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1、水下定位与导航技术水下定位与导航技术第三章第三章 超短基线水声定超短基线水声定位系统位系统8/24/202418/24/20243.1 引言引言oo 组成结构：组成结构：组成结构：组成结构：n发发射射换换能能器器和和几几个个水水听听器器可可以以组组成成一一个个直直径径只只有有几厘米几十厘米的水听器基阵，称为声头。几厘米几十厘米的水听器基阵，称为声头。n声声头头可可以以安安装装在在船船体体的的底底部部，也也可可以以悬悬挂挂于于小小型型水面船的一侧。水面船的一侧。 oo超短基线系统定位解算方式超短基线系统定位解算方式超短基线系统定位解算方式超短基线系统定位解算方式 n非同步信标方式非同步信标方式
2、n应答器方式应答器方式 n响应器方式响应器方式n带有深度的应答器带有深度的应答器/响应器方式响应器方式 28/24/2024超短基线系统的几种定位解算方式超短基线系统的几种定位解算方式超短基线系统的几种定位解算方式超短基线系统的几种定位解算方式（测测量量声声线线入入入入射射射射角角角角） （ a a ）信信信信标标标标方方方方式式式式（距距距距离离离离和和和和角角角角度度度度）( (b b) ) 应应应应答答答答器器器器方方方方式式式式（单单单单程程程程距距距距离离离离和和和和角角角角度度度度）( (c c) ) 响响响响应应应应器器器器方方方方式式式式( (d d) ) 有有有有深深深深度度
3、度度的的的的应应应应答答答答器器器器/ /响响响响应应应应器器器器方方方方式式式式oo一类是根据声线一类是根据声线一类是根据声线一类是根据声线入射角入射角入射角入射角和和和和已知已知已知已知深度深度深度深度进行位置解算进行位置解算进行位置解算进行位置解算oo另一类则是根据测量的另一类则是根据测量的另一类则是根据测量的另一类则是根据测量的距离距离距离距离和和和和声线声线声线声线入射角入射角入射角入射角进行定位解算。进行定位解算。进行定位解算。进行定位解算。已知已知将测得的斜距、将测得的斜距、入射角与深度组入射角与深度组合，从而提高定合，从而提高定位精度。位精度。 38/24/20243.2 入射
4、角和深度方式（非同步信标入射角和深度方式（非同步信标信标方式）位置解算信标方式）位置解算oo结构及定位解算图：结构及定位解算图：结构及定位解算图：结构及定位解算图：n3个水听器摆成个水听器摆成L型。型。oo位置解算：位置解算：位置解算：位置解算：n信标位置信标位置( (Xa,Ta,Za）n3个水听器按个水听器按L型布型布置，间距为置，间距为d 。d48/24/20243.2 入射角和深度方式（非同步信标入射角和深度方式（非同步信标信标方式）位置解算信标方式）位置解算R与信标的坐标与信标的坐标Xa,Ya及深度的关系为及深度的关系为而而从而解得从而解得mx , my是通过相位差测量而得到的是通过相
5、位差测量而得到的 58/24/20243.2 入射角和深度方式（非同步信标入射角和深度方式（非同步信标信标方式）位置解算信标方式）位置解算因此有因此有两个水听器接收信号的相位差两个水听器接收信号的相位差与与信号入射角信号入射角m的关系为的关系为由于基阵尺寸甚小，可认为是远场接收的情由于基阵尺寸甚小，可认为是远场接收的情况，即入射到所有基元的声线平行。况，即入射到所有基元的声线平行。 68/24/20243.2 入射角和深度方式（非同步信标入射角和深度方式（非同步信标信标方式）位置解算信标方式）位置解算算法小结算法小结 先测得两换先测得两换能器接收信能器接收信号的相位差，号的相位差，然后利用公然
6、后利用公式解算信标式解算信标在船坐标系在船坐标系下的位置坐下的位置坐标。标。78/24/20243.2 入射角和深度方式（非同步信标入射角和深度方式（非同步信标信标方式）位置解算信标方式）位置解算 ，r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。标方位角给出。 在水平面内以极坐标形式给出在水平面内以极坐标形式给出88/24/2024应答器T3.3 入射角与距离算法入射角与距离算法（应答器或响应器方式）（应答器或响应器方式）oo目标斜距目标斜距目标斜距目标斜距n若使用应答器代替信标若使用应答器代替信标oo通过相位测量得
