第6章_GPS定位與海底聲學(xué)定位 (2)

1、 概述概述 GPSGPS絕對(duì)定位絕對(duì)定位 GPSGPS靜態(tài)相對(duì)定位靜態(tài)相對(duì)定位 局域差分局域差分GPSGPS（LDGPSLDGPS）定位）定位 廣域差分廣域差分GPSGPS（WADGPSWADGPS）定位）定位 水聲定位的基本原理和方法水聲定位的基本原理和方法 水聲定位系統(tǒng)水聲定位系統(tǒng) 水聲定位改正水聲定位改正本章內(nèi)容：本章內(nèi)容：61 概述概述海洋定位測(cè)量是海洋測(cè)量的一個(gè)重要分支。在海洋海洋定位測(cè)量是海洋測(cè)量的一個(gè)重要分支。在海洋測(cè)量工程中無(wú)論測(cè)量某一幾何量或物理量，如水深、重測(cè)量工程中無(wú)論測(cè)量某一幾何量或物理量，如水深、重力、磁力等，都必須固定在某一種坐標(biāo)系統(tǒng)相應(yīng)的格網(wǎng)力、磁力等，都必須固定

2、在某一種坐標(biāo)系統(tǒng)相應(yīng)的格網(wǎng)中。中。海洋定位是海洋測(cè)繪和海洋工程的基礎(chǔ)海洋定位是海洋測(cè)繪和海洋工程的基礎(chǔ)。 海洋定位手段：海洋定位手段：天文定位天文定位光學(xué)定位光學(xué)定位陸基無(wú)線電定位陸基無(wú)線電定位空基無(wú)線電定位空基無(wú)線電定位水聲定位水聲定位天文定位天文定位天文定位是一套獨(dú)立的定位系統(tǒng)，借助于天文觀測(cè)，天文定位是一套獨(dú)立的定位系統(tǒng)，借助于天文觀測(cè)，確定海洋上船只的航向以及經(jīng)緯度，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和定位。確定海洋上船只的航向以及經(jīng)緯度，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和定位。通常采用的方法有：通常采用的方法有：觀測(cè)觀測(cè)太陽(yáng)法太陽(yáng)法確定船只經(jīng)緯度確定船只經(jīng)緯度觀測(cè)觀測(cè)等高距恒星法等高距恒星法確定天文經(jīng)緯度確定天文經(jīng)緯度觀測(cè)觀

3、測(cè)北極星北極星定向法定向法光學(xué)定位光學(xué)定位光學(xué)定位只能用于光學(xué)定位只能用于沿岸和港口測(cè)量沿岸和港口測(cè)量，一般使用，一般使用光學(xué)光學(xué)經(jīng)緯儀經(jīng)緯儀進(jìn)行前方交會(huì)，求出船位，也可使用進(jìn)行前方交會(huì)，求出船位，也可使用六分儀六分儀在船在船上進(jìn)行后方交會(huì)測(cè)量。隨著電子經(jīng)緯儀和高精度紅外激上進(jìn)行后方交會(huì)測(cè)量。隨著電子經(jīng)緯儀和高精度紅外激光測(cè)距儀的發(fā)展，光測(cè)距儀的發(fā)展，全站儀全站儀按方位按方位距離極坐標(biāo)法可為近距離極坐標(biāo)法可為近岸動(dòng)態(tài)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)快速跟蹤定位。由于其自動(dòng)化程度高，岸動(dòng)態(tài)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)快速跟蹤定位。由于其自動(dòng)化程度高，使用方便、靈活，在當(dāng)前沿岸、港口、水上測(cè)量中的使使用方便、靈活，在當(dāng)前沿岸、港口、水上測(cè)量

4、中的使用日益增多。用日益增多。 陸基無(wú)線電定位陸基無(wú)線電定位無(wú)線電定位通過(guò)在岸上控制點(diǎn)處安置無(wú)線電收發(fā)機(jī)無(wú)線電定位通過(guò)在岸上控制點(diǎn)處安置無(wú)線電收發(fā)機(jī)（岸臺(tái)），在載體上設(shè)置無(wú)線電收發(fā)、測(cè)距、控制、顯（岸臺(tái)），在載體上設(shè)置無(wú)線電收發(fā)、測(cè)距、控制、顯示單元，測(cè)量無(wú)線電波在船臺(tái)和岸臺(tái)間的傳播時(shí)間或相示單元，測(cè)量無(wú)線電波在船臺(tái)和岸臺(tái)間的傳播時(shí)間或相位差，利用電波的傳播速度，求得船臺(tái)至岸臺(tái)的距離或位差，利用電波的傳播速度，求得船臺(tái)至岸臺(tái)的距離或船臺(tái)至兩岸臺(tái)的距離差，進(jìn)而計(jì)算船位，無(wú)線電定位多船臺(tái)至兩岸臺(tái)的距離差，進(jìn)而計(jì)算船位，無(wú)線電定位多采用圓采用圓圓定位或雙曲線定位方式。按作用距離分為圓定位或雙曲線定位

5、方式。按作用距離分為：遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)，作用距離遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)，作用距離10001000公里公里中程定位系統(tǒng)，作用距離中程定位系統(tǒng)，作用距離10001000公里公里近程定位系統(tǒng)，作用距離近程定位系統(tǒng)，作用距離300300公里公里空基無(wú)線電定位空基無(wú)線電定位空基無(wú)線電定位即衛(wèi)星定位，為目前海上定位的主空基無(wú)線電定位即衛(wèi)星定位，為目前海上定位的主要手段，如要手段，如全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)GPSGPS、我國(guó)的、我國(guó)的北斗雙星定位系北斗雙星定位系統(tǒng)統(tǒng)以及歐洲和我國(guó)目前合作開(kāi)發(fā)的以及歐洲和我國(guó)目前合作開(kāi)發(fā)的伽利略定位系統(tǒng)伽利略定位系統(tǒng)。 聲學(xué)定位聲學(xué)定位水下聲學(xué)技術(shù)可以解決海洋測(cè)量許多問(wèn)題，如水深水下聲學(xué)技

6、術(shù)可以解決海洋測(cè)量許多問(wèn)題，如水深測(cè)量，觀測(cè)海面波浪和海流，探測(cè)水下地形地貌，海底測(cè)量，觀測(cè)海面波浪和海流，探測(cè)水下地形地貌，海底底質(zhì)和淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，也可用于導(dǎo)航定位和水下通訊等。底質(zhì)和淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，也可用于導(dǎo)航定位和水下通訊等。用水下聲標(biāo)作為海底控制點(diǎn)，精確聯(lián)測(cè)其坐標(biāo)用水下聲標(biāo)作為海底控制點(diǎn)，精確聯(lián)測(cè)其坐標(biāo)，可直接，可直接為船泊、潛艇及各種海洋工程導(dǎo)航、定位。為船泊、潛艇及各種海洋工程導(dǎo)航、定位。 以上各種定位系統(tǒng)都有各自的局限性，把幾種定位系以上各種定位系統(tǒng)都有各自的局限性，把幾種定位系統(tǒng)組合起來(lái)，能達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短，減小外界影響，提高定位統(tǒng)組合起來(lái)，能達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短，減小外界影響，提高定位精度

