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組合定位系統 組合定位系統由 GPS( Global Position System) 、 航向姿態傳感器以及超短基線定位系統所組成。常規的超短基線陣采用相位法進行定位。為了避免相位模糊, 陣元間距必須小于半個波長，因此 定位精度不會很高。組合定位系統中的超短基線陣采 用時延法進行定位，陣 元間距可以取得遠比半 波長大。定位時, 組合定位系統在海面飄浮, 一個向上發射的聲波 發射器與海水中的被定位目標安裝在一起。聲波發射器發射寬帶信號且被陣元所接收。采用最大似然估計。以得到發射信號與陣元接收信號之間的時延。大的陣元間距，寬的信號帶寬以及精確的時延估計，能使定位精度有很大的提高。超 短基線陣具有4個陣元。由 4個時延可以得到4個斜距。再利用最小二乘法和坐標變換就可求得目標的經度、緯度以及深度。本文還給出了定位誤差仿真、時延估計仿真以及湖試的結果。 組合定位 [ 1, 2] 就是將星站式 GPS、 航向姿態傳感器以及水聲超短基線定位系統組合起來進行定位，以得到水下目標的精確位置。 常規的超短基線陣的定位方法是建立在相位法基礎上的。依靠測量陣元輸出的相位差來進行定位。定位精度與陣元的相位一致性有關。為了避免相位模糊，陣元間距必須小于半個波長，由于相應的相位量程為 -2到 2，因此小的相位測量誤差就會使定位精度有較大的下降。 本文研究一種超短基線陣的精確定位方法，定位方法是建立在時延法[3] 的基礎上的。定位精度與陣元相位一致性的關系較小。由于不存在相位模糊， 陣元間距可以取得遠比半波長大。時延采用最大似然估計，因此定位精度很高。 進行組合定位時, 被定位目標位于海水中某一個位置, 如圖 1 所示. 在被定位目標的上部有一個聲波發射器。聲波發射器的聲軸指向正上方。在海面上，漂浮了一個浮體。浮體的頂蓋是一個球頂。球頂的下面是一個圓錐臺。圓錐臺的大口與球頂相結合，圓錐臺的小口與一長圓柱相連接。球頂與圓錐臺的結合面剛好與海平面持平，星站式 GPS 的天線安裝在浮體中，天線的等效中心位于圓形結合面的中央。而高度剛好與海洋的水平面持平。在星站式 GPS 天線的等效中心位置處, 浮體的橫截面有較大的直徑，以避免海水對星站式 GPS 天線的屏蔽。浮體的長圓柱底部有一個高精度的航向姿態傳感器和一個超短基線陣，高精度的航向姿態傳感器能給出精確的航向角、縱傾角和橫搖角 超短基線陣用時延法進行水聲定位。 通過超短基線陣、 航向姿態傳感器和星站式 GPS 就能確定聲波發射器的精確位置。由于聲波發射器與被定位目標安裝在一起，這樣，被定位目標的經緯度和深度也就能被精確確定。
圖 1 組合定位系統 1 坐標系 星站式 GPS 天線的等效中心的位置，即其經度、緯度和高度，能被星站式 GPS 精確確定。 將星站式 GPS 天線的等效中心定作導航坐標系的原點 On，導航坐標系的三個軸 Xn, Yn和 n 分別指向北、東和垂直向下。 載體坐標系的原點 Ob 與導航坐標系的原點 On 重合. 載體坐標系的三個軸 Xb, Yb 和 b 分別指向載體的前、右和垂直向下。 導航坐標系首先繞 z 軸旋轉一個角 , 則相應的方向余弦矩陣為:
繼而, 再繞旋轉后的 y 軸旋轉一個 角, 則相應的方向余弦矩陣為：
最后, 繞第二次旋轉后的 x 軸旋轉一個角, 則相應的方向余弦矩陣為:
2 超短基線陣 超短基線陣有 4 個陣元. 它們在超短基線坐標系中的位置可以分別表示為: [+ d, 0, 0] 陣元 1 [- d, 0, 0] 陣元 2 [ 0, +d , 0] 陣元 3 [ 0,-d ,0 ] 陣元 4 這樣, 聲波發射器到 4 個陣元的 斜距 r1 、r2、r3 和 r4 應分別滿足:
對應的收發時延分別為:
上式中 c 為海水的聲速。 3 時延法超短基線定位原理 所謂時延法超短基線定位, 就是利用超短基線陣并依靠測量多個收發的時間差來進行定位的一種方法。 若測得的 4 個收發時間差分別為:
式中 ei 為測時隨機誤差. 則 4 個斜距的測量值應為:
有了這 4 個斜距的測量值, 就可以利用最小二乘法 [ 4, 5] , 求得聲波發射器在超短基線坐標系中位置的測量值:
由式( 10) 顯見, 4 個斜距的測量值應滿足:
上式不難演化為:
4 定位誤差的仿真 定位誤差源主要有: 星站式 GPS 的定位誤差、 航向姿態傳感器的測角誤差、 聲速的測量誤差以及收發時延的測量誤差. 星站式 GPS 的定位誤差是厘米量級, 航向姿態傳感器測角誤差為 、 聲速的測量誤差小于 % 這些, 均可忽略不計 定位誤差主要來自測時誤差 如果聲波發射器在導航坐標系中位置為[0m ;0m ;100m]，L= 5 m、d = 0 375 m, 航向角、 縱傾角和橫搖角均為 0 , 而測時的標準偏差為 0.5 s,則聲波發射器在導航坐標 xn、 yn 、 zn 中位置的標準偏差分別為 0 135 m, 0 135 m 和 0 000 4m. 測得的位置如圖 2 所示. 圖 2 仿真得到的目標位置 5 時延最大似然估計的仿真 仿真時, 發射信號的是寬帶調頻信號，采用相關系統與微分相關系統[6] , 以實現時延的最大似然估計。時延最大似然估計仿真時，系統參數如表1所示。
表 1 系統參數 仿真結果如圖 3 所示. 相關輸出如圖 3 上圖中的實線所示, 微分相關輸出如圖 3 上圖中的虛線所示 圖 3 下圖顯示的是相關輸出和微分相關輸出的細部 由圖 3 顯見, 在 處相關輸出達到最大, 而微分相關輸出剛好過零。
圖 3 = 0 1 s 時的相關輸出和微分相關輸出 如果， 將2個信號間的相對時延改為01s+ 1s, 則相應的仿真結果如圖4所示， 圖4下圖的虛線過零位置剛好向左偏了1 s。顯見，測時誤差應該能夠小于05s.
