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组合定位系统 组合定位系统由 GPS( Global Position System) 、 航向姿态传感器以及超短基线定位系统所组成。常规的超短基线阵采用相位法进行定位。为了避免相位模糊, 阵元间距必须小于半个波长，因此 定位精度不会很高。组合定位系统中的超短基线阵采 用时延法进行定位，阵 元间距可以取得远比半 波长大。定位时, 组合定位系统在海面飘浮, 一个向上发射的声波 发射器与海水中的被定位目标安装在一起。声波发射器发射宽带信号且被阵元所接收。采用最大似然估计。以得到发射信号与阵元接收信号之间的时延。大的阵元间距，宽的信号带宽以及精确的时延估计，能使定位精度有很大的提高。超 短基线阵具有4个阵元。由 4个时延可以得到4个斜距。再利用最小二乘法和坐标变换就可求得目标的经度、纬度以及深度。本文还给出了定位误差仿真、时延估计仿真以及湖试的结果。 组合定位 [ 1, 2] 就是将星站式 GPS、 航向姿态传感器以及水声超短基线定位系统组合起来进行定位，以得到水下目标的精确位置。 常规的超短基线阵的定位方法是建立在相位法基础上的。依靠测量阵元输出的相位差来进行定位。定位精度与阵元的相位一致性有关。为了避免相位模糊，阵元间距必须小于半个波长，由于相应的相位量程为 -2到 2，因此小的相位测量误差就会使定位精度有较大的下降。 本文研究一种超短基线阵的精确定位方法，定位方法是建立在时延法[3] 的基础上的。定位精度与阵元相位一致性的关系较小。由于不存在相位模糊， 阵元间距可以取得远比半波长大。时延采用最大似然估计，因此定位精度很高。 进行组合定位时, 被定位目标位于海水中某一个位置, 如图 1 所示. 在被定位目标的上部有一个声波发射器。声波发射器的声轴指向正上方。在海面上，漂浮了一个浮体。浮体的顶盖是一个球顶。球顶的下面是一个圆锥台。圆锥台的大口与球顶相结合，圆锥台的小口与一长圆柱相连接。球顶与圆锥台的结合面刚好与海平面持平，星站式 GPS 的天线安装在浮体中，天线的等效中心位于圆形结合面的中央。而高度刚好与海洋的水平面持平。在星站式 GPS 天线的等效中心位置处, 浮体的横截面有较大的直径，以避免海水对星站式 GPS 天线的屏蔽。浮体的长圆柱底部有一个高精度的航向姿态传感器和一个超短基线阵，高精度的航向姿态传感器能给出精确的航向角、纵倾角和横摇角 超短基线阵用时延法进行水声定位。 通过超短基线阵、 航向姿态传感器和星站式 GPS 就能确定声波发射器的精确位置。由于声波发射器与被定位目标安装在一起，这样，被定位目标的经纬度和深度也就能被精确确定。
图 1 组合定位系统 1 坐标系 星站式 GPS 天线的等效中心的位置，即其经度、纬度和高度，能被星站式 GPS 精确确定。 将星站式 GPS 天线的等效中心定作导航坐标系的原点 On，导航坐标系的三个轴 Xn, Yn和 n 分别指向北、东和垂直向下。 载体坐标系的原点 Ob 与导航坐标系的原点 On 重合. 载体坐标系的三个轴 Xb, Yb 和 b 分别指向载体的前、右和垂直向下。 导航坐标系首先绕 z 轴旋转一个角 , 则相应的方向余弦矩阵为:
继而, 再绕旋转后的 y 轴旋转一个 角, 则相应的方向余弦矩阵为：
最后, 绕第二次旋转后的 x 轴旋转一个角, 则相应的方向余弦矩阵为:
2 超短基线阵 超短基线阵有 4 个阵元. 它们在超短基线坐标系中的位置可以分别表示为: [+ d, 0, 0] 阵元 1 [- d, 0, 0] 阵元 2 [ 0, +d , 0] 阵元 3 [ 0,-d ,0 ] 阵元 4 这样, 声波发射器到 4 个阵元的 斜距 r1 、r2、r3 和 r4 应分别满足:
对应的收发时延分别为:
上式中 c 为海水的声速。 3 时延法超短基线定位原理 所谓时延法超短基线定位, 就是利用超短基线阵并依靠测量多个收发的时间差来进行定位的一种方法。 若测得的 4 个收发时间差分别为:
式中 ei 为测时随机误差. 则 4 个斜距的测量值应为:
有了这 4 个斜距的测量值, 就可以利用最小二乘法 [ 4, 5] , 求得声波发射器在超短基线坐标系中位置的测量值:
由式( 10) 显见, 4 个斜距的测量值应满足:
上式不难演化为:
4 定位误差的仿真 定位误差源主要有: 星站式 GPS 的定位误差、 航向姿态传感器的测角误差、 声速的测量误差以及收发时延的测量误差. 星站式 GPS 的定位误差是厘米量级, 航向姿态传感器测角误差为 、 声速的测量误差小于 % 这些, 均可忽略不计 定位误差主要来自测时误差 如果声波发射器在导航坐标系中位置为[0m ;0m ;100m]，L= 5 m、d = 0 375 m, 航向角、 纵倾角和横摇角均为 0 , 而测时的标准偏差为 0.5 s,则声波发射器在导航坐标 xn、 yn 、 zn 中位置的标准偏差分别为 0 135 m, 0 135 m 和 0 000 4m. 测得的位置如图 2 所示. 图 2 仿真得到的目标位置 5 时延最大似然估计的仿真 仿真时, 发射信号的是宽带调频信号，采用相关系统与微分相关系统[6] , 以实现时延的最大似然估计。时延最大似然估计仿真时，系统参数如表1所示。
表 1 系统参数 仿真结果如图 3 所示. 相关输出如图 3 上图中的实线所示, 微分相关输出如图 3 上图中的虚线所示 图 3 下图显示的是相关输出和微分相关输出的细部 由图 3 显见, 在 处相关输出达到最大, 而微分相关输出刚好过零。
图 3 = 0 1 s 时的相关输出和微分相关输出 如果， 将2个信号间的相对时延改为01s+ 1s, 则相应的仿真结果如图4所示， 图4下图的虚线过零位置刚好向左偏了1 s。显见，测时误差应该能够小于05s.