7、的目的。精度的目的。再采用卡爾曼濾波數(shù)據(jù)處理方法再采用卡爾曼濾波數(shù)據(jù)處理方法，使得組合，使得組合導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)論在定位精度、可靠性、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性等方導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)論在定位精度、可靠性、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性等方面都遠(yuǎn)比單一系統(tǒng)更有優(yōu)越性。面都遠(yuǎn)比單一系統(tǒng)更有優(yōu)越性。小結(jié)：小結(jié)：62 GPS絕對(duì)定位原理絕對(duì)定位原理絕對(duì)定位是以絕對(duì)定位是以地球質(zhì)心為參地球質(zhì)心為參考點(diǎn)考點(diǎn)，確定接收機(jī)天線在，確定接收機(jī)天線在WGS-WGS-8484坐標(biāo)系中的絕對(duì)位置。由于坐標(biāo)系中的絕對(duì)位置。由于定位作業(yè)僅需一臺(tái)接收機(jī)工作，定位作業(yè)僅需一臺(tái)接收機(jī)工作，因此又稱為因此又稱為單點(diǎn)定位單點(diǎn)定位。以。以GPSGPS衛(wèi)衛(wèi)星和用戶接收機(jī)天線之

8、間的距星和用戶接收機(jī)天線之間的距離觀測(cè)量為基準(zhǔn)，根據(jù)已知的離觀測(cè)量為基準(zhǔn)，根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)，來(lái)確定用戶接衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)，來(lái)確定用戶接收天線所對(duì)應(yīng)的位置。絕對(duì)定收天線所對(duì)應(yīng)的位置。絕對(duì)定位方法的位方法的實(shí)質(zhì)是空間距離后方實(shí)質(zhì)是空間距離后方交會(huì)。交會(huì)。 基本原理基本原理：GPSGPS絕對(duì)定位根據(jù)用戶接收機(jī)天線所處的狀絕對(duì)定位根據(jù)用戶接收機(jī)天線所處的狀態(tài)不同，又可分為動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位和靜態(tài)絕對(duì)定位。態(tài)不同，又可分為動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位和靜態(tài)絕對(duì)定位。n動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位：用戶接收設(shè)備安置在：用戶接收設(shè)備安置在運(yùn)動(dòng)的載體運(yùn)動(dòng)的載體上，確定上，確定載體瞬時(shí)絕對(duì)位置的定位方法，稱為動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位。載體瞬時(shí)絕對(duì)

9、位置的定位方法，稱為動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位。n靜態(tài)絕對(duì)定位靜態(tài)絕對(duì)定位：用戶接收設(shè)備安置在：用戶接收設(shè)備安置在靜止的載體上靜止的載體上，確定，確定載體瞬時(shí)絕對(duì)位置的定位方法，稱為靜止絕對(duì)定位。載體瞬時(shí)絕對(duì)位置的定位方法，稱為靜止絕對(duì)定位。 偽距觀測(cè)方程及其線性化偽距觀測(cè)方程及其線性化 由于由于GPS GPS 采用的是單程測(cè)距原理，同時(shí)衛(wèi)星鐘與用戶采用的是單程測(cè)距原理，同時(shí)衛(wèi)星鐘與用戶接收機(jī)鐘又難以保持嚴(yán)格同步，實(shí)際上觀測(cè)的是測(cè)站至衛(wèi)接收機(jī)鐘又難以保持嚴(yán)格同步，實(shí)際上觀測(cè)的是測(cè)站至衛(wèi)星之間的距離，由于受星之間的距離，由于受衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘同步差衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘同步差的共同影的共同影響，故又稱響，故又稱偽距

10、離測(cè)量偽距離測(cè)量。()()jjjiiittGPSttt GPSt (6-1) 顯然，衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘的鐘面時(shí)與顯然，衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘的鐘面時(shí)與GPSGPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間，存在如下關(guān)系：間，存在如下關(guān)系：引進(jìn)引進(jìn)t tj j（GPSGPS）表示第表示第j j顆衛(wèi)星發(fā)出信號(hào)瞬間的顆衛(wèi)星發(fā)出信號(hào)瞬間的GPSGPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；t tj j是相應(yīng)的是相應(yīng)的衛(wèi)星鐘衛(wèi)星鐘鐘面時(shí)刻；鐘面時(shí)刻；t ti i是相應(yīng)的是相應(yīng)的接收機(jī)接收機(jī)鐘鐘面時(shí)刻；鐘鐘面時(shí)刻；ttj j代表代表衛(wèi)星鐘衛(wèi)星鐘鐘面時(shí)相對(duì)鐘面時(shí)相對(duì)GPSGPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的鐘差鐘差，tti i則是則是接收機(jī)接收機(jī)鐘鐘面時(shí)相對(duì)鐘鐘面時(shí)相

11、對(duì)GPSGPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的鐘差鐘差。由此，衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)測(cè)站的鐘面?zhèn)鞑r(shí)間由此，衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)測(cè)站的鐘面?zhèn)鞑r(shí)間：()()jjjjiiiitttt GPStGPStt如不考慮大氣折射影響，由鐘面?zhèn)鞑r(shí)間乘以光速如不考慮大氣折射影響，由鐘面?zhèn)鞑r(shí)間乘以光速C ，即得衛(wèi)，即得衛(wèi)星星Sj 至測(cè)站至測(cè)站Ti間的偽距間的偽距 ()()()jjjiiiC t GPStGPSCttji為衛(wèi)星為衛(wèi)星S Sj j至測(cè)站至測(cè)站T Ti i 間的幾何距離間的幾何距離 jit為接收機(jī)鐘與衛(wèi)星鐘的相對(duì)鐘差為接收機(jī)鐘與衛(wèi)星鐘的相對(duì)鐘差 ()()jjiiC t GPStGPSjjiittt簡(jiǎn)化后的偽距表達(dá)式：簡(jiǎn)化后的偽

12、距表達(dá)式：jjjiiiC t(6-6)式中第二項(xiàng)式中第二項(xiàng)C tij表示接收機(jī)鐘與衛(wèi)星鐘之間相對(duì)鐘差的等效距離誤差。表示接收機(jī)鐘與衛(wèi)星鐘之間相對(duì)鐘差的等效距離誤差。若顧及大氣層折射影響，則偽距觀測(cè)方程可寫(xiě)為若顧及大氣層折射影響，則偽距觀測(cè)方程可寫(xiě)為( )( )( )( )jjjjjiiiiittC tItTt (6-7)式中，式中， Iij (t)為時(shí)刻電離層折射延遲的等效距離誤差；為時(shí)刻電離層折射延遲的等效距離誤差； Tij (t)則為時(shí)則為時(shí)刻對(duì)流層折射延遲的等效距離誤差。公式（刻對(duì)流層折射延遲的等效距離誤差。公式（6-7）中）中 ij (t)是非線性項(xiàng)，是非線性項(xiàng)，表示測(cè)站與衛(wèi)星之間的幾

