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1、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3.1 引言引言oo 组成结构：组成结构：组成结构：组成结构：n n发发发发射射射射换换换换能能能能器器器器和和和和几几几几个个个个水水水水听听听听器器器器可可可可以以以以组组组组成成成成一一一一个个个个直直直直径径径径只只只只有有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。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 n声声声声头头头头可可可可以以以以安安安安装装装装在在在在船船船船体体体体的的的的底底底底部部部部，也也也也可可可可以以以以悬悬悬悬挂挂挂挂于于于于小小小
2、小型型型型水面船的一侧。水面船的一侧。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 n非同步信标方式非同步信标方式非同步信标方式非同步信标方式 n n应答器方式应答器方式应答器方式应答器方式 n n响应器方式响应器方式响应器方式响应器方式n n带有深度的应答器带有深度的应答器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响应器方式响应器方式 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
3、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
4、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。 3.2 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：n n3 3个水听器摆成个水听器摆成个水听器摆成个水听器摆成L L型。型。型。型。oo位置解算：位置解算：位置解算：位置解算：n n信
5、标位置信标位置信标位置信标位置( ( ( (X Xa a, ,T Ta a, ,Z Za a）n n3 3个水听器按个水听器按个水听器按个水听器按L L型布型布型布型布置，间距为置，间距为置，间距为置，间距为d d 。d3.2 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位差测量而得到的 3.2 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
6、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。 3.2 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。3.2 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
7、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 n若使用应答器代替信标若使用应答器代替信标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
8、用若使用响应器响应器3.4 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
9、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：3.4 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3.4 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 位置相对位置相对位置相对位置相对定位精度定位精度定位精度定位精度n n斜距斜距斜距
10、斜距R R和和和和 的相对误差的相对误差的相对误差的相对误差 ：由：由：由：由 和和和和 有有有有n n代入上式可得代入上式可得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斜距相对斜距相对定位精度定位精度定位精度定位精度 3.4 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
11、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oo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。主要来源于相位测量误差。主要来源于相位测量误差。3.4 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 n第一项：声速引起的误差第一项：声速引起的误差第一项：声速引起
12、的误差第一项：声速引起的误差n n第二项：测时误差引起的误差第二项：测时误差引起的误差第二项：测时误差引起的误差第二项：测时误差引起的误差n 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 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 mxmx , , my my有关：有关：有关：有关：oo当当当当 接近接近接近接近 90 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，
13、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（即信标或应答器在基阵的下方）时，相位差很小，前3 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。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。oo随随随随 mxmx , , my my 减小，前减小，前减小，前减小，前3 3项影响加大项影响加大项影响加大项影响加大oo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即角度很小即角度很小) )时，因有反射声时，因有反射声时，
14、因有反射声时，因有反射声影响，精度也难保证。影响，精度也难保证。影响，精度也难保证。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003.4 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
15、m 的变化关系的变化关系的变化关系的变化关系 n n注意：衡量相对定位误差时，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注意：衡量相对定位误差时，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的量值随的量值随m m m m的减小的趋势是不同的。的减小的趋势是不同的。的减小的趋势是不同的。的减小的趋势是不同的。 n 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 n例：例：例：例：f f0 020kHz20kHz，d d=0.04m=0.04m，c c=1500m/s=1500m/
16、s，h=4000mh=4000m，11 表表表表3.1 3.1 在不同在不同在不同在不同m m m m下，相位差测量相对误差下，相位差测量相对误差下，相位差测量相对误差下，相位差测量相对误差3.4 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 的变化关系的变化关系的变化关系的变化关系 oo“ “跳象限跳象限跳象限跳象限” ”问题问题问题问题n n“ “跳象限跳象限跳象限跳象限” ”的现象：随的现象：随的现象：随的现象：随m m m m的减小，的减小，的减小，的减小，oo定位精度难以保证定位精度难以保证定位精度难以保证定位精度难以保证oo存在
