水下导航与定位.ppt

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水下作业系统导航与定位冯正平之七主要内容1.导航简介2.辅助导航卫星导航（以为例）水声定位（以长基线为例）3.惯性导航运动传感器惯性平台导航捷联式惯性导航4.组合导航系统5.声纳基础1.1基本概念导航：

确定运载器相对于地球坐标系的位置、姿态与艏向地球坐标系：

原点：

地球表面上任意一点（赤道与零经度线交点）坐标轴：

北向东向下向载体坐标系：

原点：

载体上任意一点（常为几何中心）坐标轴：

纵向横向垂向1.导航简介位置：

载体坐标系原点在地球坐标系中的坐标纬度或离赤道距离（球面距离）经度或：

离零经度线距离（球面距离）高度（深度）：

离海平面距离（直线距离）姿态艏向：

载体坐标系相对于地球坐标系的Euler角姿态：

横倾角纵倾角艏向：

纵轴在水平面内投影与真北方向的夹角1.2导航模式辅助导航:

依靠观测外部目标或接收外部信息来确定自身位置卫星导航:

对一定轨道上的人造卫星进行观测,测出相对于卫星的位置,再根据已知卫星相对于地面的位置计算出自身的位置，如GPS、伽利略和北斗水声LBL导航:

测量相对于声学基阵单元的位置,再根据已知的声学基阵单元相对于海底的位置计算出自身的位置惯性导航:

依靠自身携带的运动传感器（加速度计和陀螺仪）不断测量运载器运动的平动加速度和旋转角速度，并由初始位置推算出瞬时位置组合导航：

组合辅助导航和惯性导航2.辅助导航2.1GPS（GlobalPositioningSystem）由美国国防部开发1983年开始对民用开放系统包括3个部分空间部分:

24颗中轨卫星控制部分:

分布于全球的地面跟踪站用户部分:

接收和计算部分空间部分从地球上任意一点可以看到5到8颗卫星12小时绕地球一圈不断向地面发送无线电信号控制部分测量来自于卫星的信息并将其融合到各个卫星的轨道模型模型计算轨道数据以及时间修正量主站将轨道数据以及时间修正量上传到卫星用户部分接收来自于卫星的信号计算出自身的位置以及时间2.1.1GPS位置计算第1颗卫星发送信息我的时间与位置分别是以及第2颗卫星发送信息我的时间与位置分别是以及第3颗卫星发送信息我的时间与位置分别是以及各信息至GPS接收器的时间差分别为,以及第4颗卫星发送信息我的时间与位置分别是以及它们不一定就是接收器至卫星的实际距离！

时间差至关重要卫星时钟为同步原子钟（价格在5万美圆至10万美圆）接受器时钟为普通石英钟（设比原子钟快慢）设GPS接受器的位置为（X,Y,Z）4颗GPS卫星可以精确确定接受器的位置以及接受器的时间!

2.1.22.1.2差分差分GPSGPS2.2水声长基线定位在海底布置至少由个单元（应答器）构成的基阵，基阵单元之间间距可以长达公里海底应答器以不同频率应答以辨别海底应答器的身份应答器相对于海底的绝对位置已知水下运载器上的发射器发出全向声脉冲，海底应答器收到后立即发射应答声脉冲，水下运载器上的接收器收到应答声脉冲后根据时间延迟确定斜距海底应答器的位置分别为：

注意：

与定位不同，仅需个海底应答器即可！

3惯性导航3.1运动传感器加速度计:

测量直线运动线加速度陀螺仪:

测量旋转运动角速度DVL：

测量运载器相对于海底线速度3.1.1加速度计基于牛顿第二定律（测量出质量的位移即可）3.1.2陀螺仪转子高速旋转,且旋转角速度恒定（自动锁定）1）机械式陀螺单自由度陀螺（正交!

）（J为转动惯量）根据角动量矩定理外力矩有效作用方向始终与陀螺自旋轴垂直,且只改变角动量矩方向因而陀螺自旋轴偏转（进动）进动现象又由于角转动惯量恒定输入轴、输出轴以及转轴构成右手系转动角速度测量（因输入轴与转轴垂直）（进动力矩）在输出轴安装弹簧测量进动力矩！

（弹簧吸收进动力矩）2）光纤陀螺利用光的干涉来测量机械运动传感器为左右的光纤线圈两个光束沿相反方向在光纤中传播没有运动部件，因而精度极高Sagnac效应3.1.3多普勒测速仪3.1.3.1机械波的Doppler效应声波是一种机械波振动源与观测者之间的相对运动使接收到的振动频率发生变化利用频率变化来测量运动速度B声源在t时间内总共发射了N=ft个声波0时刻发射第1个声波,到达B处时刻t1t时刻发射第N个,到达B处时刻tN接收N个声波耗时根据S）声源以一定速度移动，而观测者静止2）观测者以一定速度移动，而声源静止SB声源在t时间内总共发射了N=ft个声波0时刻发射第1个声波,到达B处时刻t1t时刻发射第N个,到达B处时刻tN接收N个声波耗时根据3）观测者以及声源均移动声源在t时间内总共发射了N=ft个声波0时刻发射第1个声波,到达B处时刻t1t时刻发射第N个,到达B处时刻tN接收N个声波耗时根据SB3.1.3.2Doppler测速利用声学Doppler效应测量声源相对于海底的水平运动速度两对声窗（Janus布置）RDI公司DVL（DopplerVelocityLog）可分别发射和接受窄波束依靠前后一对声窗波束测量DVL相对于海底的纵向运动速度1）基本原理依靠左右一对声窗波束测量DVL相对于海底的侧向运动速度根据DVL在运载器上的安装位置确定运载器的水平运动速度（坐标系转换）2）纵向速度的测量（运载器没有纵倾）海底前发射波束前反射波束P前声窗发射波速：

声源（前声窗）在移动，而接收器（点P）不动声源相对于海底点P的运动速度为点P接收的声波频率为反射波速：

声源（点P）不动，而接收器（前声窗）移动接收器相对于声源（点P）的运动速度为接收器点接收的声波频率为（原因见后）运载器运动速度远小于声速P海底从发射到接收的时间差为此间声窗移动距离为（声源几乎没动！

）相似三角形的边长分别为海底后发射波束后反射波束Q后声窗发射波速：

声源（后声窗）在移动，而接收器（点Q）不动声源相对于海底点P的运动速度为点P接收的声波频率为反射波速：

声源（点Q）不动，而接收器（后声窗）移动接收器相对于声源（点Q）的运动速度为接收器点接收的声波频率为前后声窗的频率差由于3）侧向速度的测量（运载器没有横倾）依靠左右一对声窗波束测量DVL相对于海底的侧向运动速度右声窗为3号，左声窗为4号