13、何距離。即表示測(cè)站與衛(wèi)星之間的幾何距離。即222 1/2( )( )( )( ) jjjjiiiitXtXYtYZtZ (6-8) 000 iiiiiiiiiXXXYYY ZZZ (6-9)式中，（式中，（X X0 0i i，Y Y0 0i i，Z Z0 0i i）為測(cè)站三維地心坐標(biāo)的近似值。如果視導(dǎo)）為測(cè)站三維地心坐標(biāo)的近似值。如果視導(dǎo)航電文所提供的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)為固定值，那么，對(duì)航電文所提供的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)為固定值，那么，對(duì) j ji i(t)(t)以（以（X X0 0i i，Y Y0 0i i，Z Z0 0i i）為中心用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)并取一次項(xiàng)后得）為中心用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)并取一次項(xiàng)后得0000

14、( )( )( )( )( )()()()jjjjjiiiiiiiiiiitttttXYZXYZ (6-10)式中：式中：000000000( )1()( )( )( )( )1()( )( )( )( )1()( )( )( )jjjiiijiijjjiiijiijjjiiijiitXtXktXttYtYltYttZtZm tZt 于是，站星幾何距離的線性化表達(dá)式為：于是，站星幾何距離的線性化表達(dá)式為：0( )( )( )( )( )jjjjjiiiiiiiittktXltYmtZ 020202 1/20000( )( )( )( ) jjjjiiiitXtXYtYZtZ （6-11）為站星

15、幾何距離近似值，把式（為站星幾何距離近似值，把式（6-106-10）代入公式（）代入公式（6-76-7）后可得線性化）后可得線性化的偽距觀測(cè)方程的偽距觀測(cè)方程0( )( )( )( )( )( )( )jjjjjjjjiiiiiiiiiiittktXltYmtZC tItTt (6-12) 動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位原理動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位原理 如果在歷元如果在歷元t t時(shí)刻，觀測(cè)了測(cè)站至衛(wèi)星之間的偽距，則有：時(shí)刻，觀測(cè)了測(cè)站至衛(wèi)星之間的偽距，則有：( )( )jjjjjiiiiittITCtC t（6-32）如果利用導(dǎo)航電文提供的改正量以及改正模型，對(duì)偽距觀測(cè)量如果利用導(dǎo)航電文提供的改正量以及改正模型，對(duì)偽距觀測(cè)

16、量( )jit進(jìn)行修正，并取進(jìn)行修正，并取( )( )jjjiiiittITCt（6-33）則公式（則公式（6-326-32）的觀測(cè)方程可寫(xiě)為：）的觀測(cè)方程可寫(xiě)為：222( )( ) ( )()()()jjjjjjiiiiiiittCttxxyyzz（6-34）應(yīng)用公式（應(yīng)用公式（6-106-10）線性化后可得）線性化后可得 0( )( )( )( )( )jjjjjiiiiiiiiittltXm tYn tZCt（6-35）假設(shè)在歷元假設(shè)在歷元t t時(shí)由測(cè)站時(shí)由測(cè)站i i同步觀測(cè)同步觀測(cè)j j顆衛(wèi)星，顆衛(wèi)星，j j1 1，2 2，n n ，則可，則可組成組成n n個(gè)方程：個(gè)方程：111110

17、2222200( )( )( )( )( )( )( )( )( )( ) ( )( )( )( )( )iiiiiiiiiiiiiiiiiinnnnniiiiiiiiittl tXm tYn tZC tttltXm tYn tZC tttltXm tYn tZC t（6-36）當(dāng)觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù)大于當(dāng)觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù)大于4 4時(shí)，可列誤差方程，按時(shí)，可列誤差方程，按最小二乘原理最小二乘原理求解位置求解位置的三維坐標(biāo)，即的三維坐標(biāo)，即111111022222200( )( ) ( ) ( ) ( )( )( )( ) ( ) ( ) ( )( )( )( ) ( ) ( ) ( )( )iiiiiii

18、iiiiiiiinnnnnniiiiiiiVtl tm tn tCttXYVtltm tn tCttZtVtltm tn tCtt（6-37）用矩陣符號(hào)可表示為：用矩陣符號(hào)可表示為： ( )( )( )iV tA tXL t （6-38）由最小二乘法可得由最小二乘法可得1( ( )( )( ( )( )TTXA tA tA tL t (6-39)由此可得該位置的三維坐標(biāo)：由此可得該位置的三維坐標(biāo)：000iiiiiiiiiXXXYYYZZZ (6-40)在動(dòng)態(tài)定位中，一般可將前一時(shí)刻的點(diǎn)位坐標(biāo)作為此時(shí)點(diǎn)在動(dòng)態(tài)定位中，一般可將前一時(shí)刻的點(diǎn)位坐標(biāo)作為此時(shí)點(diǎn)位的初始坐標(biāo)。因此，關(guān)鍵是確定第一個(gè)點(diǎn)位坐標(biāo)

19、的精確值。位的初始坐標(biāo)。因此，關(guān)鍵是確定第一個(gè)點(diǎn)位坐標(biāo)的精確值。由于該點(diǎn)坐標(biāo)的初始值難以較精確地求得，因此需要通過(guò)一由于該點(diǎn)坐標(biāo)的初始值難以較精確地求得，因此需要通過(guò)一定的算法，經(jīng)過(guò)多次迭代求得第一點(diǎn)精確的三維坐標(biāo)，并為定的算法，經(jīng)過(guò)多次迭代求得第一點(diǎn)精確的三維坐標(biāo)，并為后續(xù)點(diǎn)位的解算提供初始坐標(biāo)值，這個(gè)迭代計(jì)算第一點(diǎn)位坐后續(xù)點(diǎn)位的解算提供初始坐標(biāo)值，這個(gè)迭代計(jì)算第一點(diǎn)位坐標(biāo)值的過(guò)程也稱為動(dòng)態(tài)定位的初始化過(guò)程。標(biāo)值的過(guò)程也稱為動(dòng)態(tài)定位的初始化過(guò)程。當(dāng)然動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位也可采用載波相位偽距定位方法。當(dāng)然動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位也可采用載波相位偽距定位方法。由公式（由公式（6-316-31）知，載波相位觀測(cè)方程為