图 4 = 0 1 s+ 1 s 时的相关输出和微分相 关输出 采用相关系统与微分相关系统进行时延估计时, 2 个信号之间应当不存在相位畸变. 在实际问题中, 2 个信号之间总存在相位畸变. 这时,只能采用雷达信号参数估计的常用方法, 即利用复相关函数的模和它的差分进行时延估计 [ 7] . 6 组合定位系统的湖试结果 组合 定位系 统中 星站 式 G S 选 用NavCom 的 SF - 2050M GPS, 水 平 位置 定 位 精度< 15 cm. 航向姿态传感器采用 IXSEA 公司的 PH INS 光纤陀螺仪 [ 8~ 10] , 航向精度: 0 01( 有 GPS 辅 助 时) , 纵 倾、 横 摇 精 度 ( RMS) :0 01 . 线性调频的频带为 85~ 95 kH z, 脉宽为6 4 ms, 接收带宽为 85~ 95 kH z, 采样频率为80 kH z. 采用复相关函数的模和它的差分进行时延估计。 吊放式声源的吊放深度为 40 m. 为了提供吊放式声源的水平参考位置, 在吊放式声源正上方水面上还浮置了另一个星站式 GPS. 这个星站式 GPS 与吊放式声源之间采用软连接. 当水面风速和水下流速均等于 0 时, 星站式 GPS能够提供吊放式声源的准确位置. 当水面风速或水下流速不等于 0 时, 星站式 GPS 所提供吊放式声源的参考位置与吊放式声源的实际位置之间就存在一个偏差。 湖试时, 组合定位系统与吊放式声源的水平距离有三个: 5 m, 12 5 m 和 18 7 m. 试验前,首先对两个系统进行了时统同步. 吊放式声源发射 示位信号 , 组合定位系统对吊放式声源的位置进行解算, 并与吊放式声源的参考位置进行比较。
表 2 X 和 Y的标准差 水平斜距为 5 m 时, 湖试数据的分布如图 5 所示. 图中靠近原点的数据是吊放式声源上方星站式 GPS 测出的水平参考位置, 另一个区域的数据是组合定位系统测出的水平位置 水平距离为 5 和 时的数据分布区域与水平距离为 5 时的分布数据区域相重合。
图 5 水平距离为 5 米时湖试数据的分布 图 湖试时存在下列 2 个问题: 1) 由于水面风速和水下流速均不等于 0, 测出的水 平位置与水平参考位置之间存在一定的偏差. 2) 湖试时,纵倾和横摇的角度在 1 s 内变化可达 8 , 若有0 8 得不到补偿, 则将造成 0 56 m 的偏差. 这是由于组合定位系统中浮体的重心与浮心靠得太近, 当受到水面风浪的影响时, 组合定位系统就不能保持铅直, 纵倾和横摇的角度变化范围很大并且起伏很快, 使超短基线阵的姿态不能得到及时的补偿, 从而增加了数据的离散性. 若将组合定位系统中浮体的重心下移, 使姿态的变化减小, 有望将数据的离散性大大降低。 7 结束语 当被定位目标位于超短基线阵法线的 45的范围内, 采用本文所介绍的定位方法, 在高信噪比时有望将定位误差保持在 0 3%斜距之内.由于采用宽带信号, 所以有较强的抗多途干扰和抗噪声的能力. 因为超短基线阵具有 4 个阵元,所以存在冗余度. 冗余度可用作数据质量管理(DQA) 和数据质量控制( DQC) . 并且, 在只测到3 个斜距的情况下, 仍能进行定位 设计组合定位系统的浮体时, 必须使其重心远低于浮心, 以保持浮体姿态的稳定和减少数据的离散性。 参考文献： [ 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. 班宁产品汇总 |