17、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 I象象象象限，而计算结果可能是限，而计算结果可能是限，而计算结果可能是限，而计算结果可能是XX、Y Y均为负值，误为第均为负值，误为第均为负值，误为第均为负值，误为第IVIV象限。结果
18、，象限。结果，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“ “跳象限跳象限跳象限跳象限” ”现象。现象。现象。现象。 n n“ “跳象限跳象限跳象限跳象限” ”的情况主要由水面反射引起，可通过信号处的情况主要由水面反射引起，可通过信号处的情况主要由水面反射引起，可通过信号处的情况主要由水面反射引起，可通过信号处理的方法解决。理的方法解决。理的方法解决。理的方法解决。oo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
19、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，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。存在此种问题。存在此种问题。oo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，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，“ “跳象限跳象限跳象限跳象限” ”的问的问的问的问题可以解决。题可以解决。题可以解决。题可以解决。 3.5 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 n不考虑声速和
20、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oo定位误差与阵元间距定位误差与阵元间距定位误差与阵元间距定位误差与阵元间距d d成反比，成反比，成反比，成反比，d d大则误差减小；大则误差减小；大则误差减小；大则误差减小；oo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。小。小。n n增加增加增加增加d d的限制的限制的限制的限制oo当当当当d/2d
21、/2，阵阵阵阵元元元元间间间间最最最最大大大大相相相相位位位位差差差差将将将将会会会会落落落落在在在在区区区区间间间间 - -, 之之之之外外外外，结结结结果果果果造造造造成成成成相相相相位位位位差差差差测测测测量量量量模模模模糊糊糊糊，致致致致使使使使位位位位置置置置解解解解算算算算发发发发生生生生错错错错误误误误。因因因因此此此此，d d必必必必须须须须/2/2。3.5 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 n测时误差为测时误差为测时误差为测时误差为oo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改善测时误差可增加接收机输出信号改善测
22、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噪声比和带宽噪声比和带宽 oo当采用当采用当采用当采用CWCW脉冲时，信号带宽与脉冲宽度成反比，即，脉冲时，信号带宽与脉冲宽度成反比，即，脉冲时，信号带宽与脉冲宽度成反比，即，脉冲时，信号带宽与脉冲宽度成反比，即，oo而匹配滤波器输出信而匹配滤波器输出信而匹配滤波器输出信而匹配滤波器输出信/ /噪比为噪比为噪比为噪比为 oo因此有因此有因此有因此有n n测相误差为测相误差为测相误差为测相误差为oo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/ /噪比噪比噪比噪比
23、3.5 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 n1 1、2 2（或（或（或（或3 3、4 4）号和）号和）号和）号和5 5、6 6（或（或（或（或7 7、8 8）号阵元测得的相位差为）号阵元测得的相位差为）号阵元测得的相位差为）号阵元测得的相位差为n n利用利用利用利用1 1、4 4号和号和号和号和5 5、8 8号阵元测得的相号阵元测得的相号阵元测得的相号阵元测得的相位差应为位差应为位差应为位差应为n n目标位置坐标为目标位置坐标为目标位置坐标为目标位置坐标
24、为n n由由由由 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 3.5 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 n由由由由n nD D= =NdNd=8=8d d , ,XaXaXaXa位置测量误差减小到位置测量误差减小到位置测量误差减小到位置测量误差减小到原来的原来的原来的原来的d d/ /D=1/ND=1/N倍倍倍倍 ，oo即方位测量精度提高即方位测量精度提高即方位测量精度提高即方位测量精
25、度提高NN倍倍倍倍 n n若原阵元间距为若原阵元间距为若原阵元间距为若原阵元间距为d=/d=/2 2，n n 则则则则n n因此，要用小间距的两个基元辅助因此，要用小间距的两个基元辅助因此，要用小间距的两个基元辅助因此，要用小间距的两个基元辅助判断，两个大尺度基元的相位差。判断，两个大尺度基元的相位差。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。 3.5 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 n需要考虑的问题需要考虑的问题需要考虑的问题需要考虑
26、的问题oo采采采采用用用用宽宽宽宽带带带带信信信信号号号号，不不不不能能能能用用用用测测测测相相相相的的的的方方方方法法法法，必必必必须须须须采采采采用用用用测测测测时时时时的方法，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时延时延差。差。差。差。oo测测测测时时时时误误误误差差差差与与与与采采采采样样样样间间间间隔隔隔隔有有有有关关关关，当当当当采采采采样样样样间间间间隔隔隔隔被被被被硬硬硬硬件件件件的的的的能能能能力限制时，需要采用插值法，来提高测时精度。力限制时，需要采用插值法，来提高测时精度。力限制时，需要采
27、用插值法，来提高测时精度。力限制时，需要采用插值法，来提高测时精度。 3.5 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 n两阵元信号的时间差为两阵元信号的时间差为两阵元信号的时间差为两阵元信号的时间差为n n则位置坐标为则位置坐标为则位置坐标为则位置坐标为n 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）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） 3.5 改善超短基线定位系统定位精度
28、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 n假设接收信号的时延为假设接收信号的时延为假设接收信号的时延为假设接收信号的时延为t t0 0，则输入信号为，则输入信号为，则输入信号为，则输入信号为n n参考信号为参考信号为参考信号为参考信号为n n其其其其中中中中=B/T =B/T =B/T =B/T 称称称称为为为为调调调调频频频频斜斜斜斜率率率率，BB为为为为信信信信号号号号带带带带宽宽宽宽。拷拷拷拷贝贝贝贝相相相相关关关关器的输出为器的输出为器的输出为器的输出为 3.5 改善超短基线定位系
29、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 n接收的时延值接收的时延值接收的时延值接收的时延值t t0 0：为最大值出现的为最大值出现的为最大值出现的为最大值出现的时刻时刻时刻时刻。n n相相相相对对对对定定定定位位位位误误误误差差差差：在在在在只只只只考考考考虑虑虑虑时时时时延延延延测测测测量量量量对对对对定定定定位位位位精精精精度度度度的的的的影影影影响响响响时，相对定位误差为时，相对定位误差为时，相对定位误差为时，相对定位误差为n n时延估计的精度：时延估计的精度：时延估计的精
