水下声学目标的定位系统设计与开发(附件)
海洋覆盖着地球上大部分的面积，存在着十分丰富的资源，这些资源大部分未被开发利用。如今世界经济高速发展，因为过渡的开采，陆地上资源慢慢变得匮乏。而海洋中面有着丰富的资源，并且人们对能源的需求与日俱增，人们对于开发海洋的呼声越来越高。全球大多数国家也逐渐意识到了海洋开发带来的效益，通过大力发展关于海洋方面的技术，去开发海洋中的资源。水下定位导航技术是开发海洋的重要保证，大力发展水下定位导航技术尤为重要。
超短基线定位系统是利用水声定位技术实现对水下目标进行定位、跟踪和传输数据的系统[[参考文献
[]刘义海,张效民,赵延安,等.一种低功耗水下目标识别系统设计[J].计算机测量与控制, 2012, 20(2):185-188.]]。人们对超短基线（USBL）定位系统的需求越来越大,本文旨在开发出模拟水下声学目标的定位系统，该系统能够实现水下目标的定位，并且还能够结合GPS设备，实时显示水下目标的运动轨迹和经纬度信息等。
本论文基于MATLAB GUI的设计，开发出了一种模拟超短基线定位系统的显示平台,提供了两种可供选择的算法，泰勒级数展开的算法和chan氏算法实现TDOA算法，完成了对水下目标的精确定位,获取母船上GPS信息，显示目标经纬度信息和实时运动的轨迹。
关键词：超短基线；水声定位；MATLAB GUI；TDOA算法
第一章 绪论 1
1.1 论文背景及意义 1
1.2 水声定位技术简介 1
1.3 水下声学目标定位系统简介 3
1.3.1 定位系统概述 3
1.3.2 定位系统主要功能 4
1.3.3 系统总体结构 4
1.4 论文内容安排 5
第二章 水下声学目标定位系统原理 6
2.1超短基线基本定位原理 6
2.2 影响定位精度的主要原因 8
2.2.1 多径效应 8
2.2.2 非视距 NLOS传播 8
2.3.2 其他因素影响 9
2.4 本章小结 9
第三章 水下声学定位系统的算法分析 10
3.1 TDOA算法 10
3.1.1 TDOA算法介绍 10
3.1.2 TDOA数学模型 11
3.1.3 chan氏算法 12
3.1.4 泰勒级数展开算法 14
3.2 算法仿真实验 15
3.2.1 阵元数对距离误差的影响 15
3.2.2 扰动对距离误差的影响 15
3.3 本章小结 15
第四章 水下声学目标定位系统平台的设计 17
4.1 水下声学定位系统功能需求与开发环境 17
4.1.1 水下声学定位系统功能需求 17
4.1.2 水下声学定位系统开发环境 17
4.2 水下声学定位系统组织结构 17
4.2.1 功能分配及模块划分 17
4.2.2 系统总体工作流程 18
4.2.3 系统主要模块设计 19
4.3 坐标的转换 21
4.3.1 大地测量基准 21
4.3.2 常用椭球坐标系及坐标形式 21
4.3.1 坐标系转换的模型及其公式表示 24
4.4 本章小结 28
第五章 系统的仿真测试与实验结果 29
5.1 系统的仿真测试过程 29
5.2 系统的仿真测结果 31
5.3 本章小结 32
结 论 33
致 谢 34
参考文献..35
第一章 绪论
1.1 论文背景及意义
世界各国越来越高度重开发潜力无穷的海洋，并且我国已经成功开采了海底的可燃冰，我国在海洋开发领域上又迈上了一个新台阶。能够成功开采海底可燃冰，离不一个重要的技术，那就是水下定位的技术。开发海洋里面的丰富资源能够缓解当今能源短缺的局面，改善人类的生存环境。研发关于海洋的技术，更重要的还能强大我国的国防事业，保障我国海域的安全。
水下导航技术是能够成功开发海洋的保障。当水下潜器在水底作业时，水下潜器能够成功的找到目标，并成功完成水下的作业，离不开水下导航技术。长基线定位方式大多在以往的下潜器使用，超短基线定位技术在过去的几十年里得到了十分迅猛发展，人们更青睐于将超短基线设备作为潜器的声学定位设备。超短基线设备有着很多的优点比如简单装卸方便更重要的是它的定位精度相对于长基线来说得到了很大提高。
1.2 水声定位技术简介
