没有爆破的哑弹，还可以用于水雷对抗等许多领域 中。水下g p s 系统是利用空间g p s 系统在海洋中布放一系列声纳浮标，形 成网格，在水面用空间g p s ，在水下用水声通信。 在人类对海洋进行探索和研究工作中导航定位技术一直是一项重要的研 究内容，从目前来看，声学定位系统( a c o u s t i cp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是水下导航 定位的主流。随着人类对海洋研究开发工作的深入开展，人们必将进一步的 走向大洋深处，所采用的研究手段会越来越多，载人深潜器、水下机器人、 海底照相、摄像系统、电视抓斗系统以及其它各种探测设备等等，水下高精 度的导航定位是实现深海高精度，高效率科研和生产活动的前提，适应新的 形式下所提出的更高的要求，声学定位系统之间的联合、声学定位系统与其 它传感器联合以获取载体在深海工作时的更多信息，实现更广意义上的水下 导航定位已经成为声学定位技术发展的必然趋势。 啥尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 论文研究的主要内容与目的 本文研究的主要目的就是针对国家8 6 3 项目的“堤坝安全检测机器人” 的需要，研制套水声定位系统。机器人在水下航行时需要定位系统辅助导 航，在机器人检测到目标时可以随时记录目标所在位置，所以水声定位系统 是机器人必不可少的一部分。论文主要工作是硬件系统的设计与实现，以及 算法研究。 论文主要有以下几方面工作： 1 研究分析水声定位的几种方法，设计论证定位系统的方案，根据研 究分析确定系统的各项指标参数，以及具体实现方法。 2 ，根据论证的系统方案，设计并实现水声定位系统的信号源，包括信 标的设计、信号源硬件的实现。 3 水声定位系统接收机的设计与实现。硬件设计与调试，包括模拟信 号的调理、数据采集、d s p 数据处理以及软件编程等。 4 对整个系统进行联调，进行实验，验证整个系统，最后实现水声定 位。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章水声定位原理 水声定位按基线长度分为长基线定位、短基线定位和超短基线定位，按 工作方式又分同步和非同步定位。下面介绍几种定位的原理和方法并给出堤 坝安全检测机器人的定位方案。 2 2 水声定位原理概述 在水声定位系统中，根据所实施的原理和测量手段不同，又分为“方位 方位”、“方位距离”和“距离距离”三种测量系统，大部分长 基线、短基线系统都属于后者。距离测量水声定位系统是通过测量水下声源 所辐射的声信号从发射到接收所经历的时间及声速来确定声源到各接收点的 距离，从而实现对目标进行定位的。通常采用的工作方式主要有两种：“同步 式”定位系统和“应答式”定位系统 1 2 j 。 按照基线长度的不同，水声定位系统又分为三类：长基线系统( l o n g b a s e l i n ep o s i t i o n i n gs y s t e m ) 、短基线系统( s h o r tb a s e - l i n ep o s i t i o n i n g s y s t e m ) 和超短基线系统( u l t r as h o r tb a s e - l i n ep o s i t i o n i n gs y s t e m ) 。 长基线水声定位系统的基阵长度在几公里到几十公里的量级，通过测量水下 目标声源到各个基元问的距离确定目标的位嚣。具有定位覆盖面积大，定位 精度高的特点，几公里的定位误差可能控制在1 0 米以内，但基阵的布放、标 校和回收工作量较大。短基线水声定位系统的基阵长度一般在几米到几十米 的量级，利用目标发出的信号到达接收阵各个基元的时延或时延差，解算目 标的方位和距离。超短基线定位系统的基阵长度一般小于或等于半个波长， 它与前种不同，利用各个基元接收信号间的相位差来解算目标的方位。使用 极为方便，但由于工作原理不同于上述两种系统，其定位精度不太理想，在 要求高精度定位时使用受到一定限制”。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 长短基线系统定位精度曲线 图2 1 是长短基线系统定位精度曲线，容易看到随着距离的增加，定位 误差随之逐渐增大。其中，短基线系统的误差增长远快于长基线系统，但在 五百米距离以内，短基线系统的精度高于长基线系统。 若按照工作方式来划分，以上三种定位系统都可以选择使用同步信标工 作方式或应答器工作方式。采用同步信标工作方式，要求在待测目标或测量 船上都安装高精度同步时钟系统，信标按规定的时刻定时发射信号，并据此 确定目标位置。应答器工作方式要求在应答和测量船上都安装询问( 应答) 发射机和接收机0 1 。 对于同步式定位系统，为了确知声源发射信号的时间，常用的方法是： 在测量船上安装同步对时设备，在每次开始测量之前，首先对声源的时钟( 安 装在运动目标上) 与接收系统进行同步对时，在试验过程中，安装在运动目 标上的声源周期性地辐射声脉冲信号，经测时装置测出信号从发射到接收所 经历的时间，送给计算机，以确定出声源( 目标) 相对于接收基阵的空间位 置。与应答式系统相比，这种系统在设备上比较简单，但对时钟的要求比较 高，而且数据率易受距离模糊影响和限制。 同步对时虽然可以达到很高的精度，由于声源和接收系统的时钟的精确 度和稳定度都是有限的，稳定度有限使得对时误差逐渐增大，出现时钟偏差 累积现象，以至于定位精度随着时间的增长而降低，稳定度有限还会引起时 钟的扰动偏差，从而影响定位精度，尤其是当测量船临时断电时，二者的时 钟将完全失去同步，使得纯同步定位软件失效，进而导致导航或该次航迹测 量试验失败，所以时钟和电源对同步定位很重要。 