7、到角度，通过相位测量得到角度，通过相位测量得到角度，通过相位测量得到角度，直接求出位置坐标直接求出位置坐标直接求出位置坐标直接求出位置坐标oo应答器深度应答器深度应答器深度应答器深度若使用若使用响应器响应器98/24/20243.4 超短基线定位系统定位误差分析超短基线定位系统定位误差分析oo一一一一般般般般，误误误误差差差差以以以以水水水水平平平平位位位位置置置置误误误误差差差差与与与与斜斜斜斜距距距距之之之之比比比比度度度度量量量量（相对误差）。（相对误差）。（相对误差）。（相对误差）。oo误误误误差差差差分分分分析析析析的的的的目目目目的的的的：分分分分析析析析应应应应答答答答器器器器在
8、在在在基基基基阵阵阵阵坐坐坐坐标标标标系系系系下下下下的的的的位位位位置置置置解解解解算算算算误误误误差差差差，即即即即求求求求XaXaXaXa、YaYaYaYa、ZaZaZaZa分分分分别别别别为多少？为多少？为多少？为多少？oo分析方法：分析方法：分析方法：分析方法：108/24/20243.4 超短基线定位系统定位误差分析超短基线定位系统定位误差分析ooXXa a、Y Ya a、Z Za a的求解公式的求解公式的求解公式的求解公式 oo以以以以XX的定位误差为例，对的定位误差为例，对的定位误差为例，对的定位误差为例，对XXa a求全微分有求全微分有求全微分有求全微分有118/24/202
9、43.4 超短基线定位系统定位误差分析超短基线定位系统定位误差分析oo位置测量的相对误差表示式位置测量的相对误差表示式位置测量的相对误差表示式位置测量的相对误差表示式 位置相对位置相对定位精度定位精度n斜距斜距R和和的相对误差的相对误差 ：由：由 和和 有有有有n代入上式可得代入上式可得oo以水平位置精度与斜距之比来衡量定位精度时有以水平位置精度与斜距之比来衡量定位精度时有以水平位置精度与斜距之比来衡量定位精度时有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斜距相对定位精度定位精度 128/24/20243.4 超短基线定位系统定位误差分析超短基线定位系统定位误差分析oo在各项误差认为互
10、相独立的情况下，相对于斜距在各项误差认为互相独立的情况下，相对于斜距在各项误差认为互相独立的情况下，相对于斜距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，的位置均方误差记为，的位置均方误差记为，的位置均方误差记为， 即即即即 类似地，可得到类似地，可得到类似地，可得到类似地，可得到o结论：信标或应答器在基阵的下方时，定位误差结论：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。主要来源于相位测量误差。138/24/20243.4 超短基线定位系统定位误差分析超短基线定位系统定位误差分析oo分析：分析：分析：分析：n第一项：声速引起的误差第一项：声速引起的误差n第二
11、项：测时误差引起的误差第二项：测时误差引起的误差n第三项：阵元间距不准引起的误差第三项：阵元间距不准引起的误差n第四项：相位测量误差引起的误差，与角度第四项：相位测量误差引起的误差，与角度mx , my有关：有关：o当当 接近接近 90（即信标或应答器在基阵的下方）时，相位差很小，前（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。项影响很小，相位测量误差起主要作用。o随随mx , my 减小，前减小，前3项影响加大项影响加大o当信标或应答器在靠近基阵所在平面当信标或应答器在靠近基阵所在平面 (即角度很小即角度很小)时，因有反射声时，因有反射声影响，精度也难