圖 4 = 0 1 s+ 1 s 時的相關輸出和微分相 關輸出 采用相關系統與微分相關系統進行時延估計時, 2 個信號之間應當不存在相位畸變. 在實際問題中, 2 個信號之間總存在相位畸變. 這時,只能采用雷達信號參數估計的常用方法, 即利用復相關函數的模和它的差分進行時延估計 [ 7] . 6 組合定位系統的湖試結果 組合 定位系 統中 星站 式 G S 選 用NavCom 的 SF - 2050M GPS, 水 平 位置 定 位 精度< 15 cm. 航向姿態傳感器采用 IXSEA 公司的 PH INS 光纖陀螺儀 [ 8~ 10] , 航向精度: 0 01( 有 GPS 輔 助 時) , 縱 傾、 橫 搖 精 度 ( RMS) :0 01 . 線性調頻的頻帶為 85~ 95 kH z, 脈寬為6 4 ms, 接收帶寬為 85~ 95 kH z, 采樣頻率為80 kH z. 采用復相關函數的模和它的差分進行時延估計。 吊放式聲源的吊放深度為 40 m. 為了提供吊放式聲源的水平參考位置, 在吊放式聲源正上方水面上還浮置了另一個星站式 GPS. 這個星站式 GPS 與吊放式聲源之間采用軟連接. 當水面風速和水下流速均等于 0 時, 星站式 GPS能夠提供吊放式聲源的準確位置. 當水面風速或水下流速不等于 0 時, 星站式 GPS 所提供吊放式聲源的參考位置與吊放式聲源的實際位置之間就存在一個偏差。 湖試時, 組合定位系統與吊放式聲源的水平距離有三個: 5 m, 12 5 m 和 18 7 m. 試驗前,首先對兩個系統進行了時統同步. 吊放式聲源發射 示位信號 , 組合定位系統對吊放式聲源的位置進行解算, 并與吊放式聲源的參考位置進行比較。
表 2 X 和 Y的標準差 水平斜距為 5 m 時, 湖試數據的分布如圖 5 所示. 圖中靠近原點的數據是吊放式聲源上方星站式 GPS 測出的水平參考位置, 另一個區域的數據是組合定位系統測出的水平位置 水平距離為 5 和 時的數據分布區域與水平距離為 5 時的分布數據區域相重合。
圖 5 水平距離為 5 米時湖試數據的分布 圖 湖試時存在下列 2 個問題: 1) 由于水面風速和水下流速均不等于 0, 測出的水 平位置與水平參考位置之間存在一定的偏差. 2) 湖試時,縱傾和橫搖的角度在 1 s 內變化可達 8 , 若有0 8 得不到補償, 則將造成 0 56 m 的偏差. 這是由于組合定位系統中浮體的重心與浮心靠得太近, 當受到水面風浪的影響時, 組合定位系統就不能保持鉛直, 縱傾和橫搖的角度變化范圍很大并且起伏很快, 使超短基線陣的姿態不能得到及時的補償, 從而增加了數據的離散性. 若將組合定位系統中浮體的重心下移, 使姿態的變化減小, 有望將數據的離散性大大降低。 7 結束語 當被定位目標位于超短基線陣法線的 45的范圍內, 采用本文所介紹的定位方法, 在高信噪比時有望將定位誤差保持在 0 3%斜距之內.由于采用寬帶信號, 所以有較強的抗多途干擾和抗噪聲的能力. 因為超短基線陣具有 4 個陣元,所以存在冗余度. 冗余度可用作數據質量管理(DQA) 和數據質量控制( DQC) . 并且, 在只測到3 個斜距的情況下, 仍能進行定位 設計組合定位系統的浮體時, 必須使其重心遠低于浮心, 以保持浮體姿態的穩定和減少數據的離散性。 參考文獻： [ 1 ] Morgado M, Oliveira P, Silvestr e C. Exper i menta l evaluat ion of a U SBL under wat er positioning system. ELMAR 2010 Proceedings,2010, 485~ 488. 班寧產品匯總 |
