超短基线定位技术在水下潜器对接中的应用研究

论文摘要

21世纪是人类全面开发利用海洋的新世纪。深海空间站是一个有助于充分利用我国海洋资源的平台。为保证深海空间站的正常运转,由穿梭潜器来保障物资及人员的输送。本论文的主要工作以穿梭潜器所需的超短基线定位为背景,研究了高精度超短基线定位技术、多目标定位技术、安装误差校准技术和位姿测量技术。超短基线定位系统的定位精度主要取决于基阵测向精度。由Cramer-Rao下限理论可知,相位差的估计精度取决于信号的信噪比和带宽。为了得到更高的定位精度,考虑从系统基阵阵型上打破传统超短基线基阵设计的束缚,设计适合本系统的新阵型。而在大孔径阵型条件下,抗模糊成为挑战性的难点。本文对窄带信号提出了利用脉冲对相位抗模糊的方法,对宽带信号的提出了一种易于工程实现的相位解缠绕方法。理论分析和仿真结果都证明本文提出的抗模糊方法成功的解决了这一问题,从而在保证定位精度的条件下简化了基阵,降低了系统的复杂性。超短基线定位系统除了声学定位设备外还配备有GPS设备和姿态传感器,这样整个系统的传感器就至少包括水声传感器、姿态传感器、GPS天线。然而各个传感器所在的坐标系并不能保证在同一坐标下,各个传感器所在的坐标系之间存在着角度偏差,这种偏差是可以通过安装误差校准来修正的。基于平均声速的常规安装误差校准技术在深水条件下由于忽略了声线弯曲而存在较大的误差,无法满足高精度定位要求;针对这一问题,本文提出了一种基于声线跟踪的安装误差校准方法,仿真和试验证明了该方法的有效性。为实现水下对接,需要知道穿梭潜器和深海空间站的相对位姿信息。本文研究了基于COSTAS阵列的跳频信号和基于OFDM调制与GOLD序列相结合的多目标定位技术,在此基础上提出了一种位姿解算算法,并导出了对接的准则。最后通过试验数据分析验证了该位姿解算算法的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超短基线发展现状
• 1.2.1 主流的超短基线产品
• 1.2.2 国内的发展现状
• 1.3 超短基线的发展方向
• 1.3.1 超短基线定位技术发展方向
• 1.3.2 超短基线应用技术发展方向
• 1.4 穿梭潜器的基本组成
• 1.5 本文研究的内容
• 第2章 高精度声学超短基线定位研究
• 2.1 引言
• 2.2 基于窄带信号的超短基线定位原理
• 2.2.1 基于相位差测量的超短基线定位原理
• 2.2.2 高精度相位差估计器
• 2.2.3 基于脉冲对的高精度定位原理
• 2.3 基于宽带信号的超短基线定位原理
• 2.3.1 基于时延差测量的超短基线定位原理
• 2.3.2 高精度时延差估计器
• 2.3.3 相位解模糊
• 2.4 坐标计算
• 2.4.1 坐标系与姿态角的定义
• 2.4.2 旋转矩阵与坐标转换
• 2.4.3 姿态角的修正
• 2.4.4 坐标计算
• 2.5 超短基线定位系统误差分析
• 2.5.1 超短基线声学定位误差分析
• 2.5.2 超短基线总体定位误差分析
• 2.6 试验
• 2.6.1 试验系统
• 2.6.2 水池试验
• 2.6.3 海试
• 2.7 本章小结
• 第3章 系统安装误差校准技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 基于平均声速的基阵偏角误差校准算法
• 3.2.1 非线性最小二乘估计的迭代解法
• 3.2.2 基于平均声速的基阵偏角误差校准
• 3.2.3 算法改进
• 3.3 基于声线跟踪的基阵偏角误差校准
• 3.3.1 基于射线声学的声线跟踪
• 3.3.2 基于声线跟踪的基阵安装偏角校准
• 3.4 安装误差校准测线的选取
• 3.5 仿真与试验
• 3.5.1 仿真分析
• 3.5.2 试验分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于超短基线的位姿解算
• 4.1 引言
• 4.2 多目标定位技术
• 4.2.1 基于窄带信号的多目标定位技术
• 4.2.2 基于COSTAS阵列的多目标定位技术
• 4.2.3 基于OFDM符号的多目标定位技术
• 4.2.4 可容纳目标数分析
• 4.3 位姿解算算法
• 4.3.1 目标平面位置解算
• 4.3.2 目标平面姿态解算
• 4.3.3 平面平行判据
• 4.3.4 位姿解算仿真
• 4.4 位姿测量误差分析
• 4.4.1 相对姿态角误差分析
• 4.4.2 相对位置误差分析
• 4.5 试验
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录 试验设备