30、度：时延估计的精度：取决于采样频率取决于采样频率取决于采样频率取决于采样频率f fs s。n n采采采采样样样样间间间间隔隔隔隔：令令令令时时时时延延延延测测测测量量量量误误误误差差差差等等等等于于于于采采采采样样样样周周周周期期期期的的的的一一一一半半半半，即即即即 。采样间隔应满足。采样间隔应满足。采样间隔应满足。采样间隔应满足 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 n提提提提高高高高测测测测时时时时精精精精度度度度的的的的方方方方法法法法：插插插插值值值值估估估估计计计计相相相相关峰的出现时刻关峰的出现时刻关峰的出现时刻关
31、峰的出现时刻oo设拟合波形函数为设拟合波形函数为设拟合波形函数为设拟合波形函数为oo令令令令 则则则则 解得解得解得解得 ooArAr、BrBr代入代入代入代入r r3 3整理后得整理后得整理后得整理后得 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oo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
32、，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。oo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 n设拟合曲线设拟合曲线设拟合曲线设拟合曲线oo求求求求k k （k k为非负的整数）为非负的整数）为非负的整数）为非负的整数） 3.6 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
33、陷波滤波器（NotchNotch滤波器）滤波器）滤波器）滤波器）n n自自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。参考信号为波器。参考信号为波器。参考信号为n n采用采用采用采用LMSLMS算法的算法的算法的算法的 权值迭代公式为权值迭代公式为权值迭代公式为权值迭代公式为 n n误差序列为误差序列为误差序列为误差序列为 3.6 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
34、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 n比较比较比较比较x x( (k k) )与与与与y y( (k k) ) ，可得，可得，可得，可得n n因此有因此有因此有因此有n n自适应陷波器的带宽为自适应陷波器的带宽为自适应陷波器的带宽为自适应陷波器的带宽为 3.6 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 n算法构成算法构成算法构成算法构成n n两个信号的初相位：利用前面的结论两个信号的初相位：利用前面的结论两个信号的初相位：利用前面的结论两个信号的初相位：利用前面的结
35、论3.6 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 n两个信号的相位差两个信号的相位差两个信号的相位差两个信号的相位差 n n相位差的均值相位差的均值相位差的均值相位差的均值oo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oo或直接对各权值进行平均或直接对各权值进行平均或直接对各权值进行平均或直接对各权值进行平均oo相位差的均值相位差的均值相位差的均值相位差的均值 3.7超短基线定位系统的标校超短基
36、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 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oo针对系统误差进行校准针对系统误差进行校准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oo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 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
37、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，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。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。oo再次转动基阵约再次转动基阵约再次转动基阵约再次转动基阵约180180（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（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 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。，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
38、两基元的接收相位差。oo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。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。 oo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。位差。位差。3.7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 oo设理
39、论相位差值为设理论相位差值为设理论相位差值为设理论相位差值为 21(0)21(0)21(0)21(0)和和和和23(0)23(0)23(0)23(0)oo由电路和水听器造成的相由电路和水听器造成的相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对相位误差为对相位误差为 21(e)21(e)和和和和 23(e)23(e)oo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位差为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位差为 21 21 21 21 21(0) 21(0) 21(0) 21(0) 21(e)21(e)21(e)21(e)
40、, , , , 23232323 23(0) 23(0) 23(0) 23(0) 23(e)23(e)23(e)23(e)n n调整调整调整调整调整基阵角度调整基阵角度调整基阵角度调整基阵角度，使上式为，使上式为，使上式为，使上式为0 0 0 0。即。即。即。即n 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3.7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n
41、n将基阵转动大约将基阵转动大约将基阵转动大约将基阵转动大约180180度，度，度，度，再次调整基阵角度使测得再次调整基阵角度使测得再次调整基阵角度使测得再次调整基阵角度使测得的的的的1 1、2 2号阵元间的相位号阵元间的相位号阵元间的相位号阵元间的相位差为差为差为差为0 0，此时两次坐标轴，此时两次坐标轴，此时两次坐标轴，此时两次坐标轴间的夹角为间的夹角为间的夹角为间的夹角为 。于是。于是。于是。于是有有有有- 3.7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 n由由由由(1)(1)、(3)(3)式，可得式，可得式，可得式，可得
42、n由由(2)(4)式，可得式，可得3.7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