20、：）知，載波相位觀測(cè)方程為：00( )( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )( )ijjjjjjiiiiiiiijjjiiiXttltm tn tYNtZCttItTt(6-41)ji經(jīng)改正后的方程（經(jīng)改正后的方程（6-416-41）可寫(xiě)為：）可寫(xiě)為：00( )( )( )( )( )( )jjjjjjiiiiiiiiiitDtltXm tYn tZctNt (6-43)相應(yīng)的誤差方程為：相應(yīng)的誤差方程為：0( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )iijjjjjjiiiiiiiiXYVtltm tn tcNtL tZt （6-44）00( )( )( )jjjiiiL ttt 63

21、GPS靜態(tài)相對(duì)定位原理靜態(tài)相對(duì)定位原理將接收機(jī)安置在基線的端點(diǎn)上，其位置靜止不動(dòng)，同步將接收機(jī)安置在基線的端點(diǎn)上，其位置靜止不動(dòng)，同步觀測(cè)相同的觀測(cè)相同的4 4顆以上顆以上GPSGPS衛(wèi)星衛(wèi)星，確定基線兩個(gè)端點(diǎn)在協(xié)議地球，確定基線兩個(gè)端點(diǎn)在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的相對(duì)位置，這種定位模式稱為相對(duì)定位。根據(jù)接坐標(biāo)系中的相對(duì)位置，這種定位模式稱為相對(duì)定位。根據(jù)接收機(jī)的數(shù)目的不同可分為：兩站、多站收機(jī)的數(shù)目的不同可分為：兩站、多站GPSGPS相對(duì)定位。相對(duì)定位。 圖圖6-3 GPS6-3 GPS靜態(tài)相對(duì)定位（靜態(tài)相對(duì)定位（兩站兩站） 圖圖6-4 GPS6-4 GPS靜態(tài)相對(duì)定位（靜態(tài)相對(duì)定位（多站多站）靜態(tài)

22、相對(duì)定位采用靜態(tài)相對(duì)定位采用載波相位觀測(cè)量載波相位觀測(cè)量為基本觀測(cè)為基本觀測(cè)量，利用載波相位進(jìn)行測(cè)量，就其本身來(lái)講，測(cè)量量，利用載波相位進(jìn)行測(cè)量，就其本身來(lái)講，測(cè)量精度可達(dá)精度可達(dá)mm2.0mm，但是，但是，GPSGPS測(cè)量受到多種誤測(cè)量受到多種誤差的影響，如衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差的影響，如衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差以及電離層和對(duì)流層的折射誤差的影響。差以及電離層和對(duì)流層的折射誤差的影響。 因此因此在在GPSGPS相對(duì)定位中，通常采用相對(duì)定位中，通常采用單差單差雙差雙差三差三差的組合方式來(lái)有效地消除或減弱誤差影響的組合方式來(lái)有效地消除或減弱誤差影響。單差觀

23、測(cè)模型及解算單差觀測(cè)模型及解算單差是指單差是指不同觀測(cè)站，同步觀測(cè)不同觀測(cè)站，同步觀測(cè)相同衛(wèi)星所得觀測(cè)量之差。相同衛(wèi)星所得觀測(cè)量之差。 如圖如圖6-56-5所示，測(cè)站所示，測(cè)站T T1 1和和T T2 2分別在分別在t t1 1和和t t2 2時(shí)刻（歷元）對(duì)衛(wèi)星時(shí)刻（歷元）對(duì)衛(wèi)星p p和和q q進(jìn)行了同步觀進(jìn)行了同步觀測(cè)，得載波相位觀測(cè)量：測(cè)，得載波相位觀測(cè)量： p p1 1( (t t1)1)、 p p1 1( (t t2)2)、 q q1 1( (t t1)1)、 q q1 1( (t t2)2)、 p p2 2( (t t1)1)、 p p2 2( (t t2)2)、 q q2 2( (

24、t t1)1)、 q q2 2( (t t2)2)、。以測(cè)站、。以測(cè)站間間求差求差為例，給出其虛擬觀測(cè)值線性模為例，給出其虛擬觀測(cè)值線性模型及其解算，類(lèi)似可得出衛(wèi)星間求差、型及其解算，類(lèi)似可得出衛(wèi)星間求差、歷元間求差后的觀測(cè)模型。若在歷元間求差后的觀測(cè)模型。若在t t1 1 時(shí)刻時(shí)刻在測(cè)站在測(cè)站T T1 1、T T2 2同時(shí)對(duì)衛(wèi)星同時(shí)對(duì)衛(wèi)星P P 進(jìn)行了載波進(jìn)行了載波相位測(cè)量，得觀測(cè)方程：相位測(cè)量，得觀測(cè)方程：11111111110( )( )( )( )( )ppppppfttItTtf tf tNtc (6-46)22212121220( )( )( )( )( )ppppppfttItT

25、tf tf tNtc (6-47)兩式相減得：兩式相減得：1212111211121112111212010( )( )( ) ( )( )( )( )( )( ) ( )( )ppppppppppppptttfffttItItTtTtcccfttfttNtNt（6-48）1212111122112211221( )( )( ),ppppppppptttIIITTTttt1202010( )( )( )pppNtNtNt設(shè)設(shè)則單差虛擬觀測(cè)方程為：則單差虛擬觀測(cè)方程為：121121121201212( )( )( )pppppfffttf tNtITccc (6-49)由以上可知由以上可知衛(wèi)星鐘

26、差影響衛(wèi)星鐘差影響已消除。當(dāng)兩測(cè)站相距不太遠(yuǎn)已消除。當(dāng)兩測(cè)站相距不太遠(yuǎn)（2020公里公里 以內(nèi)）時(shí)，由于對(duì)流層和電離層折射的影響具有以內(nèi)）時(shí)，由于對(duì)流層和電離層折射的影響具有很強(qiáng)的相關(guān)性，故在測(cè)站間求一次差可消除大氣折射誤差。很強(qiáng)的相關(guān)性，故在測(cè)站間求一次差可消除大氣折射誤差。 測(cè)站間求單差的模擬觀測(cè)模型的優(yōu)點(diǎn)測(cè)站間求單差的模擬觀測(cè)模型的優(yōu)點(diǎn)： 消除了消除了衛(wèi)星鐘誤差衛(wèi)星鐘誤差的影響。的影響。大大削弱了衛(wèi)星大大削弱了衛(wèi)星星歷誤差星歷誤差的影響。的影響。大大削弱了大大削弱了對(duì)流層折射和電離層折射對(duì)流層折射和電離層折射的的影響，在短距離內(nèi)幾乎可以完全消除其影響，在短距離內(nèi)幾乎可以完全消除其影響。影

