第4章_长基线水声定位系统(LBL)汇总
水声定位算法学习总结
水声定位算法学习总结一、无线传感器定位技术分类目前定位技术广泛地应用到各个领域，而且出现了很多定位算法，常用的定位方法有：到达角（Angel of Arrival，AOA）定位、到达时间（Time of Arrival，TOA）定位、到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）定位以及AOA／TOA、AOA／TDOA等混合定位的方法。
选择哪种定位方法要根据定位精度、硬件条件等因素来确定，但是最终目的是要用优化的方法得到满意的定位精度。
在没有时间同步信号时，往往采用TDOA定位方法，TDOA定位法可消除对移动台时间基准的依赖性，因而可以降低成本并仍然保证较高的定位精度，但是需要有较好的延时估计方法，才能保证较高的时延估计精度。
（1）基于测距的定位技术基于测距的定位方法依靠测量相邻节点之间的距离或者方向信息。
现在有很多成熟的算法被用于基于测距的定位。
例如TOA算法通过信号传播时间获取距离，TDOA算法利用接收从多个节点发出信号的时间差估测位置，而AOA算法则通过为每个节点设置天线阵列来测量节点间的相对方向角度值。
（2）无需测距的定位技术无需测距的定位方法不要求距离信息，只依靠有关待定位传感器与种子节点之间连通性的测量数据。
这种定位方法对硬件要求低，但是测量的准确度容易被节点的密度和网络条件所影响，因此不能被对精度要求高的基于WSN的应用采用。
二、三边定位和多变定位（1）信号强度（RSS，Received Signal Strength）通过信号在传播中的衰减来估计节点之间的距离，无线信道的数学模型PLd=PLd0-10nlogdd0-Xσ。
尽管这种方法易于实施，但却面临很多挑战。
首先信道由于受到信道噪声、多径衰减（Multi-path Fading）和非视距阻挡（Non-of- Sight Blockage）的影响[1]，具有时变特性，严重偏离上诉模型；其次衰减率会随外界环境的不同而发生相应改变。
长基线水下导航定位技术研究
长基线水下导航定位技术研究
基于几何原理的水声定位技术是当前水下目标导航定位的主流，本论文以长基线水下目标导航定位系统为背景，讨论了其关键技术，并阐述了无线电遥控基站硬件设计原理和PC机显控软件的设计方法。
长基线水下目标导航定位系统兼容于同步与异步两种工作方式，采用球面交汇(同步)或双曲面交汇(异步)定位方法，具有精度高、跟踪范围大的优点。
系统包含无线电、水声两种通信网络，其中无线电通信采用DSSS与TDMA技术，而水声则采用BFSK数字通信方式。
系统采用．并联自适应Notch滤波器组进行多频率通道的信号接收，并采用由瞬时频率方差(VIFD)检测器、能量检测器和鉴宽器构成的联合检测器抗干扰和串漏。
无线电遥控基站是整个网络的通信枢纽，论文采用DSP+FPGA结构，选用扩频电台和DGPS接收机来进行通信和自定位。
FPGA的应用降低了接口设计的复杂性和系统的硬件规模，提高了系
统工作可靠性。
论文的另一项主要工作是PC机显控软件的开发，软
件基于Visual C++6.0开发平台。
显控软件采用模块化设计思想，各模块由主控软件调用，方便了软件的开发、调试和维护。
专家系统和抗距离模糊是软件的核心算法，本文采用举手表决和初始位置装订相结合的软件抗距离模糊算法，具有算法简单、计算量小、重跟踪等优点。
海洋测绘名词解释
第一章绪论1. 名词解释(1) 海洋测绘/海洋测绘学：研究海洋定位、测定海洋大地水准面和平均海面、海底和海面地形、海洋重力、海洋磁力、海洋环境等自然和社会信息的地理分布，及编制各种海图的理论和技术的学科。
(2) 海洋：海洋是地球表面包围大陆和岛屿的广大连续的含盐水域，是由作为海洋主体的海水水体、溶解和悬浮其中的物质、生活于其中的海洋生物、邻近海面上空的大气、围绕海洋周缘的海岸和海底等部分组成的统一体。
(3) 海岸带：海陆交互的地带，其外界应在15~20m等深浅一带，这里既是波浪、潮汐对海底作用有明显影响的范围，也是人们活动频繁的区域；其内界，海岸部分为特大潮汐（包括风暴潮）影响的范围，河口部分则为盐水入侵的上界。
(4) 海岸线：近似于多年平均大潮、高潮的痕迹所形成的水陆分界线。
(5) 潮上带（海岸）：高潮线以上狭窄的陆上地带，大部分时间里裸露于海水面之上，仅在特大风暴潮时才被淹没，故又称为潮上带。
(6) 潮间带（海滩）：高低潮之间的地带，高潮时被水淹没，低潮时露出水面，故又称为潮间带。
(7) 潮下带（水下岸坡）：低潮线以下直到波浪作用所能到达的海底部分，又称为潮下带。
