第4章_长基线水声定位系统(LBL)

长基线水声定位系统(LBL)介绍。很好的学习资料。

水下定位与导航技术第四章 长基线水声定位系统

2013-2-19

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4.1 引言 组成结构及原理(工作过程) 应用 水下施工 海底电缆铺设 海上石油勘探 水下载体定位方面有广泛的应用。

还可与GPS一起，完成水下机器人的高精度绝对定位。基线：是以应答器构成的，通常应答器的应答距离为10~20公里 特点：利用海底应 基线安装的位置：海底

长基线、短基线和超短基线系统的区别

定位方法：长基线利用海底应答器阵来确定载体的位置 答器阵来确定载体 的位置----相对于 记录询问时刻和各应答器应答信号到达时刻位置坐标：定位的坐标是海底应答器阵的相对坐标 应答器的频率：各个应答器的回答频率不同 定位目标、使用条件：确知应答器阵的绝对地理位置2 2013-2-19

海底应答器阵的相 对坐标。

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4.1 引言基线长度 (m) 长基线 100~ 换能器(信标) 已知海底应答器阵的绝对地理位置，求各个应答器到被定位的对 LBL 6000 水域中 象的距离(测量时间) ,利用球面交汇，解算被定位对象的位置。 各个应答器的回答频率不同，各个应答器的回答频率也不同。 短基线 1~50 换能器布放在船 测量各阵元到被定位的对象(目标)的距离(测量时间) ,利用球 SBL 超短基线 USBL <1 的前后和左右 面交汇，解算被定位对象的位置。 船上(载体上) 通过测量两两阵元接收应答器(信标)应答信号的相位差，来解 基阵 算目标位置的。 基线位置 应用

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4.1 引言 组成结构及原理 浮标形式的长基线系统 长基线系统的基元也可以是水 面无线电浮标。此时被定位的 目标上装有同步或非同步声信 标，诸基元接收的声信号需调 制为无线电信号发到一只母船 上进行处理，从而完成水下目 标的定位。由于无线电浮标在 海面上不固定，因此必须利用 装载其上的GPS接收机定时地 测定自身位置，与定位信号一 起发至母船。

换插图？?

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4.1 引言 本章要解决的问题 本章主要研究利用海底应答器的长基线水声定位系统，利用无线电浮标的长基线系统基本原理是相同的。 长基线系统的几种应用模式(定位解算时，依定位模 式的不同获取水声传播距离的方式也有所不同。) 海底应答器的标校(定位系统的阵元为应答器，因此

应答器的位置测量精度对定位精度有直接影响) 跟踪定位算法 应用实例介绍。5 2013-2-19

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4.2 几种应用模式 舰船导航模式 长基线有缆潜器(TTS)导航模式

(Tetherd Submersible) 长基线无缆潜器(FSS)定位模式 (Free Swimming Submersible) 母船询问的长基

线FSS定位导航模式 长基线同步鈡FSS定位导航模式

舰船导航模式、有缆潜器导航模式以及无缆潜器 导航模式。

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4.2 几种应用模式 舰船导航模式 1)定位对象为水面舰船舰上问答机发出询问信号， 频率 为F3 (通常为一个)

系统组成 工作原理问答机与应答器的距离 (多个)统一记成 R1F41 F42 应答器的回答频率(多 个)统一记成 F4 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。7 2013-2-19

F43

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4.2 几种应用模式 舰船导航模式 2)定位对象为有缆潜器依据同样的方法可以确 定另外2个应答器到TTS 的单程传播时间 T1、T3

系统组成 工作原理设：询问时刻为0,船 上问答机接收应答信号 时刻为t1=2R1/c ,TTS 收到应答信号时刻为 t2=T1+T2。从应答器到 TTS的单程传播时间为

F3 T2

T1=t1/2 F4

t1 T2 t 2 2

R2 c T28

应答器与TTS的距 离(多个)2013-2-19

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4.2 几种应用模式 舰船导航模式--简化模型由于被定位目 标(水面船) 到应答器的单 程传播时间的 求解方法一样。 因此，可以简 化表示。

F3R1i F4

F3 F4

图中船上问答 机询问信号用 F3表示(通常 只有一个频 率),应答器 回答信号用F4 表示(实际上 有几个应答器 就有几个回答 频率)。2013-2-19

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4.2 几种应用模式 长基线有缆潜器(TTS)导航模式 母船上只有接收机，TTS上装有问答机。 定位对象为TTS 求TTS与T的斜距R2 工作过程 设：接收时刻t1、t2 单程传播时间T1、T2 则，t2 t1 T1 T2 F3 F4