电磁波在水中的衰减比较快、传播的距离比较短，而声波相对于电磁波在水中的传播性比较好。所以，人们把声波作为在水下传播信息的载体。在一定区域的水域，可以利用目标发射的声脉进行定位。对于接收器上不同的水听头离目标的距离也是不同的，根据声脉冲传播的时间或相位差异，实现水下的目标的定位。
在水声定位系统中存在着“基线长度”的概念，基线长度是声接收换能器的基阵的尺寸或者是应答器之间距离。可以根据基线的长度大小的不同，可以将水声定位系统分成为长基线、短基线与超短基线等几种水声定位系统。对于长基线水声定位系统它的基线长度是水下应答器间的距离，它的基线长度通常是在100m到6000m范围内。短基线水声定位系统的基线长度是指水下的应答器和装在船底的换能器组成，长度通常是1m 到 50m 之范围内。对于超短基线水声定位系统来说，它的基线长度是指装在船底的水听器间的距离，长度通常是小于0.5m的。通常由是由四以及以上的接收换能器和一个发射的换能器构成了超短基线换能器基阵，并且安装在船底。超短基线定位系统发射换能器位于四个接收换能器中间的位置，并且四个接收换能器有一定的垂直孔径，呈现正交十字阵排列。
超短基线（USBL）定位系统是通过接收水下应答器的应答信号，分析不同接收器之间的时间差和相位差信息完成对水下应答器的定位[[[]陈君.超短基线水声定位系统应答器设计[D].北京化工大学, 2012.]]。一能够成功完成对水下的目标进行定位，系统至少需要三个接收基元组成平面接收阵。超短基线系统具有安装方便、作业成本低、体积小等优势因而被广泛应用在水下定位与导航等方面。在水下环境下，将超短基线系统应用在通信方面一直是我国水声研究的空白点也是薄弱点。
国外目前已经出现了很多种超短基线定位的产品，超短基线在近些年得到了迅猛的发展。法国一家名为Oceano的公司研发的Posidonia 6000超短基线定位系统，在水声定位方面比较出色。以及英国Sonardyne公司根据水域深度的不同分别研制出了Scout USBL、Ranger1 USBL、Ranger2 USBL等一系列的产品。Link-Quest公司的TrackLink系列（如下图所示）在工业中应用最为广泛。TrackLink系列是集成了高速水声通信系统的USBL 跟踪系统。LinkQuest向用户提供了物美价廉的水下跟踪和通信解决方案是因为采用了宽带水声扩频（BASS）的技术。
TrackLink 1500系统 TrackLink 1500组件
世界最畅销的超短基线声学（USBL）声频跟踪系统是由LinkQuest公司开发的TrackLink系统，其具备高速声波通讯的功能。LinkQuest向用户提供低成本的水下通讯与水下跟踪方法，因其利用了声学宽波段宽谱的技术。系统包含了多个型号（如下表所示）以便适合用户的财政预算与特定用途。TrackLink系统特点：（1）采用了PC 机Windows 跟踪软件，可直接连接发射器，对数据的处理比较便携；（2）发射器轻巧，方便安装在船只上。
TrackLink型号一览表
型号 定位精度 描述
TrackLink 1500LC 3度 性能较差；价格便宜
TrackLink 1500MA 1度 性能适中；价格适中
TrackLink 1500HA 0.25度 性能较好；价格昂贵
哈尔滨工程大学目前在国内对于这方面研究处于领先的地位，在1995年，哈尔滨工程大学研制出了一套能够同时追踪5个目标，并且成功克服了象限模糊的问题的超短基线系统。接着在2006年9月国家海洋局第一海洋研究所与哈尔滨工程大学共同承担的“863计划”以海洋资源开发技术作为主题——“长程超短基线定位系统”，研制成功,这个系统是由有着自主知识产权、我国第一套自行研制的高精度深水超短基线定位系统,技术达到国际先进的水平,打破了国外对技术的封锁,并且改变此前我国依靠进口深海仪器设备，为作业的高精度定位和水下探测提供了技术装备,也为我国的海洋资源的开发提供了重要的科技支撑。