12、保证。影响，精度也难保证。oo结论：结论：结论：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oo 改进措施：加大基阵尺寸；采用宽带信号改进措施：加大基阵尺寸；采用宽带信号改进措施：加大基阵尺寸；采用宽带信号改进措施：加大基阵尺寸；采用宽带信号00148/24/20243.4 超短基线定位系统定位误差分析超短基线定位系统定位误差分析oo误差与误差与误差与误差与m m m m 的的的的变化关系变化关系变化关系变化关系 n注意：衡
13、量相对定位误差时，两个相对误差公式计算注意：衡量相对定位误差时，两个相对误差公式计算的量值随的量值随m m的减小的趋势是不同的。的减小的趋势是不同的。 n在只考虑相位差测量误差时在只考虑相位差测量误差时 n例：例：f020kHz，d=0.04m，c=1500m/s，h=4000m，1 表表3.1 在不同在不同m m m m下，相位差测量相对误差下，相位差测量相对误差158/24/20243.4 超短基线定位系统定位误差分析超短基线定位系统定位误差分析oo误差与误差与误差与误差与m m m m 的的的的变化关系变化关系变化关系变化关系 oo“ “跳象限跳象限跳象限跳象限” ”问题问题问题问题n“
14、跳象限跳象限”的现象：随的现象：随m m的减小，的减小，o定位精度难以保证定位精度难以保证o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，信标本应在第生变化。结果，使得计算的不正确。例如，信标本应在第I象象限，而计算结果可能是限，而计算结果可能是X、Y均为负值，误为第均为负值，误为第IV象限。结果，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“跳象限跳象限”现象。现象。 n“跳象限跳象限”的情况主要由水面反射引起，可通过信号的情况主要由
15、水面反射引起，可通过信号处理的方法解决。处理的方法解决。o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，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。存在此种问题。o现在采用宽带信号，信号处理的手段也较高，现在采用宽带信号，信号处理的手段也较高，“跳象限跳象限”的问的问题可以解决。题可以解决。 168/24/20243.5 改善超短基线定位系统改善超短基线定位系统定位精度的措施定位精度的措施 oo分析分析分析分析n不考虑声速和阵元间距误差的情况下不考虑声速和阵元间距误差的情况下o定位误差与阵元间距定位误差与阵元间距d成反比，成反比，d大则误差减小；大则误差减小
16、；o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。小。n增加增加d的限制的限制o当当d/2，阵阵元元间间最最大大相相位位差差将将会会落落在在区区间间 -, 之之外外，结结果果造造成成相相位位差差测测量量模模糊糊，致致使使位位置置解解算算发发生生错错误误。因因此此，d必必须须/2。178/24/20243.5 改善超短基线定位系统改善超短基线定位系统定位精度的措施定位精度的措施 n测时误差为测时误差为o改善测时误差可增加接收机输出信号改善测时误差可增加接收机输出信号/噪声比和带宽噪声比和带宽 o当采用当采用CW脉冲时，信号带宽与脉
17、冲宽度成反比，即，脉冲时，信号带宽与脉冲宽度成反比，即，o而匹配滤波器输出信而匹配滤波器输出信/噪比为噪比为 o因此有因此有n测相误差为测相误差为o改善角度测量精度的方法是提高信改善角度测量精度的方法是提高信/噪比噪比 188/24/20243.5 改善超短基线定位系改善超短基线定位系统定位精度的措施统定位精度的措施 oo增大基元间距改善定位精度增大基元间距改善定位精度增大基元间距改善定位精度增大基元间距改善定位精度 n1、2（或（或3、4）号和）号和5、6（或（或7、8）号阵元测得的相位差为）号阵元测得的相位差为n利用利用1、4号和号和5、8号阵元测得的相号阵元测得的相位差应为位差应为n目标