27、響。對(duì)單差觀測(cè)方程的線性化可得：對(duì)單差觀測(cè)方程的線性化可得： 212121212121212021112( )( )( )( )( )( )( )pppppppXfftkt lt mtXf tNtttccX 式中，式中， 1 1p p( (t t1 1) )為為t t1 1時(shí)刻測(cè)站時(shí)刻測(cè)站1 1至衛(wèi)星的距離至衛(wèi)星的距離對(duì)單差觀測(cè)方程可寫(xiě)出相應(yīng)的誤差方程：對(duì)單差觀測(cè)方程可寫(xiě)出相應(yīng)的誤差方程：21212121212121201212( )( )( )( ) ( )( )ppppppXfVtkt lt mtYf tNtLtcZ 式中，式中，1221011121( )( )( )ppppfLDtDtt

28、c按最小二乘原理對(duì)觀測(cè)方程進(jìn)行求解，最后進(jìn)行精度評(píng)定。按最小二乘原理對(duì)觀測(cè)方程進(jìn)行求解，最后進(jìn)行精度評(píng)定。雙差模型及其解算雙差模型及其解算 所謂雙差即不同觀測(cè)站，同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星，所所謂雙差即不同觀測(cè)站，同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星，所得單差觀測(cè)量之差。得單差觀測(cè)量之差。設(shè)在設(shè)在1 1、2 2測(cè)站測(cè)站t t1 1時(shí)刻同時(shí)觀測(cè)了時(shí)刻同時(shí)觀測(cè)了p p，q q兩個(gè)衛(wèi)星，那么兩個(gè)衛(wèi)星，那么對(duì)對(duì)p p，q q兩顆衛(wèi)星分別有單差模型，如果忽略大氣折射殘兩顆衛(wèi)星分別有單差模型，如果忽略大氣折射殘差，可得衛(wèi)星求雙差的虛擬觀測(cè)方程。差，可得衛(wèi)星求雙差的虛擬觀測(cè)方程。三差模型三差模型三差即不同歷元，同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星所得

29、三差即不同歷元，同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星所得雙差觀測(cè)雙差觀測(cè)量之差。量之差。：64 局域差分局域差分GPS（LDGPS）定位原理）定位原理局域差分局域差分GPSGPS按照基準(zhǔn)站的不同，又可分為：按照基準(zhǔn)站的不同，又可分為：?jiǎn)握静罘謫握静罘侄嗾静罘侄嗾静罘职葱畔⒌陌l(fā)送方式又可分為：按信息的發(fā)送方式又可分為：偽距差分偽距差分相位差分相位差分位置差分位置差分單站差分單站差分單基準(zhǔn)站差分單基準(zhǔn)站差分GPSGPS是根據(jù)一個(gè)基準(zhǔn)站所提供的差分改正是根據(jù)一個(gè)基準(zhǔn)站所提供的差分改正信息對(duì)用戶站進(jìn)行改正的差分信息對(duì)用戶站進(jìn)行改正的差分GPSGPS系統(tǒng)。該系統(tǒng)由系統(tǒng)。該系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、基準(zhǔn)站、無(wú)線電數(shù)據(jù)通信鏈、用戶站無(wú)線

30、電數(shù)據(jù)通信鏈、用戶站三部分組成。三部分組成。單站差分單站差分GPSGPS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和算法都較為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)和算法都較為簡(jiǎn)單。但是該方法的前提是要求用戶站誤差和基準(zhǔn)站誤差具有較但是該方法的前提是要求用戶站誤差和基準(zhǔn)站誤差具有較強(qiáng)的相關(guān)性，因此，定位精度將隨著用戶站與基準(zhǔn)站之間強(qiáng)的相關(guān)性，因此，定位精度將隨著用戶站與基準(zhǔn)站之間的距離增加而迅速降低。的距離增加而迅速降低。 多站差分多站差分 在一個(gè)較大的區(qū)域布設(shè)在一個(gè)較大的區(qū)域布設(shè)多個(gè)基準(zhǔn)站多個(gè)基準(zhǔn)站，以構(gòu)成基，以構(gòu)成基準(zhǔn)站網(wǎng)，其中常包含一個(gè)或數(shù)個(gè)監(jiān)控站，位于該區(qū)準(zhǔn)站網(wǎng)，其中常包含一個(gè)或數(shù)個(gè)監(jiān)控站，位于該區(qū)域中的用戶根據(jù)多個(gè)基準(zhǔn)站所提供

31、的改正信息經(jīng)平域中的用戶根據(jù)多個(gè)基準(zhǔn)站所提供的改正信息經(jīng)平差計(jì)算后求得用戶站定位改正數(shù)，這種差分差計(jì)算后求得用戶站定位改正數(shù)，這種差分GPSGPS定位定位系統(tǒng)稱為具有多個(gè)基準(zhǔn)站的局部區(qū)域差分系統(tǒng)稱為具有多個(gè)基準(zhǔn)站的局部區(qū)域差分GPSGPS系統(tǒng)。系統(tǒng)。區(qū)域差分區(qū)域差分GPSGPS提供改正量主要有以下兩種方法：提供改正量主要有以下兩種方法：(1) (1) 各基準(zhǔn)站以標(biāo)準(zhǔn)化的格式發(fā)射各自各基準(zhǔn)站以標(biāo)準(zhǔn)化的格式發(fā)射各自改正改正信息，而信息，而用戶接收機(jī)接收各基準(zhǔn)站的改正量，并取其加權(quán)平均，作用戶接收機(jī)接收各基準(zhǔn)站的改正量，并取其加權(quán)平均，作為用戶站的改正數(shù)。其中改正數(shù)的權(quán)，可根據(jù)用戶站與基為用戶站的改

32、正數(shù)。其中改正數(shù)的權(quán)，可根據(jù)用戶站與基準(zhǔn)站的相對(duì)位置來(lái)確定。準(zhǔn)站的相對(duì)位置來(lái)確定。(2) (2) 根據(jù)各根據(jù)各基準(zhǔn)站的分布基準(zhǔn)站的分布，預(yù)先在網(wǎng)中構(gòu)成以用戶站與，預(yù)先在網(wǎng)中構(gòu)成以用戶站與基準(zhǔn)站的相對(duì)位置為函數(shù)的改正數(shù)的加權(quán)平均值模型，基準(zhǔn)站的相對(duì)位置為函數(shù)的改正數(shù)的加權(quán)平均值模型，并將其統(tǒng)一發(fā)送給用戶。并將其統(tǒng)一發(fā)送給用戶。 偽距差分原理偽距差分原理 偽距差分是是通過(guò)在基準(zhǔn)站上利用已知坐標(biāo)求出測(cè)偽距差分是是通過(guò)在基準(zhǔn)站上利用已知坐標(biāo)求出測(cè)站至衛(wèi)星的距離，并將其與含有誤差的測(cè)量距離比較，站至衛(wèi)星的距離，并將其與含有誤差的測(cè)量距離比較，然后利用一個(gè)濾波器將此差值濾波并求出其偏差，并將然后利用一個(gè)濾