水声定位系统主要是利用水下合作目标发射的脉冲信号到达各个阵元的 时延( 或时延差) 信息进行方位及距离( 或距离差) 的测量b 8 】d ，从而实现 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对目标进行定位的。每一阵元时间测量确定声源所在一个球砸，即： ( x ，一x 。) 2 + ( 一y ，) 2 + ( 弓一z 。) 2 = c 2 ( t 一) 2 i = l ，2 ，n ( 2 1 ) ( 2 1 ) 式中( x 。y ，z ，) 和f ，分别是第f 个基元的空间位置和第j 个阵元接 收到信号时刻相对于接收机时钟的时间，( x ；，y ，z 。) 和r 。分别为声源( 目标) 空 间坐标和信号发射时刻相对于接收机时钟的时间，c 为声波在水中的传播速 度。 根据声源时钟和接收机的时钟是否完全同步又可分为同步和非同步两 种。同步方式采用球面交汇模型，非同步方式采用双曲面交汇模型求得定位 解1 2 0 】。 2 3 同步定位原理 对于同步式定位系统，声源、发射信号和接收机时钟同步，即t s 一0 。 这时 2 j ) 式的模型变成如下形式： ( x ，一x ，) 2 + ( y f 一_ ) ，) 2 + ( z f z ，) 2 = c 2 t t i = l ，2 ， n ( 2 2 ) 其中只有( x ，y ，) 为未知量，其余均为已知量。显然，( 2 2 ) 式的模型 是个“球面交汇模型”。众所周知，两个球面相交成一圆，三个球面相交于两 点，一般来讲，四个球面相交即可确定出空间的一个唯一点。这就是同步式 水声定位系统的基本原理。 当目标深度z 先验已知时，( 2 2 ) 式的“球面交汇模型”蜕化为“圆交 汇模型”。两个圆相交于两点( 相切时为一点) ，若有第三个圆方程，即可确 定平面上一个唯一点。 根据上述“球面交汇模型”或“圆交汇模型”，有两种算法均可求解声源 ( 目标) 位置：线性解法和非线性解法。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 1 同步线性算法 当n = 4 时，模型表达式( 2 2 ) 可以表示成如下形式 ( 墨一x s ) 2 + ( _ y 1 - y s ) 2 + ( z 1 一z s ) 2 = c 2 砰 ( 2 - 2 a ) ( x 2 一x 8 ) 2 + ( y 2 一y s ) 2 + ( z 2 一z s ) 2 = c 2 f ； ( 2 2 b ) ( x 3 一x s ) 2 + ( y 3 一y s ) 2 + ( 毛一z s ) 2 = c 2 b 2( 2 。2 c ) ( x 4 一x s ) 2 + ( _ y 4 一y s ) 2 + ( z 4 一= s ) 2 = c 2 _ 2 ( 2 2 d ) 各变量的物理含义如前所述。 把上面方程括号展开后，用( 2 2 a ) 式分别减去( 2 2 b ) ，( 2 2 c ) 和( 2 2 d ) 式，整理后得到下面的线性方程组： 2 ( x ，一x 1 ) x ，+ 2 ( y ，一y 1 ) y ，+ 2 ( z ，一z j ) z , = ( # 十订+ 才) 一( 砰+ 衍+ 彳) + c 2 ( f ? 一# ) 三个未知数，三个线性方程。把它们改写成矩阵形式为： x = bsys zs 1 x 2 一x ly z y l 乞一z l 彳= 2 f 码一_ y 3 一y lz 3 一毛f l x 4 一z 1y 4 一y lz 4 一毛j b 2 k 一砰+ _ 2 一芎一矸+ 干一芎刃一露+ 寸一砰】r d j = 斌+ 记+ t r | = c t ? 只要a 的逆矩阵存在，即可求得组唯一解。 z = a 一1 b ( 2 6 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 若目标深度z s 先验已知，求解可简化，只要三个阵元收到信号即可。不 失一般性，假设序号为1 ，2 ，3 的三个阵元收到信号。( 2 - 4 ) 的矩阵方程简 化为： c x = d ( 2 7 ) 其中， x = ky s r c ：2 lx 2 一x l y 2 一_ y 1 i x 3 一一 y 3 一y l j d = k ；一学一2 2 2 乃一d ? + _ 2 + 2 气如霹一寺一2 z ，z 。一d ? + z + 2 毛z 。 7 只要c 的逆矩阵存在，即可求得目标位置的唯一解。 x = c 一1 d ( 2 8 ) 2 3 2 同步非线性算法 当目标深度未知时，若只有三个浮标收到信号， 非线性解算方法。方法如下： 将( 2 7 ) 的矩阵方程改写为： a x + b y ；d 其中，z = i x 。】 线性解法失效，可采用 一e 刭l x3 一x lj b ：2 iy 2 一y 1 乇。l l y 3 一y l2 3 一z l j 】，= 队知r d - - d ；一磅一d ；+ f i 2 d ；一蠢一d ；+ 本1 如果矩阵b 可逆，由( 2 9 ) 式解得： ( 2 9 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 y = 一b 一1 a x + b d = 一b 一( a x d 1 ( 2 1 0 ) 将公式( 2 1 0 ) 代入公式( 2 2 ) 中的任意一个球面方程，即可得到一个 以x s 为变量的一元二次方程，解该方程得到两个解，再带回( 2 1 0 ) 式，可 得到一组双解。 当深度已知时，只有两个未知量，用两组非线性方程即可求得一组双解。 用第三个方程判双解，即可得到一个唯一解。由两个圆