18、位置坐标为目标位置坐标为n由由 位置测量误差减小到原来的位置测量误差减小到原来的d/D=1/N倍倍 ，即方位测量精度提高即方位测量精度提高N倍倍 198/24/20243.5 改善超短基线定位系改善超短基线定位系统定位精度的措施统定位精度的措施 oo增大基元间距改善定位精度增大基元间距改善定位精度增大基元间距改善定位精度增大基元间距改善定位精度 n由由nD=Nd=8d ,XaXa位置测量误差减小到位置测量误差减小到原来的原来的d/D=1/N倍倍 ，o即方位测量精度提高即方位测量精度提高N倍倍 n若原阵元间距为若原阵元间距为d=/2，n 则则n因此，要用小间距的两个基元辅助因此，要用小间距的两个
19、基元辅助判断，两个大尺度基元的相位差。判断，两个大尺度基元的相位差。 208/24/20243.5 改善超短基线定位系统改善超短基线定位系统定位精度的措施定位精度的措施 oo采用宽带信号提高定位精度采用宽带信号提高定位精度采用宽带信号提高定位精度采用宽带信号提高定位精度n需要考虑的问题需要考虑的问题o采采用用宽宽带带信信号号，不不能能用用测测相相的的方方法法，必必须须采采用用测测时时的方法，测量两个基元回波信号的的方法，测量两个基元回波信号的时延时延差。差。o测测时时误误差差与与采采样样间间隔隔有有关关，当当采采样样间间隔隔被被硬硬件件的的能能力限制时，需要采用插值法，来提高测时精度。力限制时
20、，需要采用插值法，来提高测时精度。 218/24/20243.5 改善超短基线定位系统改善超短基线定位系统定位精度的措施定位精度的措施 oo采用宽带信号提高定位精度采用宽带信号提高定位精度采用宽带信号提高定位精度采用宽带信号提高定位精度n两阵元信号的时间差为两阵元信号的时间差为n则位置坐标为则位置坐标为n测量时延的方法：相关法、前沿法（精度不高）测量时延的方法：相关法、前沿法（精度不高） 228/24/20243.5 改善超短基线定位系统定位精度的措施改善超短基线定位系统定位精度的措施 oo采用宽带信号提高定位精度采用宽带信号提高定位精度采用宽带信号提高定位精度采用宽带信号提高定位精度n假设接
21、收信号的时延为假设接收信号的时延为t0，则输入信号为，则输入信号为n参考信号为参考信号为n其其中中=B/T =B/T 称称为为调调频频斜斜率率，B为为信信号号带带宽宽。拷拷贝贝相相关关器的输出为器的输出为 238/24/20243.5 改善超短基线定位系统定位精度的措施改善超短基线定位系统定位精度的措施 oo采用宽带信号提高定位精度采用宽带信号提高定位精度采用宽带信号提高定位精度采用宽带信号提高定位精度n接收的时延值接收的时延值t0：为最大值出现的为最大值出现的时刻时刻。n相相对对定定位位误误差差：在在只只考考虑虑时时延延测测量量对对定定位位精精度度的的影影响响时，相对定位误差为时，相对定位误
22、差为n时延估计的精度：时延估计的精度：取决于采样频率取决于采样频率fs。n采采 样样 间间 隔隔 ： 令令 时时 延延 测测 量量 误误 差差 等等 于于 采采 样样 周周 期期 的的 一一 半半 ， 即即 。采样间隔应满足。采样间隔应满足 248/24/2024oo采用宽带信号提高定位精度采用宽带信号提高定位精度采用宽带信号提高定位精度采用宽带信号提高定位精度n提提高高测测时时精精度度的的方方法法：插插值值估估计计相相关峰的出现时刻关峰的出现时刻o设拟合波形函数为设拟合波形函数为o令令 则则 解得解得 258/24/2024ooArAr、BrBr代入代入代入代入r r3 3整理后得整理后得整
23、理后得整理后得 oo因为因为因为因为 ，T Ts s为采样周期，故为采样周期，故为采样周期，故为采样周期，故 上式可上式可上式可上式可写为写为写为写为oo整理得整理得整理得整理得oo由此估计出相关器输出信号的频率由此估计出相关器输出信号的频率由此估计出相关器输出信号的频率由此估计出相关器输出信号的频率268/24/2024oo最大值时有，最大值时有，最大值时有，最大值时有， oo而而而而oo因此，因此，因此，因此，oo又知，又知，又知，又知，oo故可得出故可得出故可得出故可得出k k的取值范围为的取值范围为的取值范围为的取值范围为oo通过以上诸式，可估计出相关峰的出现时刻通过以上诸式，可估计出