1 T2 t 2 2

1 T1 t1 t 2 2

问答机

R2 cT2

R1 cT110 2013-2-19

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4.2 几种应用模式 长基线无缆潜器(Free Swimming Submersible -FSS)定位模式 1) 母船询问方式 前后两 页跳转

T1、T 、T T1 3

5

T5

定 位 对 象 为 FSS (TTS) 求T3→R3

T3

应答器

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4.2 几种应用模式1)母船询问的长基线FSS定位导航模式(母船讯问方式)发F1、 F3、收F4

t1 3 2 t3 2T1

t1 2T5

F44 F T1 F3

F1 →T =t /2 →R 5 1 5 F2

T3 F3 →t2=T5+△ t3+T3+T112

△t3 应答器

F2、F3、F1

应答器F4、F3

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4.2 几种应用模式 长基线无缆潜器(Free Swimming Submersible -FSS)定位模式 1) 母船询问方式 前后两 页跳转

T1、T 、T T1 3

5

T5

定 位 对 象 为 FSS (TTS) 求T3→R3

T3

应答器

t1

接收机顺次收到回 波的时间为t1 、t2 、 t3 2T t 2T5

T1、T3、T5R1、R3、R5Ri cTi13 2013-2-19

3

1

t 2 T5 t 3 T3 T1

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4.2 几种应用模式 长 基 线 无 缆 潜 器 ( Free Swimming Submersible -FSS)定位模式t1 t2 t3 T1 T5 F4 F2

2)长基线同步鈡FSS定位导

航 (FFS询问方式) FSS发出讯问信号(F2), 母船接收时刻为t1; 在间隔△ t3 时间后，FSS发 出讯问信号(F3),应答器 接收，并回答(F4),母船 接收时刻为t2; 问答器发出讯问信号(F3), 应答器回答(F4),母船接 收时刻为t3;14

T3

F3

t1 T5

t 2 t3 T3 T1

t3 2T1T3 t 2 t3 T1 R3 cT32013-2-19

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4.2 几种应用模式2)长基线同步鈡FSS定位导航模式

注意：设计一个工 作模式主要是考虑 能够求得各个距离。

问答机在t2时刻接收到 T发出来的信号

问答机在t1时刻接收 到FSS发出来的信号

t2 t3 T3 T1?问答机在t3时 刻接收到T的 应答信号

T1

F4 F3

T5 t1F2 间隔 t3

T3

F3

t3 2T1

T3 t 2 t3 T115

R3 cT32013-2-19

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4.3 海底应答器阵的校准 校准的目的：布放应答器时有误差≠GPS的数据。 本节提到的校准方法，即测量应答器的相对坐标，可以没有 GPS数据，在有GPS数据后可以得到应答器的绝对坐标，还 使校准方法简单化，可以绕着应答器航行，可以利用超短基线 +GPS初步确定应答器的位置，在通过解斜距方程，精确确 定应答器的位置。

两个应答器的情况 三个应答器的情况 用于4边形应答器阵的两种校准方法 1)条件方程法 2) 坐标变动法16 2013-2-19

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4.3 海底应答器阵的校准 两个应答器的情况 简单的方法是在应答器布 放时利用无线电定位或 应答器1 GPS记下投放点的位置。 也可利用船上问答机与应 答器连续进行应答，测量 问答机与两应答器的距离。 当两距离之和达到最小时， 此最小值即为两应答器间 的距离。R1 问答机 h R2应答器2

X xi Y yi 217

2

h cti , i 1,2,...,62 22013-2-19

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4.3 海底应答器阵的校准 三个应答器的情况 x y z R2 2 j i j i 2 i

2 ji

设问答机的深度 为0 在D、E、F点测 量应答器的深度 在A、B、C点测 量到三个应答器 之间的斜距 若要用最少的应 答器得到最大覆 盖范围，则阵形 应是等边三角形(ξ 2,η 2,0)

Rji第j个测量与第i个应答器间的斜距ξ、η有5个，x2、x3、y3共有8个未知数，9个方程18 2013-2-19

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4.3 海底应答器阵的校准 四个应答器的情况 1)条件方程法 4个应答器构成的4边形共有6根连线： 4个边和两个对角线。对这些连线进行 测量。由于4边形只要5个值便可唯一 A 确定，因而第6个量是冗余的。A8 A1 D A6 A7 A5 A4 C

XA3 A2 B

思路：1)已知两两应答器间的斜距和各应答器的深度。

2)将斜距投影水平面3)利用一个水平的四边形去拟合由4个应答器构成的投影4边形，找出最佳拟合

四边形。 4)利用余弦定理和已知边长，计算水平面内的各个角度，角A1~A8。

5)计算的结果应满足角度的集合关系，不满足的适当调整角度使之同时满足角 度和边的关系。19 2013-2-19

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