(8) 大陆边缘：大陆与大洋连接的边缘地带，也是大陆与大洋之间的过渡带。
通常由大陆架、大陆坡、大陆隆及海沟组成。
(9) 大陆架：大陆周围被海水淹没的浅水地带，是大陆向海洋底的自然延伸，其范围是从低潮线起以极其平缓的坡度延伸到坡度突然变大的地方（大陆架外缘）为止。
(10) 内海：亦称内水，指领海基线以内的水域。
(11) 领海：沿海国主权之下的、与其陆地或内海相邻接的一定宽度的水域。
(12) 领海基线：沿海国家测算领海宽度的起算线。
(13) 毗连区：一种毗连国家领海并在领海外划定的一定宽度、供沿海国行使关于海关、财政、卫生和移民等方面管制权的一个特定区域。
(14) 大陆专属经济区：领海以外并邻接领海，介于领海与公海之间，具有特定法律制度的国家管辖水域。
水声定位
各个水听器测的与目标的斜距为：
长基线水声定位系统
目标与原点的斜距为：
将式中
展开得：
从而得到：
ri
消去
r
可得方程：
用矩阵可写作：
其中，
但矩阵A奇异，因此方程有多个解，得不到唯一解。考虑再增加一个水听器， 并测得它与目标的斜距 r4，可得另一个方程：
消去
r 得：
用上式代替矩阵方程第三行，则矩阵A非奇异，方程组可得到唯一解。 但当水听器都位于同一水平面，且 仍然是奇异矩阵，可用三个水听器得测量值以及 已知时 ，矩阵A 联立，得方程组：
在海底布设由T1，T2，T3组成的水听 器接收基阵，在直角坐标系坐标分别为
T1 (x1, y1,z1), T2 (x 2 , y2 ,z2 ), T3 (x3 , y3 ,z3 ) ，水听器位置
校准后，则假定坐标为已知量。 各个水听器到原点的距离为：
di xi 2 yi2 zi2 (i 1, 2,3)
短基线水声定位
系统组成: 1) 被定位的船或潜器上至少有3个水听器。 2) 间距在5～20米的量级。 3) 水面船上面装有问答机 4) 一个同步信标（或应答器）置于海底 工作原理 问答机接收来自信标（或应答器）发出的信号， 根据信号到达各基元的时间，求得斜距，据此可计算 水面船相对于信标（或应答器）的位置。
超短基线定位系统的基阵长度一般在几厘米到几十厘米，与前两种不同，利
用各个基元接收信号间的相位差来解算目标的方位和距离。 若按照工作方式划分，以上三种定位系统都可以选择使用同步信标或应
答器工作方式。
询问器或问答机:是安装在船上的发射器和接收器。它以一个频率发出询 问信号，并以另一频率接收回答信号。接收频率可以多个，对应于多个应 答器，常常只相隔0.5kHz。发射和接收换能器是无指向性的。 应答器:是置于海底或装在载体上的发射/接收器。它接收问答机的询问信 号（或指令），发回另一与接收频率不同的回答信号。收发换能器无指向 性的。 声信标:置于海底或装在水下载体（潜器）上的发射器，它以特定频率不 停的发出声脉冲。它是自主工作的。声信标分同步式和非同步式两种。 响应器:置于海底或装在水下载体（潜器）上的发射器，它由外部硬件 （如控制线）的控制信号触发，发出询问信号。问答机或其它水听器接收 它的信号。它常用于噪声较强的场合。
第4章长基线水声定位系统LBL
三个应答器的情况
用于4边形应答器阵的两种校准方法
1）条件方程法
2) 坐标变动法
16
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4.3 海底应答器阵的校准
两个应答器的情况
问答机
简单的方法是在应答器布
R1
放时利用无线电定位或
应答器1
GPS记下投放点的位置。
h
R2
应答器2
也可利用船上问答机与应 答器连续进行应答，测量 问答机与两应答器的距离。
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4.3 海底应答器阵的校准
四个应答器的情况 1）条件方程法
D
A6 A7
C
A5 A4
四边形的构成条件：
X
A8
四边形角度调整步骤为：
A1
8
A
由 Ai 360 式调整8个角度之和为0；
A3
A2 B
i 1
由式 A1 A2 A5 A6 0 和 A3 A4 A7 A8 0
应答信号
t3 2T1
问答机在t1时刻接收 到FSS发出来的信号
T1 F4
T5 t1
F2
F3
T3 F3
间隔 t3
T3 t2 t3 T1
15
R3 cT3
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4.3 海底应答器阵的校准
校准的目的：布放应答器时有误差≠GPS的数据。
本节提到的校准方法，即测量应答器的相对坐标，可以没有 GPS数据，在有GPS数据后可以得到应答器的绝对坐标，还 使校准方法简单化，可以绕着应答器航行，可以利用超短基线 ＋GPS初步确定应答器的位置，在通过解斜距方程，精确确 定应答器的位置。