24、相关峰的出现时刻通过以上诸式，可估计出相关峰的出现时刻通过以上诸式，可估计出相关峰的出现时刻。278/24/2024oo小结小结小结小结t t0 0的估计方法的估计方法的估计方法的估计方法：n设拟合曲线设拟合曲线o求求k （k为非负的整数）为非负的整数） 288/24/20243.6 超短基线定位系统相位差测量方法超短基线定位系统相位差测量方法oo自适应陷波滤波器（自适应陷波滤波器（自适应陷波滤波器（自适应陷波滤波器（NotchNotch滤波器）滤波器）滤波器）滤波器）n自自适应陷波滤波器是具有一对正交权值的自适应滤适应陷波滤波器是具有一对正交权值的自适应滤波器。参考信号为波器。参考信号为n采
25、用采用LMS算法的算法的 权值迭代公式为权值迭代公式为 n误差序列为误差序列为 298/24/20243.6 超短基线定位系统相位差测量方法超短基线定位系统相位差测量方法oo利用利用利用利用NotchNotch滤波器测量信号的相位滤波器测量信号的相位滤波器测量信号的相位滤波器测量信号的相位n比较比较x(k)与与y(k) ，可得，可得n因此有因此有n自适应陷波器的带宽为自适应陷波器的带宽为 308/24/20243.6 超短基线定位系统相位差测量方法超短基线定位系统相位差测量方法oo自适应相位差估计器自适应相位差估计器自适应相位差估计器自适应相位差估计器n算法构成算法构成n两个信号的初相位：利用
26、前面的结论两个信号的初相位：利用前面的结论318/24/20243.6 超短基线定位系统相位差测量方法超短基线定位系统相位差测量方法oo自适应相位差估计器自适应相位差估计器自适应相位差估计器自适应相位差估计器n两个信号的相位差两个信号的相位差 n相位差的均值相位差的均值o利用一阶递归滤波器对各个权值进行平均利用一阶递归滤波器对各个权值进行平均o或直接对各权值进行平均或直接对各权值进行平均o相位差的均值相位差的均值 328/24/20243.7超短基线定位系统的标校超短基线定位系统的标校oo基元相位差校准基元相位差校准基元相位差校准基元相位差校准 n进行标校的目的：解决系统误差进行标校的目的：解
27、决系统误差o针对系统误差进行校准针对系统误差进行校准oo校准的方法校准的方法校准的方法校准的方法o转动基阵使利用相位差估计器测得的其中两个基元相位差为转动基阵使利用相位差估计器测得的其中两个基元相位差为0，此相位差为理论入射相位差减系统相位差。同时记录垂，此相位差为理论入射相位差减系统相位差。同时记录垂直的另外两基元的接收相位差。直的另外两基元的接收相位差。o再次转动基阵约再次转动基阵约180（垂直），再次使两个基元相位差为（垂直），再次使两个基元相位差为0，同时记录垂直的另外两基元的接收相位差。，同时记录垂直的另外两基元的接收相位差。o利用公式求解出系统的相位差。利用公式求解出系统的相位差。
28、 o定位时，在时间测量，计算信号入射角时，扣除这一附加相定位时，在时间测量，计算信号入射角时，扣除这一附加相位差。位差。338/24/20243.7超短基线定位系统的标校超短基线定位系统的标校oo基元相位差校准基元相位差校准基元相位差校准基元相位差校准 1)1)无高精度的机械转动系统时无高精度的机械转动系统时无高精度的机械转动系统时无高精度的机械转动系统时 o设理论相位差值为设理论相位差值为 21(0)21(0)和和23(0)23(0)o由电路和水听器造成的相由电路和水听器造成的相 对相位误差为对相位误差为21(e)和和23(e)o利用相位差估计器测得的两个相位差为利用相位差估计器测得的两个相
29、位差为 21 21 21(0) 21(0) 21(e)21(e) , , 2323 23(0) 23(0) 23(e)23(e)n调整调整调整基阵角度调整基阵角度，使上式为，使上式为0 0。即。即n此时测得另两阵元间的相位差为此时测得另两阵元间的相位差为348/24/20243.7超短基线定位系统的标校超短基线定位系统的标校oo基元相位差校准基元相位差校准基元相位差校准基元相位差校准 1)无高精度的机械转动系统时无高精度的机械转动系统时n将基阵转动大约将基阵转动大约180度，度，再次调整基阵角度使测得再次调整基阵角度使测得的的1、2号阵元间的相位号阵元间的相位差为差为0，此时两次坐标轴，此时两