43、到因此可直接得到3.7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考虑到考虑到hdhdi i，而，而，而，而x x也很小，经一阶近似后有也很小，经一阶近似后有也很小，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）为因而理论相位差（近似值）
44、为因而理论相位差（近似值）为 阵中心RiRr3.7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将基阵围绕中心转动将基阵围绕中心转动180180度之度之度之度之后，再次测得两阵元的相位差，后，再次测得两阵元的相位差，后，再次测得两阵元的相位差，后，再次测得两阵元的相位差，记为记为记为记为 ，有，有，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，可得与基阵未转动时同样的方法，可得与基阵
45、未转动时同样的方法，可得RiRd阵中心3.7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3.7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 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 n标校：针对系统误差进行校准标校：针
46、对系统误差进行校准标校：针对系统误差进行校准标校：针对系统误差进行校准oo阵元相位误差阵元相位误差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测量在水池进行测量在水池进行oo阵元间距误差阵元间距误差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制作基阵时保证制作基阵时保证n n需要的传感器需要的传感器需要的传感器需要的传感器oo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）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。，姿态传感器，姿态测量仪。，姿态传感器，姿态
47、测量仪。oo罗径测量船的航向角罗径测量船的航向角罗径测量船的航向角罗径测量船的航向角oo高精度高精度高精度高精度GPSGPS测量船位测量船位测量船位测量船位P PGPSGPS3.7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 n海上校准的基本过程海上校准的基本过程海上校准的基本过程海上校准的基本过程oo围绕应答器按某一航线航行，围绕应答器按某一航线航行，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，同时记录器的位置，同时记录器的位置，同时记
48、录GPSGPS、罗经、姿态仪的数据、罗经、姿态仪的数据、罗经、姿态仪的数据、罗经、姿态仪的数据oo进行坐标系的转换进行坐标系的转换进行坐标系的转换进行坐标系的转换n 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oo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oo利用高斯牛顿法解观测方程利用高斯牛顿法解观测方程利用高斯牛顿法解观测方程
49、利用高斯牛顿法解观测方程 n n应答器的参考位置应答器的参考位置应答器的参考位置应答器的参考位置x xRefRef用长基线的方法确定用长基线的方法确定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
50、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 oo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Posidonia Posidonia 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：
51、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）3.7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 n针对系统误差进行校准针对系统误差进行校准针对系统误差进行校准针对系统误差进行校准oo阵元附加相位误差阵元附加相位误差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在水池进行在水池进行oo阵元间距误差阵元间距误差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制作基阵时保证制作基阵时保证oo海上校准：海上校准：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统的海上校
52、准超短基线系统的海上校准oo坐标系的转换坐标系的转换坐标系的转换坐标系的转换oo海上校准的基本过程海上校准的基本过程海上校准的基本过程海上校准的基本过程 oo校准结果校准结果校准结果校准结果3.7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 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 x xArrayArray( (X Xa a,Y,Ya a,Z,Za a) ) 应答器的大地坐标为应答器的大地坐标为应答器的大地坐标为应答器的大地坐标为 P PEarthEarthP P
53、GPSGPSB BAtt Att x xArrayArray B BAtt Att 3 3个姿态角的方向余弦矩阵。个姿态角的方向余弦矩阵。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的旋转变换额外的旋转变换额外的旋转变换 B BAlignAlign-常数矩阵，由常数矩阵，由常数矩阵，由常数矩阵，由3 3个角度偏移量决定个角度偏移量决定个角度偏移量决定个角度偏移量决定 以应答器地理坐
54、标为观测值，以（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（以应答器地理坐标为观测值，以（,）为未知数，利）为未知数，利）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。用参数估计法估计参数。用参数估计法估计参数。3.7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 n海上校准的基本过程海上校准的基本过程海上校准的基本过程海上校准的基本过程oo围绕应答器按某一航线航行，围绕应答器按某一航线航行，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
55、的位置，同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，同用超短基线测量应答器的位置，同时记录时记录时记录时记录GPSGPS、罗经、姿态仪的数据、罗经、姿态仪的数据、罗经、姿态仪的数据、罗经、姿态仪的数据oo进行坐标系的转换进行坐标系的转换进行坐标系的转换进行坐标系的转换n 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oo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每一次测量值与应答器的参考位置
56、进行比较每一次测量值与应答器的参考位置进行比较oo计算计算计算计算 值，使其最小，求出失配值值，使其最小，求出失配值值，使其最小，求出失配值值，使其最小，求出失配值oo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 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x xRefRef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