基于长基线水声定位系统水下定位技术初步应用研究
水下定位系统的雏形… 。Ｕ Ｓ Ｂ Ｌ 与Ｌ Ｂ Ｌ 综合定位系统是水下声学定位系统技术发展 的最新应用 ， 提高了定位 精度和系统可靠性 的同时 ， 也扩大了水下声学定位技术 的不同需求和应用范 围。２ Ｏ 世纪 ８ ０ 年代初 ， 为了对 目标实施精确导航及轨迹测量 ， 国内靶场首次引进 了法 国Ｏ ｃ ｅ ａ ｎ ｏ 公 司的Ｌ Ｂ Ｌ 系统 。哈尔滨工程大学交付 海军使用的 Ｇ Ｒ Ａ Ｔ Ｌ Ｂ Ｌ 水下定位系统开创 了我 国开展 Ｌ Ｂ Ｌ 系统研制的先河 。苟俊姑 、 郭纪捷等围绕有关 声线修正方法 ， 提 出了基于平均声速迭代算法进行声线修正的思想和方法口 。李莉 、 王先华根据长基线同步 定 位 原 理对 测 阵方 法 进行 了仿 真研 究 。高 剑等 在 未校 准 前提 下 提 出基 于 地 图创 建 和无 迹 卡尔 曼 同步定
第３ ６卷 第 ３期
２ ０１ ５ 年 ６ 月
水
道
港 口
Ｖｏ １ ． ３ ６ Ｎｏ ． ３
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｗａ ｔ ｅ ｒ ｗａ ｙ ａ ｎ ｄ Ｈａｒ ｂ ｏ ｒ
Ｊ ｕ ｎ 。２ ０ １ ５
基 于 长 基 线 水 声 定 位 系 统 水 下 定 位 技 术 初 步 应 用 研 究
１ ． ２ Ｌ Ｂ Ｌ工作原 理 ．
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ４ — １ ０ — ０ ９ ；修 回 日期 ： ２ ０ １ ４ — １ １ — １ ４
基金项 目 ： 山东省高校海洋测绘重点实验室 （ 山东科技大学 ） 资助项 目（ ２ ０ １ ３ Ａ ０ １ ）
水声定位信标及多任务检测电路设计_硕士学位论文 精品推荐
关键词：水声定位，码分多址，多任务检测，时延估计，FPGA
中北大学学位论文
The Design of Acoustic Positioning Signal and Multi-User Detection Circuit Abstract
With the increase of the scope and frequency of the human activities in the ocean, and the growing demand for ocean development, acoustic positioning technology were received more and more attention of foreign and domestic scholars. However, the
第三章 水声定位信标设计
3.1 水声信道特点 ................................................... 16 3.2 水声定位信标设计 ............................................... 18 3.2.1 水声定位信标的复用方式 .................................... 18 3.2.2 水声定位信标的编码方式 .................................... 19 3.2.3 水声定位信标的调制方式 .................................... 22 3.2.4 水声定位信标的参数选择 .................................... 25 3.3 水声定位信标逻辑电路设计 ....................................... 27 3.3.1 m 序列发生逻辑电路设计 ..................................... 27 3.3.2 正弦信号产生逻辑电路设计 .................................. 29
长基线定位系统原理
长基线定位系统原理一、引言长基线定位系统（Long Baseline Positioning System，LBPS）是一种高精度的定位技术，主要用于海洋、地球物理、天文等领域。
它利用多个测量站点之间的距离差异来确定目标位置，具有高精度、高可靠性和广泛适用性等优点。
本文将介绍LBPS的原理及其相关技术。
二、LBPS原理1. 多基线观测模型LBPS利用多个测量站点之间的距离差异来确定目标位置。
