第六章——声学定位及综合导航.ppt

Chapter6水声定位及综合导航AcousticPositioningandSyntheticNavigation,赵建虎,本章内容,概述长基线定位系统短基线定位系统超短基线定位系统Doppler声纳其他定位系统参考文献本章重点,6.1概述,水声定位系统主要用于测量水下或水面运载工具（如潜艇、船只等）位置的一种定位系统，对于军事和民用均具有很重要的应用价值，主要应用于如下几个方面：侧扫声纳拖鱼位置的确定。拖鱼位置的传统确定方法是通过船位、拖线长度和概略方位通过推算获得的，其地貌图像位置精度很差。若利用超短基线系统为拖鱼定位，则可以对其地貌图像实现准确配准，用于水下地貌的准确反映以及目标的发现和定位。,为水下机器人定位（AUVROV）现代水下勘查或水下目标发现识别和定位需要将一系列扫测设备（水下相机、多波束、侧扫声纳等）固定在水下载体上，即AUV或ROV，若AUV没有精确的瞬时精度，扫测成果的精度将难以保证。,为水面上或水体中目标定位。若潜艇、水面船只上安装该设备，则可以为特殊地区(无法或不能进行GPS定位)情况下运动载体进行定位。开发出高精度定位的水下DGPS系统，建立水下立体高精度定位系统，解决深拖、ROV(RemotelyOperatedVehicle)、深海载人潜器以及各种取样器和特殊水下工程的水下高精度定位问题。,水下声学定位目前常采用的系统主要有：长基线定位系统短基线定位系统超短基线定位系统在实际应用中，由于单一定位系统的缺陷，需要将几个系统联合起来，保证定位或导航结果的正确性，即组合导航,6.2长基线声学定位系统,通常在海底布设3个以上的应答器Ti，以一定的图形组成海底基阵，如三角性或四边形。基线长度按照作业区域确定。运载工具位于基阵内，测量到Ti的距离而确定点位。长基线的定位精度比较高，一般可达到5m20m，最大测程为5km，定位方式有两种：单向测距：此时Ti为声标，它以一定的重复频率发射声脉冲。双向定位：此时Ti为应答器，仅在被其他声源询问时才发射声信号。,设应答器Ti和待定点P在空间坐标系下的位置分别为：,其观测距离i可描述为：,当i3时，存在多余观测，线形化上式，可获得点位的最小二乘解。,长基线定位：,船载换能器,水下声标,用T1、T2、T3三点的坐标计算距离s1、s2、s3。计算角度a,i=3时，采用直接解法。,计算待求点在局部坐标系下的坐标（xp、yp、zp）,计算旋转距阵,计算待求点在统一坐标系下的坐标,短基线声学定位系统只需要一个水下声学信标和安装在船上的一组（3个或更多）转发换能器。短基线有三种定位方式：声信标工作方式应答器工作方式响应器工作方式,6.3短基线声学定位：,短基线定位系统：,测量T到H1和H2的时间差为t1=t1-t2，测量T到H2和H3的时间差为t2=t2-t3则产生的距离差为vt1和vt2，则相应的角度x、y和z为：,声信标工作方式（测时差/相差定位方式）,则声标T相对船位的坐标x、y为：,该系统通常用于深海采矿和钻井工程动态定位，声标常设置在井口上方，因此，水平位移较小x和y接近为90,而z接近为0,则有：,声标相对船位P在高斯投影面上的增量X和Y为：,船位P的高斯坐标为：,应答器工作方式（距离距离）,该工作方式是把设置在海底的声信标改换为换能器。此外，作业船只上要增加主动询问应答器系统和更加复杂的处理回答信号的设备，这样可测量出船只至应答器的距离R和方位，并确定船位。,使用应答器的主要优点在于：可测量出传播路径的绝对时间，因此应答器的三维空间坐标，在没有任何简化和假设的情况下，就能获得，从而使系统的作用范围可以大大的扩大。在多个参考源工作时，按顺序进行询问，便于控制。应答器未被询问时，不发射，可节能。便于回收应答器,响应器工作方式,响应器是通过电缆与测量船相连接的。响应器的发射是由测量船控制的。触发一次，测量一次。响应器的工作方式与应答器的工作方式基本相同。不同之处在于询问应答是声路径，而响应应答是电路径，因而计算作业船到响应器的距离仅使用单程传播时间。与应答器的工作方式相比，该方法的电路径询问干扰小，可靠性好；缺点在于需要电缆连接。,相对长基线声学定位系统，短基线声学定位系统的定位精度要低得多，主要因为：,三个听声器Hi靠的非常近，定位图形的几何强度比较差；作为测量平台船只，受风浪等因素影响，易造成测量误差；测量3条斜边受到相同噪声场的影响，系统误差较大。,6.4超短基线声学定位：,超短基线系统与短基线系统的区别仅在于，船底的水听器阵以彼此很短的距离（小于半个波长，仅几厘米）按直角等边三角形布设，装在一个很小的壳体内。因而，相对短基线，超短基线系统可以安装在较小的船上。,用脉冲声波测时法测量T到H2的距离，用比相技术测量到达H1、H3、H4和H2相位差x，y、z,则船位P到应答器T的方向余弦为：,则应答器T相对船位P的坐标x、y、z为：,6.5Doppler声纳,类似于卫星Doppler测量，船上的声波发射器倾斜着向海底发射频率为fT声波，经反射得到声波频率为fR，设船速为v1，则fR为：,则船速为v1为：,Doppler与fT成正比，为获得足够高的频移测量分辨率，fT需采用100Hz或更高的频率的声波。声波衰减与频率成正比，频率越高，衰减越厉害，传播距离越短，因而该系统仅适用于几百米水深的海域中。,6.6其它声学定位系统,被动Doppler定位系统这种系统在海底埋没三个信号标，每一个信号标发射不同频率的连续波，船只移动时，由信号标来的信号产生了多普勒频移，积分多普勒频移就能获得船的位移，从而获得相对定位。这种系统可以分米级的相对定位精度。其缺点时连续发射的信号寿命短，接受装置复杂以及需要船的出始位置。,脉冲多普勒系统这种系统把长基线系统和被动多普勒定位系统结合起来，海底埋没的信号标能够发射连续脉冲波信号，船的初始位置用距离空间交会确定，距离是通过测量脉冲信号的时间延迟获得。在两次信号脉冲之间，船移动的相对位置是用被动多普勒定位方式确定。这种定位方式可以获得很高的定位精度。缺点仍然是信号寿命短，接受装置复杂。,声波双曲线定位系统类似于双曲线定位系统，在海底埋没3对独立的信号标，船上分别测量它们所发射信号的时间差，确定以一对信号标位焦点的双曲面。3个双曲面就能确定一点的空间位置。如果定位点在海面上，根据已知的海面形态，两个这样的双曲面就足够了。这种系统仍然由上面系统的缺点。因此，所有这些系统没有得到广泛的应用。,参考文献,海洋测绘徐德宝等，2000海洋测绘天津，海军测绘研究所测绘学概论，宁津生等，2004第四版海道测量学，叶久长，刘家伟编著，海潮出版社，1993，北京