33、波器將此差值濾波并求出其偏差，并將所有衛(wèi)星的測(cè)距誤差傳輸給用戶，用戶利用此測(cè)距誤差所有衛(wèi)星的測(cè)距誤差傳輸給用戶，用戶利用此測(cè)距誤差來(lái)改正測(cè)量的偽距，并解算出用戶自身的坐標(biāo)。來(lái)改正測(cè)量的偽距，并解算出用戶自身的坐標(biāo)。測(cè)站測(cè)站i i與衛(wèi)星與衛(wèi)星j j之間在之間在t t時(shí)刻的偽距為：時(shí)刻的偽距為：()jjjjjjiiiiiicttITd（6-67） 222()()()jjjjiiiiXXYYZZ而：而：故由基準(zhǔn)站接收機(jī)測(cè)得的包含各種誤差的偽距與幾何距故由基準(zhǔn)站接收機(jī)測(cè)得的包含各種誤差的偽距與幾何距離之間存在差值：離之間存在差值：jjjiii（6-68）位置差分原理位置差分原理 位置差分是一種最簡(jiǎn)單的

34、差分方法。安置在已知點(diǎn)位置差分是一種最簡(jiǎn)單的差分方法。安置在已知點(diǎn)基準(zhǔn)站上的基準(zhǔn)站上的GPSGPS接收機(jī)通過(guò)對(duì)接收機(jī)通過(guò)對(duì)4 4顆或顆或4 4顆以上的衛(wèi)星觀測(cè)，顆以上的衛(wèi)星觀測(cè)，便可求出基準(zhǔn)站的坐標(biāo)（便可求出基準(zhǔn)站的坐標(biāo)（XX，YY，ZZ）。由于存在）。由于存在著衛(wèi)星星歷、時(shí)鐘誤差、大氣折射等誤差的影響，該坐著衛(wèi)星星歷、時(shí)鐘誤差、大氣折射等誤差的影響，該坐標(biāo)與已知坐標(biāo)（標(biāo)與已知坐標(biāo)（X X，Y Y，Z Z）不一樣，存在誤差。即）不一樣，存在誤差。即XXXYYYZZZ (6-72)式中，式中，X X、Y Y、Z Z 為坐標(biāo)改正數(shù)，基準(zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈將坐標(biāo)為坐標(biāo)改正數(shù)，基準(zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈將坐標(biāo)改正數(shù)發(fā)

35、送給用戶站，用戶站用接收到的坐標(biāo)改正數(shù)對(duì)其坐標(biāo)進(jìn)行改正數(shù)發(fā)送給用戶站，用戶站用接收到的坐標(biāo)改正數(shù)對(duì)其坐標(biāo)進(jìn)行改正：改正：kkkkkkXXXYYYZZZ （6-73）如果考慮數(shù)據(jù)傳送時(shí)間差而引起的用戶站位置的瞬間變?nèi)绻紤]數(shù)據(jù)傳送時(shí)間差而引起的用戶站位置的瞬間變化，則可寫(xiě)為：化，則可寫(xiě)為：000()()()()()()kkkkkkkkkdXXXXXttdtdYYYYYttdtdZZZZZttdt（6-74） 式中，式中，t t為用戶站時(shí)刻；為用戶站時(shí)刻；t t0 0為基準(zhǔn)站校正時(shí)刻。為基準(zhǔn)站校正時(shí)刻。載波相位差分原理載波相位差分原理 載波相位差分載波相位差分GPSGPS定位與偽距差分定位與偽距差

36、分GPSGPS定位原理相類(lèi)似。定位原理相類(lèi)似。載波相位差分載波相位差分GPSGPS有兩種定位方法：有兩種定位方法：改正法改正法與偽距差分相同，基準(zhǔn)站將載波相位的改正與偽距差分相同，基準(zhǔn)站將載波相位的改正量發(fā)送給用戶站，以對(duì)用戶站的載波相位進(jìn)行改量發(fā)送給用戶站，以對(duì)用戶站的載波相位進(jìn)行改正實(shí)現(xiàn)定位。正實(shí)現(xiàn)定位。求差法求差法將基準(zhǔn)站的載波相位發(fā)送給用戶站，并由用將基準(zhǔn)站的載波相位發(fā)送給用戶站，并由用戶站將觀測(cè)值求差進(jìn)行坐標(biāo)解算。戶站將觀測(cè)值求差進(jìn)行坐標(biāo)解算。 65 廣域差分廣域差分GPS（WADGPS）定位原理定位原理廣域差分廣域差分GPSGPS定位是針對(duì)局定位是針對(duì)局域差分域差分GPSGPS定位

37、中存在的間定位中存在的間題，將觀測(cè)誤差按誤差的不題，將觀測(cè)誤差按誤差的不同來(lái)源劃分成同來(lái)源劃分成星歷誤差、衛(wèi)星歷誤差、衛(wèi)星鐘差及大氣折射誤差星鐘差及大氣折射誤差來(lái)進(jìn)來(lái)進(jìn)行改正，以提高差分定位的行改正，以提高差分定位的精度和可靠性。精度和可靠性。圖圖6-8 6-8 廣域差分廣域差分GPSGPS的系統(tǒng)的系統(tǒng)組成組成廣域差分廣域差分GPSGPS定位的基本思想是在一個(gè)定位的基本思想是在一個(gè)相當(dāng)大的區(qū)域中用相對(duì)較少的基準(zhǔn)站組相當(dāng)大的區(qū)域中用相對(duì)較少的基準(zhǔn)站組成差分成差分GPSGPS網(wǎng)，各基準(zhǔn)站將求得的距離網(wǎng)，各基準(zhǔn)站將求得的距離改正數(shù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心，由數(shù)據(jù)處改正數(shù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心，由數(shù)據(jù)處理中心統(tǒng)

38、一處理，將各種理中心統(tǒng)一處理，將各種GPSGPS觀測(cè)誤差觀測(cè)誤差源加以區(qū)分，然后再傳送給用戶。這種源加以區(qū)分，然后再傳送給用戶。這種系統(tǒng)稱為廣域差分系統(tǒng)稱為廣域差分GPSGPS系統(tǒng)。系統(tǒng)。 與一般的差分與一般的差分GPSGPS相比，廣域差分相比，廣域差分GPSGPS具有如下特點(diǎn)具有如下特點(diǎn): : 主站、監(jiān)測(cè)站與用戶站的站間距離從主站、監(jiān)測(cè)站與用戶站的站間距離從100100公里增加到公里增加到200200公里公里，定位，定位精度不會(huì)出現(xiàn)明顯的下降，即定位精度與用戶和基準(zhǔn)站（監(jiān)測(cè)站）精度不會(huì)出現(xiàn)明顯的下降，即定位精度與用戶和基準(zhǔn)站（監(jiān)測(cè)站）之間的距離無(wú)關(guān)。之間的距離無(wú)關(guān)。在大區(qū)域內(nèi)建立廣域差分GP