超短基线定位技术研究取得巨大的进步，无论是在深度上；目标的个数上；以及对目标定位的精度上。目前超短基线定位系统正在朝着宽带扩谱技术方向飞速发展着，深水情况下潜器的需求越来越急迫。对于深水作业，高精度；多目标定位是作业效率和安全性的保证，深水潜器正在朝着这两方面日益完善。
超短基线定位系统是利用水声定位技术实现对水下目标进行定位、跟踪和传输数据的系统[[参考文献
[]刘义海,张效民,赵延安,等.一种低功耗水下目标识别系统设计[J].计算机测量与控制, 2012, 20(2):185-188.]]。人们对超短基线（USBL）定位系统的需求越来越大,本文旨在开发出模拟水下声学目标的定位系统，该系统能够实现水下目标的定位，并且还能够结合GPS设备，实时显示水下目标的运动轨迹和经纬度信息等。
本论文基于MATLAB GUI的设计，开发出了一种模拟超短基线定位系统的显示平台,提供了两种可供选择的算法，泰勒级数展开的算法和chan氏算法实现TDOA算法，完成了对水下目标的精确定位,获取母船上GPS信息，显示目标经纬度信息和实时运动的轨迹。
关键词：超短基线；水声定位；MATLAB GUI；TDOA算法
第一章 绪论 1
1.1 论文背景及意义 1
1.2 水声定位技术简介 1
1.3 水下声学目标定位系统简介 3
1.3.1 定位系统概述 3
1.3.2 定位系统主要功能 4
1.3.3 系统总体结构 4
1.4 论文内容安排 5
第二章 水下声学目标定位系统原理 6
2.1超短基线基本定位原理 6
2.2 影响定位精度的主要原因 8
2.2.1 多径效应 8
2.2.2 非视距 NLOS传播 8
2.3.2 其他因素影响 9
2.4 本章小结 9
第三章 水下声学定位系统的算法分析 10
3.1 TDOA算法 10
3.1.1 TDOA算法介绍 10
3.1.2 TDOA数学模型 11
3.1.3 chan氏算法 12
3.1.4 泰勒级数展开算法 14
3.2 算法仿真实验 15
3.2.1 阵元数对距离误差的影响 15
3.2.2 扰动对距离误差的影响 15
3.3 本章小结 15
第四章 水下声学目标定位系统平台的设计 17
4.1 水下声学定位系统功能需求与开发环境 17
4.1.1 水下声学定位系统功能需求 17
4.1.2 水下声学定位系统开发环境 17
4.2 水下声学定位系统组织结构 17
4.2.1 功能分配及模块划分 17
4.2.2 系统总体工作流程 18
4.2.3 系统主要模块设计 19
4.3 坐标的转换 21
4.3.1 大地测量基准 21
4.3.2 常用椭球坐标系及坐标形式 21
4.3.1 坐标系转换的模型及其公式表示 24
4.4 本章小结 28
第五章 系统的仿真测试与实验结果 29
5.1 系统的仿真测试过程 29
5.2 系统的仿真测结果 31
5.3 本章小结 32
结 论 33
致 谢 34
参考文献..35
第一章 绪论
1.1 论文背景及意义
世界各国越来越高度重开发潜力无穷的海洋，并且我国已经成功开采了海底的可燃冰，我国在海洋开发领域上又迈上了一个新台阶。能够成功开采海底可燃冰，离不一个重要的技术，那就是水下定位的技术。开发海洋里面的丰富资源能够缓解当今能源短缺的局面，改善人类的生存环境。研发关于海洋的技术，更重要的还能强大我国的国防事业，保障我国海域的安全。
水下导航技术是能够成功开发海洋的保障。当水下潜器在水底作业时，水下潜器能够成功的找到目标，并成功完成水下的作业，离不开水下导航技术。长基线定位方式大多在以往的下潜器使用，超短基线定位技术在过去的几十年里得到了十分迅猛发展，人们更青睐于将超短基线设备作为潜器的声学定位设备。超短基线设备有着很多的优点比如简单装卸方便更重要的是它的定位精度相对于长基线来说得到了很大提高。
1.2 水声定位技术简介
电磁波在水中的衰减比较快、传播的距离比较短，而声波相对于电磁波在水中的传播性比较好。所以，人们把声波作为在水下传播信息的载体。在一定区域的水域，可以利用目标发射的声脉进行定位。对于接收器上不同的水听头离目标的距离也是不同的，根据声脉冲传播的时间或相位差异，实现水下的目标的定位。