在一个三维空间中，假设有n个测量站点，每个站点都可以通过GPS等卫星导航系统获得自身的位置信息。
当目标物体出现在某个站点附近时，该站点将向其他所有站点发送一个信号，并记录信号发送和接收时间。
由于信号传播速度是已知的，因此可以根据这些时间信息计算出不同站点之间的距离差异。
2. 高精度定位算法在上述多基线观测模型下，需要设计一种高精度定位算法来确定目标位置。
常见的算法包括加权最小二乘法和卡尔曼滤波法。
其中加权最小二乘法是一种基于权重的优化算法，可以通过最小化测量误差的平方和来估计目标位置。
卡尔曼滤波法则是一种递归滤波算法，可以通过对测量数据进行预测和校正来估计目标位置。
三、LBPS技术1. 海洋测量LBPS技术在海洋测量中得到广泛应用。
在海底地形勘探中，可以利用多个声纳站点之间的距离差异来确定海底地形。
此外，在海洋生物学和海洋环境监测等领域也有着重要的应用。
2. 地球物理勘探LBPS技术在地球物理勘探中也有着广泛应用。
例如，在石油勘探中，可以利用多个钻井站点之间的距离差异来确定油田地下结构。
此外，在岩石力学和地震学等领域也有着重要的应用。
3. 天文观测LBPS技术还可以用于天文观测。
例如，在射电天文学中，可以利用多个射电望远镜站点之间的距离差异来确定天体位置。
此外，在空间天文学和星际导航等领域也有着重要的应用。
四、总结长基线定位系统是一种高精度的定位技术，利用多个测量站点之间的距离差异来确定目标位置。
它具有高精度、高可靠性和广泛适用性等优点，在海洋、地球物理、天文等领域都有着广泛的应用。
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T2
t2
t1 2
F3 T1＝t1/2
T2
F4
R2 c T2
应答器与TTS的距 离（多个）
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几种应用模式
舰船导航模式－－简化模型
F3 R1i
F4
F3 F4
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由于被定位目 标（水面船） 到应答器的单 程传播时间的 求解方法一样。 因此，可以简 化表示。
图中船上问答 机询问信号用 F3表示（通常 只有一个频 率），应答器 回答信号用F4 表示（实际上 有几个应答器 就有几个回答 频率）。
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几种应用模式
长基线有缆潜器（TTS）导航模式
母船上只有接收机，TTS上装有问答机。 定位对象为TTS 求TTS与T的斜距R2 工作过程
设：接收时刻t1、t2 单程传播时间T1、T2 则，
T2
1 2 t2
1 T1 t1 2 t2
问答机
t1 t2 T2
F3
R2 cT2 R1 cT1
4
换插图？？
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引言
本章要解决的问题
本章主要研究利用海底应答器的长基线水声定位系统， 利用无线电浮标的长基线系统基本原理是相同的。
长基线系统的几种应用模式(定位解算时，依定位模 式的不同获取水声传播距离的方式也有所不同。)
海底应答器的标校（定位系统的阵元为应答器，因此 应答器的位置测量精度对定位精度有直接影响）
基线安装的位置：海底
特点：利用海底应
定位方法：长基线利用海底应答器阵来确定载体的位置 答器阵来确定载体
记录询问时刻和各应答器应答信号到达时刻
的位置----相对于
位置坐标：定位的坐标是海底应答器阵的相对坐标 海底应答器阵的相
应答器的频率：各个应答器的回答频率不同
对坐标。
定位目标、使用条件：确知应答器阵的绝对地理位置
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几种应用模式
舰船导航模式 2）定位对象为有缆潜器 系统组成 工作原理
依据同样的方法可以确 定另外2个应答器到TTS 的单程传播时间 T1、T3
设：询问时刻为0，船
上问答机接收应答信号
时刻为t1＝2R1/c ，TTS 收到应答信号时刻为
t2=T1+T2。从应答器到 TTS的单程传播时间为
导航模式。
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几种应用模式
舰船导航模式 1）定位对象为水面舰船
舰上问答机发出询问信号， 频率 为F3 （通常为一个）
系统组成
工作原理
应答器的回答频率（多 个）统一记成 F4
F41 F42
问答机与应答器的距离 （多个）统一记成 R1