30、次坐标轴间的夹角为间的夹角为 。于是。于是有有- 358/24/20243.7超短基线定位系统的标校超短基线定位系统的标校oo基元相位差校准基元相位差校准基元相位差校准基元相位差校准 n由由(1)、(3)式，可得式，可得n由由(2)(4)式，可得式，可得368/24/20243.7超短基线定位系统的标校超短基线定位系统的标校oo基元相位差校准基元相位差校准基元相位差校准基元相位差校准 2 2）有高精度的机械转动系统时）有高精度的机械转动系统时）有高精度的机械转动系统时）有高精度的机械转动系统时第一步：直接测量记录两两阵元的相位差第一步：直接测量记录两两阵元的相位差第一步：直接测量记录两两阵元的
31、相位差第一步：直接测量记录两两阵元的相位差第二步：将基阵转动第二步：将基阵转动第二步：将基阵转动第二步：将基阵转动180180度之后再记录这两个相位差为度之后再记录这两个相位差为度之后再记录这两个相位差为度之后再记录这两个相位差为因此可直接得到因此可直接得到378/24/20243.7超短基线定位系统的标校超短基线定位系统的标校oo基元相位差校准基元相位差校准基元相位差校准基元相位差校准 3 3）当测量不满足远场条件时）当测量不满足远场条件时）当测量不满足远场条件时）当测量不满足远场条件时 基阵未转动时测量的两阵元间的相位差为基阵未转动时测量的两阵元间的相位差为考虑到考虑到hdi，而，而x也很
32、小，经一阶近似后有也很小，经一阶近似后有因而理论相位差（近似值）为因而理论相位差（近似值）为 阵中心RiRr388/24/20243.7超短基线定位系统的标校超短基线定位系统的标校oo基元相位差校准基元相位差校准基元相位差校准基元相位差校准 3 3）当测量不满足远场条件时）当测量不满足远场条件时）当测量不满足远场条件时）当测量不满足远场条件时将基阵围绕中心转动将基阵围绕中心转动180度之度之后，再次测得两阵元的相位差，后，再次测得两阵元的相位差，记为记为 ，有，有与基阵未转动时同样的方法，可得与基阵未转动时同样的方法，可得RiRd阵中心398/24/20243.7超短基线定位系统的标校超短基线
33、定位系统的标校oo基元相位差校准基元相位差校准基元相位差校准基元相位差校准 3 3）当测量不满足远场条件时）当测量不满足远场条件时）当测量不满足远场条件时）当测量不满足远场条件时阵中心RiRd式式(1)+式式(2) 得得式式(3)和式和式(4)代入式（代入式（5） 得得408/24/20243.7超短基线定位系统的标校超短基线定位系统的标校oo超短基线系统的海上校准超短基线系统的海上校准n进行标校的目的：解决系统误差进行标校的目的：解决系统误差n标校：针对系统误差进行校准标校：针对系统误差进行校准o阵元相位误差阵元相位误差测量在水池进行测量在水池进行o阵元间距误差阵元间距误差制作基阵时保证制作
34、基阵时保证n需要的传感器需要的传感器o垂直参考设备测量基阵姿态角（纵、横摇角）垂直参考设备测量基阵姿态角（纵、横摇角），姿态传感器，姿态测量仪。，姿态传感器，姿态测量仪。o罗径测量船的航向角罗径测量船的航向角o高精度高精度GPS测量船位测量船位PGPS418/24/20243.7超短基线定位系统的标校超短基线定位系统的标校oo超短基线系统的海上校准超短基线系统的海上校准n海上校准的基本过程海上校准的基本过程o围绕应答器按某一航线航行，围绕应答器按某一航线航行，用超短基线测量应答用超短基线测量应答器的位置，同时记录器的位置，同时记录GPS、罗经、姿态仪的数据、罗经、姿态仪的数据o进行坐标系的转换
35、进行坐标系的转换n将应答器在基阵坐标系中的位置转换为大地坐标系的位置将应答器在基阵坐标系中的位置转换为大地坐标系的位置o每一次测量值与应答器的参考位置进行比较每一次测量值与应答器的参考位置进行比较o利用高斯牛顿法解观测方程利用高斯牛顿法解观测方程 n应答器的参考位置应答器的参考位置xRef用长基线的方法确定用长基线的方法确定为由船坐标系向大地坐为由船坐标系向大地坐标系转换的标系转换的方向余弦矩方向余弦矩阵阵，它由船的航向角，它由船的航向角、横摇角横摇角和纵倾角和纵倾角的正的正、余弦构成余弦构成。由基阵坐标系向船坐标系由基阵坐标系向船坐标系转换的方向余弦矩阵，称转换的方向余弦矩阵，称为为失配矩阵