在水声定位系统中存在着“基线长度”的概念，基线长度是声接收换能器的基阵的尺寸或者是应答器之间距离。可以根据基线的长度大小的不同，可以将水声定位系统分成为长基线、短基线与超短基线等几种水声定位系统。对于长基线水声定位系统它的基线长度是水下应答器间的距离，它的基线长度通常是在100m到6000m范围内。短基线水声定位系统的基线长度是指水下的应答器和装在船底的换能器组成，长度通常是1m 到 50m 之范围内。对于超短基线水声定位系统来说，它的基线长度是指装在船底的水听器间的距离，长度通常是小于0.5m的。通常由是由四以及以上的接收换能器和一个发射的换能器构成了超短基线换能器基阵，并且安装在船底。超短基线定位系统发射换能器位于四个接收换能器中间的位置，并且四个接收换能器有一定的垂直孔径，呈现正交十字阵排列。
超短基线（USBL）定位系统是通过接收水下应答器的应答信号，分析不同接收器之间的时间差和相位差信息完成对水下应答器的定位[[[]陈君.超短基线水声定位系统应答器设计[D].北京化工大学, 2012.]]。一能够成功完成对水下的目标进行定位，系统至少需要三个接收基元组成平面接收阵。超短基线系统具有安装方便、作业成本低、体积小等优势因而被广泛应用在水下定位与导航等方面。在水下环境下，将超短基线系统应用在通信方面一直是我国水声研究的空白点也是薄弱点。
国外目前已经出现了很多种超短基线定位的产品，超短基线在近些年得到了迅猛的发展。法国一家名为Oceano的公司研发的Posidonia 6000超短基线定位系统，在水声定位方面比较出色。以及英国Sonardyne公司根据水域深度的不同分别研制出了Scout USBL、Ranger1 USBL、Ranger2 USBL等一系列的产品。Link-Quest公司的TrackLink系列（如下图所示）在工业中应用最为广泛。TrackLink系列是集成了高速水声通信系统的USBL 跟踪系统。LinkQuest向用户提供了物美价廉的水下跟踪和通信解决方案是因为采用了宽带水声扩频（BASS）的技术。
TrackLink 1500系统 TrackLink 1500组件
世界最畅销的超短基线声学（USBL）声频跟踪系统是由LinkQuest公司开发的TrackLink系统，其具备高速声波通讯的功能。LinkQuest向用户提供低成本的水下通讯与水下跟踪方法，因其利用了声学宽波段宽谱的技术。系统包含了多个型号（如下表所示）以便适合用户的财政预算与特定用途。TrackLink系统特点：（1）采用了PC 机Windows 跟踪软件，可直接连接发射器，对数据的处理比较便携；（2）发射器轻巧，方便安装在船只上。
TrackLink型号一览表
型号 定位精度 描述
TrackLink 1500LC 3度 性能较差；价格便宜
TrackLink 1500MA 1度 性能适中；价格适中
TrackLink 1500HA 0.25度 性能较好；价格昂贵
哈尔滨工程大学目前在国内对于这方面研究处于领先的地位，在1995年，哈尔滨工程大学研制出了一套能够同时追踪5个目标，并且成功克服了象限模糊的问题的超短基线系统。接着在2006年9月国家海洋局第一海洋研究所与哈尔滨工程大学共同承担的“863计划”以海洋资源开发技术作为主题——“长程超短基线定位系统”，研制成功,这个系统是由有着自主知识产权、我国第一套自行研制的高精度深水超短基线定位系统,技术达到国际先进的水平,打破了国外对技术的封锁,并且改变此前我国依靠进口深海仪器设备，为作业的高精度定位和水下探测提供了技术装备,也为我国的海洋资源的开发提供了重要的科技支撑。
超短基线定位技术研究取得巨大的进步，无论是在深度上；目标的个数上；以及对目标定位的精度上。目前超短基线定位系统正在朝着宽带扩谱技术方向飞速发展着，深水情况下潜器的需求越来越急迫。对于深水作业，高精度；多目标定位是作业效率和安全性的保证，深水潜器正在朝着这两方面日益完善。
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