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組合定位系統(tǒng) 組合定位系統(tǒng)由 GPS( Global Position System) 、 航向姿態(tài)傳感器以及超短基線定位系統(tǒng)所組成。常規(guī)的超短基線陣采用相位法進(jìn)行定位。為了避免相位模糊, 陣元間距必須小于半個(gè)波長(zhǎng)，因此 定位精度不會(huì)很高。組合定位系統(tǒng)中的超短基線陣采 用時(shí)延法進(jìn)行定位，陣 元間距可以取得遠(yuǎn)比半 波長(zhǎng)大。定位時(shí), 組合定位系統(tǒng)在海面飄浮, 一個(gè)向上發(fā)射的聲波 發(fā)射器與海水中的被定位目標(biāo)安裝在一起。聲波發(fā)射器發(fā)射寬帶信號(hào)且被陣元所接收。采用最大似然估計(jì)。以得到發(fā)射信號(hào)與陣元接收信號(hào)之間的時(shí)延。大的陣元間距，寬的信號(hào)帶寬以及精確的時(shí)延估計(jì)，能使定位精度有很大的提高。超 短基線陣具有4個(gè)陣元。由 4個(gè)時(shí)延可以得到4個(gè)斜距。再利用最小二乘法和坐標(biāo)變換就可求得目標(biāo)的經(jīng)度、緯度以及深度。本文還給出了定位誤差仿真、時(shí)延估計(jì)仿真以及湖試的結(jié)果。 組合定位 [ 1, 2] 就是將星站式 GPS、 航向姿態(tài)傳感器以及水聲超短基線定位系統(tǒng)組合起來進(jìn)行定位，以得到水下目標(biāo)的精確位置。 常規(guī)的超短基線陣的定位方法是建立在相位法基礎(chǔ)上的。依靠測(cè)量陣元輸出的相位差來進(jìn)行定位。定位精度與陣元的相位一致性有關(guān)。為了避免相位模糊，陣元間距必須小于半個(gè)波長(zhǎng)，由于相應(yīng)的相位量程為 -2到 2，因此小的相位測(cè)量誤差就會(huì)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(shí)延法[3] 的基礎(chǔ)上的。定位精度與陣元相位一致性的關(guān)系較小。由于不存在相位模糊， 陣元間距可以取得遠(yuǎn)比半波長(zhǎng)大。時(shí)延采用最大似然估計(jì)，因此定位精度很高。 進(jìn)行組合定位時(shí), 被定位目標(biāo)位于海水中某一個(gè)位置, 如圖 1 所示. 在被定位目標(biāo)的上部有一個(gè)聲波發(fā)射器。聲波發(fā)射器的聲軸指向正上方。在海面上，漂浮了一個(gè)浮體。浮體的頂蓋是一個(gè)球頂。球頂?shù)南旅媸且粋�(gè)圓錐臺(tái)。圓錐臺(tái)的大口與球頂相結(jié)合，圓錐臺(tái)的小口與一長(zhǎng)圓柱相連接。球頂與圓錐臺(tái)的結(jié)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(jié)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(duì)星站式 GPS 天線的屏蔽。浮體的長(zhǎng)圓柱底部有一個(gè)高精度的航向姿態(tài)傳感器和一個(gè)超短基線陣，高精度的航向姿態(tài)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(shí)延法進(jìn)行水聲定位。 通過超短基線陣、 航向姿態(tài)傳感器和星站式 GPS 就能確定聲波發(fā)射器的精確位置。由于聲波發(fā)射器與被定位目標(biāo)安裝在一起，這樣，被定位目標(biāo)的經(jīng)緯度和深度也就能被精確確定。
圖 1 組合定位系統(tǒng) 1 坐標(biāo)系 星站式 GPS 天線的等效中心的位置，即其經(jīng)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(dǎo)航坐標(biāo)系的原點(diǎn) On，導(dǎo)航坐標(biāo)系的三個(gè)軸 Xn, Yn和 n 分別指向北、東和垂直向下。 載體坐標(biāo)系的原點(diǎn) Ob 與導(dǎo)航坐標(biāo)系的原點(diǎn) On 重合. 載體坐標(biāo)系的三個(gè)軸 Xb, Yb 和 b 分別指向載體的前、右和垂直向下。 導(dǎo)航坐標(biāo)系首先繞 z 軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角 , 則相應(yīng)的方向余弦矩陣為:
繼而, 再繞旋轉(zhuǎn)后的 y 軸旋轉(zhuǎn)一個(gè) 角, 則相應(yīng)的方向余弦矩陣為：
最后, 繞第二次旋轉(zhuǎn)后的 x 軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角, 則相應(yīng)的方向余弦矩陣為:
2 超短基線陣 超短基線陣有 4 個(gè)陣元. 它們?cè)诔袒�坐標(biāo)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(fā)射器到 4 個(gè)陣元的 斜距 r1 、r2、r3 和 r4 應(yīng)分別滿足:
對(duì)應(yīng)的收發(fā)時(shí)延分別為:
上式中 c 為海水的聲速。 3 時(shí)延法超短基線定位原理 所謂時(shí)延法超短基線定位, 就是利用超短基線陣并依靠測(cè)量多個(gè)收發(fā)的時(shí)間差來進(jìn)行定位的一種方法。 若測(cè)得的 4 個(gè)收發(fā)時(shí)間差分別為:
式中 ei 為測(cè)時(shí)隨機(jī)誤差. 則 4 個(gè)斜距的測(cè)量值應(yīng)為:
有了這 4 個(gè)斜距的測(cè)量值, 就可以利用最小二乘法 [ 4, 5] , 求得聲波發(fā)射器在超短基線坐標(biāo)系中位置的測(cè)量值:
由式( 10) 顯見, 4 個(gè)斜距的測(cè)量值應(yīng)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(tài)傳感器的測(cè)角誤差、 聲速的測(cè)量誤差以及收發(fā)時(shí)延的測(cè)量誤差. 星站式 GPS 的定位誤差是厘米量級(jí), 航向姿態(tài)傳感器測(cè)角誤差為 、 聲速的測(cè)量誤差小于 % 這些, 均可忽略不計(jì) 定位誤差主要來自測(cè)時(shí)誤差 如果聲波發(fā)射器在導(dǎo)航坐標(biāo)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(cè)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.5 s,則聲波發(fā)射器在導(dǎo)航坐標(biāo) xn、 yn 、 zn 中位置的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為 0 135 m, 0 135 m 和 0 000 4m. 測(cè)得的位置如圖 2 所示. 圖 2 仿真得到的目標(biāo)位置 5 時(shí)延最大似然估計(jì)的仿真 仿真時(shí), 發(fā)射信號(hào)的是寬帶調(diào)頻信號(hào)，采用相關(guān)系統(tǒng)與微分相關(guān)系統(tǒng)[6] , 以實(shí)現(xiàn)時(shí)延的最大似然估計(jì)。時(shí)延最大似然估計(jì)仿真時(shí)，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。
表 1 系統(tǒng)參數(shù) 仿真結(jié)果如圖 3 所示. 相關(guān)輸出如圖 3 上圖中的實(shí)線所示, 微分相關(guān)輸出如圖 3 上圖中的虛線所示 圖 3 下圖顯示的是相關(guān)輸出和微分相關(guān)輸出的細(xì)部 由圖 3 顯見, 在 處相關(guān)輸出達(dá)到最大, 而微分相關(guān)輸出剛好過零。
圖 3 = 0 1 s 時(shí)的相關(guān)輸出和微分相關(guān)輸出 如果， 將2個(gè)信號(hào)間的相對(duì)時(shí)延改為01s+ 1s, 則相應(yīng)的仿真結(jié)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(cè)時(shí)誤差應(yīng)該能夠小于05s.