39、S網(wǎng)比區(qū)域GPS網(wǎng)需要的監(jiān)測(cè)站數(shù)量少，投資小。例如，在美國(guó)大陸的任意地方要達(dá)到5m的差分定位精度，使用區(qū)域差分GPS方式需要建立500個(gè)基準(zhǔn)站，而使用廣域差分GPS方式的監(jiān)測(cè)站個(gè)數(shù)將不超過(guò)15個(gè)。廣域差分廣域差分GPSGPS具有具有較均勻的精度分布較均勻的精度分布，在其覆蓋范圍內(nèi)任意地區(qū)定位，在其覆蓋范圍內(nèi)任意地區(qū)定位精度大致相當(dāng)，而且定位精度較局域差分精度大致相當(dāng)，而且定位精度較局域差分GPSGPS系統(tǒng)高。系統(tǒng)高。廣域差分廣域差分GPSGPS覆蓋區(qū)域覆蓋區(qū)域可以擴(kuò)展到區(qū)域差分可以擴(kuò)展到區(qū)域差分GPSGPS不易發(fā)揮作用的地域，不易發(fā)揮作用的地域，如海洋、沙漠、森林等。如海洋、沙漠、森林等。廣域

40、差分廣域差分GPSGPS系統(tǒng)使用的系統(tǒng)使用的硬件設(shè)備及通信工具昂貴硬件設(shè)備及通信工具昂貴，軟件技術(shù)復(fù)雜，軟件技術(shù)復(fù)雜，運(yùn)行和維持費(fèi)用較局域差分運(yùn)行和維持費(fèi)用較局域差分GPSGPS高得多。高得多。 美國(guó)聯(lián)邦航空局（美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAAFAA）在）在廣域差分廣域差分GPSGPS的基礎(chǔ)上，提的基礎(chǔ)上，提出利用地球同步衛(wèi)星出利用地球同步衛(wèi)星（GEOGEO），采用），采用L1L1波段轉(zhuǎn)發(fā)波段轉(zhuǎn)發(fā)差分差分GPSGPS修正信號(hào)，同時(shí)發(fā)修正信號(hào)，同時(shí)發(fā)射調(diào)制在射調(diào)制在L1L1上的上的C CA A 碼偽碼偽距的思想，稱之為距的思想，稱之為廣域增強(qiáng)廣域增強(qiáng)GPSGPS系統(tǒng)（系統(tǒng)（WAASWAAS）。）。 圖圖6

41、-9 6-9 廣域增強(qiáng)廣域增強(qiáng)GPSGPS系統(tǒng)（系統(tǒng)（WAASWAAS）http:/ 水聲設(shè)備：水聲設(shè)備：換能器換能器：是一種聲電轉(zhuǎn)換器，能根據(jù)需要使聲振蕩和電振蕩相互轉(zhuǎn)換。水聽(tīng)器水聽(tīng)器：本身不發(fā)射聲信號(hào)，只是接收聲信號(hào)。應(yīng)答器應(yīng)答器：既能接收聲信號(hào)，而且還能發(fā)射不同于所接收聲信號(hào)頻率的應(yīng)答信號(hào)，是水聲定位系統(tǒng)的主要水下設(shè)備，它也能作為海底控制點(diǎn)的照準(zhǔn)標(biāo)志（即水聲聲標(biāo)）。水聲定位系統(tǒng)通常采用的方式：水聲定位系統(tǒng)通常采用的方式：測(cè)距測(cè)距定位方式定位方式 測(cè)向測(cè)向定位方式定位方式由船臺(tái)發(fā)射機(jī)通過(guò)安置于船由船臺(tái)發(fā)射機(jī)通過(guò)安置于船底的底的換能器換能器M M向水下向水下應(yīng)答器應(yīng)答器P P（位置已知）發(fā)射

42、聲脈沖信號(hào)（位置已知）發(fā)射聲脈沖信號(hào)（詢問(wèn)信號(hào)），應(yīng)答器接收該（詢問(wèn)信號(hào)），應(yīng)答器接收該信號(hào)后即發(fā)回一應(yīng)答聲脈沖信信號(hào)后即發(fā)回一應(yīng)答聲脈沖信號(hào)，船臺(tái)接收機(jī)記錄發(fā)射詢問(wèn)號(hào)，船臺(tái)接收機(jī)記錄發(fā)射詢問(wèn)信號(hào)和接收應(yīng)答信號(hào)的信號(hào)和接收應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間間時(shí)間間隔隔，通過(guò)下式即可算出船至水，通過(guò)下式即可算出船至水下應(yīng)答器之間的距離下應(yīng)答器之間的距離圖圖6-10 6-10 水聲測(cè)距定位原理水聲測(cè)距定位原理12SC t測(cè)距定位方式：測(cè)距定位方式：由于應(yīng)答器的深度由于應(yīng)答器的深度Z Z已知，于是，船臺(tái)至應(yīng)答器之間的已知，于是，船臺(tái)至應(yīng)答器之間的水平距離水平距離D D可按可按下式求出：下式求出：22DSZ 船臺(tái)上除安置

43、換能器以外，還在船臺(tái)上除安置換能器以外，還在船的兩側(cè)各安置一個(gè)水聽(tīng)器，即船的兩側(cè)各安置一個(gè)水聽(tīng)器，即a a和和b b。P P為水下應(yīng)答器。設(shè)為水下應(yīng)答器。設(shè)PMPM方向與方向與水聽(tīng)器水聽(tīng)器a a，b b連線之間的夾角為連線之間的夾角為，a a，b b之間距離為之間距離為d d，且，且aMaM= =bMbM= =d d/2/2。設(shè)設(shè)t t和和tt分別為分別為a a和和b b相位超前相位超前和滯后的時(shí)延，那么由圖和滯后的時(shí)延，那么由圖6-116-11可寫(xiě)可寫(xiě)出出a a和和b b接收信號(hào)的相位分別為接收信號(hào)的相位分別為： 圖圖6-11 6-11 測(cè)向方式的工作原理測(cè)向方式的工作原理coscosabd

44、dtt 2cosbad67 水聲定位系統(tǒng)及其工作方式水聲定位系統(tǒng)及其工作方式水聲定位系統(tǒng)的工作方式：水聲定位系統(tǒng)的工作方式：直接工作方式直接工作方式中繼工作方式中繼工作方式長(zhǎng)基線工作方式長(zhǎng)基線工作方式拖魚(yú)工作方式拖魚(yú)工作方式短基線工作方式短基線工作方式超短基線工作方式超短基線工作方式雙短基線工作方式雙短基線工作方式分類(lèi)聲基線長(zhǎng)度超短基線SSBL/USBL(super/ultra short baseline)10 cm短基線SBL(short baseline)2050 m長(zhǎng)基線LBL(long baseline)1006000 ml長(zhǎng)基線聲學(xué)定位系統(tǒng) 長(zhǎng)基線系統(tǒng)包含兩部分，一部分是安裝在船只