36、失配矩阵，它也由，它也由3 3个个角度（角度（, ）的）的正、余弦构成。正、余弦构成。 为用为用GPS测得的测得的大地坐标船位大地坐标船位（天线位置）（天线位置） 应答器在基阵坐应答器在基阵坐标系中的位置标系中的位置 428/24/2024oo法国法国法国法国OCEANOOCEANO公司超短基线系统产品公司超短基线系统产品公司超短基线系统产品公司超短基线系统产品PosidoniaPosidonia 船的路径和应答器的原始船的路径和应答器的原始船的路径和应答器的原始船的路径和应答器的原始“ “轨迹轨迹轨迹轨迹” ”（原点：推算的应答器位置）（原点：推算的应答器位置）（原点：推算的应答器位置）（原
37、点：推算的应答器位置） 原始数据和补偿失配后的数据原始数据和补偿失配后的数据原始数据和补偿失配后的数据原始数据和补偿失配后的数据（原点：推算的应答器位置）（原点：推算的应答器位置）（原点：推算的应答器位置）（原点：推算的应答器位置）438/24/20243.7超短基线定位系统的标校超短基线定位系统的标校oo基元相位差校准基元相位差校准基元相位差校准基元相位差校准 n针对系统误差进行校准针对系统误差进行校准o阵元附加相位误差阵元附加相位误差-在水池进行在水池进行o阵元间距误差阵元间距误差-制作基阵时保证制作基阵时保证o海上校准：海上校准：oo超短基线系统的海上校准超短基线系统的海上校准超短基线系
38、统的海上校准超短基线系统的海上校准o坐标系的转换坐标系的转换o海上校准的基本过程海上校准的基本过程 o校准结果校准结果448/24/20243.7超短基线定位系统的标校超短基线定位系统的标校oo基元相位差校准基元相位差校准基元相位差校准基元相位差校准 n基阵系统测量的应答器位置为基阵系统测量的应答器位置为 xArray(Xa,Ya,Za) 应答器的大地坐标为应答器的大地坐标为 PEarthPGPSBAtt xArray BAtt 3个姿态角的方向余弦矩阵。个姿态角的方向余弦矩阵。 若在基阵安装时船的框架未与基阵框架配准，则须进行若在基阵安装时船的框架未与基阵框架配准，则须进行额外的旋转变换额外
39、的旋转变换 BAlign-常数矩阵，由常数矩阵，由3个角度偏移量决定个角度偏移量决定 以应答器地理坐标为观测值，以（以应答器地理坐标为观测值，以（,）为未知数，利）为未知数，利用参数估计法估计参数。用参数估计法估计参数。458/24/20243.7超短基线定位系统的标校超短基线定位系统的标校oo超短基线系统的海上校准超短基线系统的海上校准超短基线系统的海上校准超短基线系统的海上校准n海上校准的基本过程海上校准的基本过程o围绕应答器按某一航线航行，围绕应答器按某一航线航行，用超短基线测量应答器的位置，同用超短基线测量应答器的位置，同时记录时记录GPS、罗经、姿态仪的数据、罗经、姿态仪的数据o进行
40、坐标系的转换进行坐标系的转换n将应答器在基阵坐标系中的位置转换为大地坐标系的位置将应答器在基阵坐标系中的位置转换为大地坐标系的位置o每一次测量值与应答器的参考位置进行比较每一次测量值与应答器的参考位置进行比较o计算计算 值，使其最小，求出失配值值，使其最小，求出失配值o用新的失配矩阵求应答器的大地坐标，并作为新的参考位置用新的失配矩阵求应答器的大地坐标，并作为新的参考位置n用长基线的方法确定应答器的参考位置用长基线的方法确定应答器的参考位置xRef为由船坐标系向大地坐为由船坐标系向大地坐标系转换的标系转换的方向余弦矩方向余弦矩阵阵，它由船的航向角，它由船的航向角、横摇角横摇角和纵倾角和纵倾角的正的正、余弦构成余弦构成。由基阵坐标系向船坐标系由基阵坐标系向船坐标系转换的方向余弦矩阵，称转换的方向余弦矩阵，称为为失配矩阵失配矩阵，它也由，它也由3 3个个角度（角度（, ）的）的正、余弦构成。正、余弦构成。 为用为用GPS测得的测得的大地坐标船位大地坐标船位（天线位置）（天线位置） 应答器在基阵坐应答器在基阵坐标系中的位置标系中的位置 46