圖 4 = 0 1 s+ 1 s 時(shí)的相關(guān)輸出和微分相 關(guān)輸出 采用相關(guān)系統(tǒng)與微分相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)延估計(jì)時(shí), 2 個(gè)信號(hào)之間應(yīng)當(dāng)不存在相位畸變. 在實(shí)際問題中, 2 個(gè)信號(hào)之間總存在相位畸變. 這時(shí),只能采用雷達(dá)信號(hào)參數(shù)估計(jì)的常用方法, 即利用復(fù)相關(guān)函數(shù)的模和它的差分進(jìn)行時(shí)延估計(jì) [ 7] . 6 組合定位系統(tǒng)的湖試結(jié)果 組合 定位系 統(tǒng)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(tài)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(shí)) , 縱 傾、 橫 搖 精 度 ( RMS) :0 01 . 線性調(diào)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(fù)相關(guān)函數(shù)的模和它的差分進(jìn)行時(shí)延估計(jì)。 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(gè)星站式 GPS. 這個(gè)星站式 GPS 與吊放式聲源之間采用軟連接. 當(dāng)水面風(fēng)速和水下流速均等于 0 時(shí), 星站式 GPS能夠提供吊放式聲源的準(zhǔn)確位置. 當(dāng)水面風(fēng)速或水下流速不等于 0 時(shí), 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(shí)際位置之間就存在一個(gè)偏差。 湖試時(shí), 組合定位系統(tǒng)與吊放式聲源的水平距離有三個(gè): 5 m, 12 5 m 和 18 7 m. 試驗(yàn)前,首先對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了時(shí)統(tǒng)同步. 吊放式聲源發(fā)射 示位信號(hào) , 組合定位系統(tǒng)對(duì)吊放式聲源的位置進(jìn)行解算, 并與吊放式聲源的參考位置進(jìn)行比較。
表 2 X 和 Y的標(biāo)準(zhǔn)差 水平斜距為 5 m 時(shí), 湖試數(shù)據(jù)的分布如圖 5 所示. 圖中靠近原點(diǎn)的數(shù)據(jù)是吊放式聲源上方星站式 GPS 測(cè)出的水平參考位置, 另一個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)是組合定位系統(tǒng)測(cè)出的水平位置 水平距離為 5 和 時(shí)的數(shù)據(jù)分布區(qū)域與水平距離為 5 時(shí)的分布數(shù)據(jù)區(qū)域相重合。
圖 5 水平距離為 5 米時(shí)湖試數(shù)據(jù)的分布 圖 湖試時(shí)存在下列 2 個(gè)問題: 1) 由于水面風(fēng)速和水下流速均不等于 0, 測(cè)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(shí),縱傾和橫搖的角度在 1 s 內(nèi)變化可達(dá) 8 , 若有0 8 得不到補(bǔ)償, 則將造成 0 56 m 的偏差. 這是由于組合定位系統(tǒng)中浮體的重心與浮心靠得太近, 當(dāng)受到水面風(fēng)浪的影響時(shí), 組合定位系統(tǒng)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(tài)不能得到及時(shí)的補(bǔ)償, 從而增加了數(shù)據(jù)的離散性. 若將組合定位系統(tǒng)中浮體的重心下移, 使姿態(tài)的變化減小, 有望將數(shù)據(jù)的離散性大大降低。 7 結(jié)束語 當(dāng)被定位目標(biāo)位于超短基線陣法線的 45的范圍內(nèi), 采用本文所介紹的定位方法, 在高信噪比時(shí)有望將定位誤差保持在 0 3%斜距之內(nèi).由于采用寬帶信號(hào), 所以有較強(qiáng)的抗多途干擾和抗噪聲的能力. 因?yàn)槌袒�陣具有 4 個(gè)陣元,所以存在冗余度. 冗余度可用作數(shù)據(jù)質(zhì)量管理(DQA) 和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制( DQC) . 并且, 在只測(cè)到3 個(gè)斜距的情況下, 仍能進(jìn)行定位 設(shè)計(jì)組合定位系統(tǒng)的浮體時(shí), 必須使其重心遠(yuǎn)低于浮心, 以保持浮體姿態(tài)的穩(wěn)定和減少數(shù)據(jù)的離散性。 參考文獻(xiàn)： [ 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(chǎn)品匯總 |