F43
可算出船与应答器之间的精确距 离。通过定位方程解算出船在应 答器阵中的相对位置坐标。
－FSS）定位模式 1) 母船询问方式
TT11、T3、T5
T5
定 位 对 象 为 FSS （TTS）
T3
应答器
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求T3→R3
接收机顺次收到回
波的时间为t1、t2、
t1 2tT3 5
t3 2T1
T1、T3、T5
R1、R3、R5
t2 T5 t3 T3 T1
Ri cTi
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引言
基线长度 基线位置
应用
（m）
长基线 100～ 换能器（信标） 已知海底应答器阵的绝对地理位置，求各个应答器到被定位的对
LBL 6000
水域中 象的距离（测量时间），利用球面交汇，解算被定位对象的位置。
各个应答器的回答频率不同，各个应答器的回答频率也不同。
短基线 1～50 换能器布放在船 测量各阵元到被定位的对象（目标）的距离（测量时间），利用球
SBL
的前后和左右 面交汇，解算被定位对象的位置。
超短基线 <1 船上（载体上） 通过测量两两阵元接收应答L
基阵
算目标位置的。
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引言
组成结构及原理
浮标形式的长基线系统
长基线系统的基元也可以是水 面无线电浮标。此时被定位的 目标上装有同步或非同步声信 标，诸基元接收的声信号需调 制为无线电信号发到一只母船 上进行处理，从而完成水下目 标的定位。由于无线电浮标在 海面上不固定，因此必须利用 装载其上的GPS接收机定时地 测定自身位置，与定位信号一 起发至母船。
水下定位与导航技术
长基线水声定位系统
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引言
组成结构及原理（工作过程）
应用
水下施工
海底电缆铺设
海上石油勘探
水下载体定位方面有广泛的应用。
还可与GPS一起，完成水下机器人的高精度绝对定位。
长基线、短基线和超短基线系统的区别
基线：是以应答器构成的，通常应答器的应答距离为10～20公里
t3 2tT1231 →t2＝T5+△ t3+T3+T1
发F1、 F3、收F4
t1 2T5
F1 →T5＝t1/2 →R5
FF44 T1
F2
F3
T3 F3
△t3 应答器
F2、F3、F1
应答器F4、F3
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几种应用模式
长基线无缆潜器（Free
Swimming Submersible
跟踪定位算法 应用实例介绍。
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几种应用模式
舰船导航模式 长基线有缆潜器（TTS）导航模式
（Tetherd Submersible） 长基线无缆潜器（FSS）定位模式
（Free Swimming Submersible） 母船询问的长基线FSS定位导航模式 长基线同步鈡FSS定位导航模式 舰船导航模式、有缆潜器导航模式以及无缆潜器
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T1 F4
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几种应用模式
长基线无缆潜器（Free
Swimming Submersible －FSS）定位模式
1) 母船询问方式
定 位 对 象 为 FSS
（TTS）
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求T3→R3
TT11、T3、T5
T5
T3
应答器
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几种应用模式
1）母船询问的长基线FSS定位导航模式（母船讯问方式）
接收时刻为t2；
问答器发出讯问信号（F3）， 应答器回答（F4），母船接
收时刻为t3；
t1 t2 t3
T1
T5 F4
几种应用模式
长 基 线 无 缆 潜 器 （ Free
Swimming Submersible
－FSS）定位模式
2）长基线同步鈡FSS定位导航 （FFS询问方式）
FSS发出讯问信号（F2）， 母船接收时刻为t1；
在间隔△t3时间后，FSS发 出讯问信号（F3），应答器 接收，并回答（F4），母船