45、上或水下機(jī)器人上長(zhǎng)基線系統(tǒng)包含兩部分，一部分是安裝在船只上或水下機(jī)器人上的的收發(fā)器收發(fā)器(transducer)(transducer)；另一個(gè)部分是一系列已知位置的固定在海底；另一個(gè)部分是一系列已知位置的固定在海底上的上的應(yīng)答器應(yīng)答器，這些應(yīng)答器之間的距離構(gòu)成基線。，這些應(yīng)答器之間的距離構(gòu)成基線。（1 1）一個(gè)應(yīng)答器定位）一個(gè)應(yīng)答器定位如圖，如圖，P(xP(x0 0，y y0 0) )為應(yīng)答器，為應(yīng)答器，A A、B B和和C C為具有航向?yàn)榫哂泻较騅 K的航線上的三個(gè)船位，的航線上的三個(gè)船位，D DA A、D DB B，D DC C為應(yīng)答器至為應(yīng)答器至A A，B B，C C的水平距離。的水平

46、距離。該船的航速為該船的航速為V V，由，由A A到到B B的航行時(shí)間的航行時(shí)間為為tAtA，由，由B B到到C C的航行時(shí)間為于的航行時(shí)間為于tctc，則：，則：實(shí)際工作時(shí)，它既可利用一個(gè)應(yīng)答器進(jìn)行定位，也可同時(shí)利用二個(gè)，實(shí)際工作時(shí)，它既可利用一個(gè)應(yīng)答器進(jìn)行定位，也可同時(shí)利用二個(gè)，三個(gè)或更多的應(yīng)答器來(lái)進(jìn)行測(cè)距定位。三個(gè)或更多的應(yīng)答器來(lái)進(jìn)行測(cè)距定位。222002220022200()()()()()()AAABBBCCCxxyyDxxyyDxxyyDcos(180) cos()sin(180) sin()AACCAACCxxVtKxxVtKyyVtKyyVtK顯然，顯然，V、tA、tD、K、x

47、0，y0、DA，DB，DC均為已知，僅均為已知，僅有二個(gè)未知數(shù)有二個(gè)未知數(shù)x、y，于是可用最小二乘法求出船位，于是可用最小二乘法求出船位B的坐標(biāo)的坐標(biāo)x、y。然后將。然后將x、y代入代入(6-89)式求出船位式求出船位A和和C的坐標(biāo)。的坐標(biāo)。 這種是以船速、船向誤差較小為前提的，一般情況下定這種是以船速、船向誤差較小為前提的，一般情況下定位位精度不高精度不高。(2)雙應(yīng)答器定位雙應(yīng)答器定位 P1(x1，y1)，P2(x2，y2)，分別為兩個(gè)聲標(biāo)的位置，C為船位。a12為聲標(biāo)基線d的方位角，為聲標(biāo)P1處三角形頂角，Dl、D2為船到聲標(biāo)的水平距離。 121212yaarctgx222121arcc

48、os2DdDdD 11121112cos() sin()CCxxDayyDa如果如果C C在聲標(biāo)在聲標(biāo)P P1 1、P P2 2聯(lián)線的另一側(cè)，則上式應(yīng)為：聯(lián)線的另一側(cè)，則上式應(yīng)為：11121112cos() sin()CCxxDayyDa三個(gè)應(yīng)答器的定位公式三個(gè)應(yīng)答器的定位公式x、y表示測(cè)量船的平面坐標(biāo)表示測(cè)量船的平面坐標(biāo)z 為測(cè)量船換能器為測(cè)量船換能器t的吃水深度；的吃水深度；(xi，yi，zi) i=1,2,3, 表示已知的水下聲標(biāo)表示已知的水下聲標(biāo)T的坐標(biāo)，的坐標(biāo)，Ri (i=1,2,3) 為測(cè)量船至水下聲標(biāo)間的距離。為測(cè)量船至水下聲標(biāo)間的距離。則船船位可通過(guò)空間交會(huì)獲得則船船位可通過(guò)空

49、間交會(huì)獲得.222211112222222222223333()()()()()()()()()RxxyyzzRxxyyzzRxxyyzz132213321132232332132213321132232332()()()2()()()()()()2()()()yyyyyyxx yyxyyxyyxxxxxxyy xxyxxy xx22222 (i=1,2,3)iiiiiixyzRz zl 短基線系統(tǒng)短基線系統(tǒng) 該系統(tǒng)的水下部份僅需要一個(gè)該系統(tǒng)的水下部份僅需要一個(gè)水聲應(yīng)答水聲應(yīng)答器，而船上部分是安置于船底部的一個(gè)器，而船上部分是安置于船底部的一個(gè)水聽(tīng)器基陣水聽(tīng)器基陣。換能器之間的距離一般超。換能

50、器之間的距離一般超過(guò)過(guò)10m10m，換能器之間的相互關(guān)系精確測(cè)定，換能器之間的相互關(guān)系精確測(cè)定，并組成聲基陣坐標(biāo)系。并組成聲基陣坐標(biāo)系。系統(tǒng)的工作方式是系統(tǒng)的工作方式是距離測(cè)量距離測(cè)量。測(cè)。測(cè)量方式是由一個(gè)換能器發(fā)射，所有量方式是由一個(gè)換能器發(fā)射，所有換能器接收，得到一個(gè)斜距觀測(cè)值換能器接收，得到一個(gè)斜距觀測(cè)值和不同于這個(gè)觀測(cè)值的多個(gè)斜距值和不同于這個(gè)觀測(cè)值的多個(gè)斜距值?；囎鴺?biāo)系與船坐標(biāo)系的相互關(guān)基陣坐標(biāo)系與船坐標(biāo)系的相互關(guān)系由常規(guī)測(cè)量方法確定。系統(tǒng)根據(jù)系由常規(guī)測(cè)量方法確定。系統(tǒng)根據(jù)基陣相對(duì)船坐標(biāo)系的固定關(guān)系，結(jié)基陣相對(duì)船坐標(biāo)系的固定關(guān)系，結(jié)合外部傳感器觀測(cè)值，如合外部傳感器觀測(cè)值，如GPSGPS、動(dòng)、動(dòng)態(tài)傳感器單元態(tài)傳感器單元MRUMRU、羅經(jīng)、羅經(jīng)GyroGyro提供提供的船位、姿態(tài)和船艏向值，計(jì)算得的船位、姿態(tài)和船艏向值，計(jì)算得到海底點(diǎn)的大地坐標(biāo)。到海底點(diǎn)的大地坐標(biāo)。 H H1 1、H H2 2和和H H3 3為為水聽(tīng)器水聽(tīng)器，O O為換為換能器能器( (它也是船體空間直角坐它也是船體空間直角坐標(biāo)系的中心標(biāo)系的中心) )，