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【优秀毕业论文】航空搜潜浮标定位方法研究pdf

发布时间:2019-06-26 01:14 来源:未知 编辑:admin

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  中国海洋大学 硕士学位论文 航空搜潜浮标定位方法研究 姓名:张欣 申请学位级别:硕士 专业:信号与信息处理 指导教师:赵犁丰 20030601 航空搜潜浮标定位方法研究 摘 要 …替艇fwJIll/以来,由』‘潜艇具有隐蔽性好、突击戚/J人、埘敌方海l: 肢陆琏的作tl彘、r台具有强大的威慑力和攻击力等的特』_,历来作为海‘年兵 器If4j rR篮州f戊邴分,向受宝f』各H海乍的砸视。冈而,在对海作战叫j,搜索、 攻th;_i(下的潜艇力罱足‘项重要f_ff』l钱峪{f务。 肌。;j反潜是术求海战。}· 种再要的作战形式,它包括搜潜和攻潜两个 阶段。为j7挺I啊我1。的航空反潜水、h我军已初步具备以旋型b,fJL为核心 装得的他什航空反潜能力,急需构建适应我军现役搜、攻潜武器装备的机 载反潜I饯术数据系统(TDS),使我海军在航空反潜方面形成强大的战i}-力: 搜潜赴攻潜的fjl『提,要使反潜武器准确地命中潜艇14标,首先应该在 J4.iY sfJ竞.Il扶取潜艇确切的位置雨l运动数据。在多种搜潜设备巾,{:动或 被功,}j呐浮标足能够住较大范围水域布防搜潜的主要航空搜潜装备。 般, 拽机I·j以携。糟几『枚至}:百枚卢呐浮标,以一定的几何阵形布放到水小, 构成彩堪地搜潜系统,由这些传感器向航卒搜潜TDS系统提供源亿,色,。 浮标的投放何旨是设定的,但随着在海洋环境中的随机漂移,其位置小 断业新。IS-:I此,b机对搜潜浮标的窄问定位,将直接影响飞机对目标的位置 干¨延。力趋势的’学’握精度。 虽然令球Ii艰定位系统(GPS)能够提供高精度的定位信息,但是,GPS 1,_!j J戈ligflJI【¨l川:和;11依赖性将受到瞅制。因此,本文采_¨j了利用E机』衍能测 州阿俯息对浮标定位的方法。根据E机的机动性,本文构造了使E机剑达不 限-j、i扶],rX4.11州的测鼠信息而实现定位的多基地定位系统:依掘机载有源无源 椿测器tj1能扶衔的测鲢量,提j出了两种定位方法:斜距离测量定位法和皋J‘ ∥Jit丝滤波的力1、7.测姑定位法。 剁趴l‘瑚测鼠定位rh假设飞机在同一高度水平面,经过二三次问ft隔时矧 例如的剁趴测艟,K岫J‘实现对浮标的定位。从几何窀蒯定位的角度霜,是 Itj以1个制趴为、卜径的圆相交出点,而确定m浮标的。维平匝】坐标。1』 传统的斜距测量ji角形定位方法相比,uj.以大大减小对E机机动,件的限;li0。 小例究iilj明』,所提汁;疗法的可行性,分析了算法所遇到的定位误筹。仍真 。丈蛉挺f叭 E机’j浮标的相剥位嚣在一定的估计角度范围内,算法均,ij以 收敛刮要求的误差内,实现远距离快速定位。 力化测时定俯法烂仵小州位胃洲得两个以}的方位而相交m条定能 线定化线’利平㈣的相交点实现二二维平面定位。由f测量噪声和浮标 的漂移,JL个力位两无法交H{ 条定位线。为了克服各种误差因素划定值 n(J影制,本殳采用了扩展}尔曼滤波技术,I司时为了减少讨。算量,提Ⅲ了 个2状念阳量的系统模型。该算法包括两个滤波器,第一个是2状态的 泞杯化2汀估汁滤波器,第.个是保证前一个滤波器彳i发散的漂移估汁滤波 器。仿奠表i!j],刈j二给定的¨r模式和1毛机参数,该算法可以成功地估计 浮tJ、的似臀,并U分析r E机与浮标的距离、测量频率和E行高度对定化 nlf影岍I。 关键词: 航空反潜,TD$,声呐浮标,定位 A Airborne of Anti—submarine Study Location Sonobuoy Abstract Becauseofgood of attackand concealment,strong capabilitysurprise foI111jdable has deterrent,Submarinebeenthemost always importantcomponent of sinceit out in cameSo naval nava】weaponry warfare,ail importantstrategic to for task】ssearchand attack subnrefines enemy’s Aribome a anti—submarine is modeof It warefare(ASWl major operations consists ofthe for submarineandthat the stage submarine ofsearching ofattacking Inorderto tile of has been improvecapabilityASW,Navy preliminarilyequipped WIthmodern anti-submarine which servesasthecore weapons,amonghelicopter thc of formationthe combat iSaft Consequently,for powerful capability,there need of anairborneanti—submarineTacticalData urgent building System(TDS), which carriesout information and comprehensive fulfils processing inflight and commandingguiding. for accurate and submarine,that motion Searching is,getting position datas, l s anessentlal to the J submarine.The tactica prel。equistehitting primary the of aircraftiS theuseofactiveand electronic employment through passive sensors.themostuseful iS ofwhichthe are fromthe sonobnoy.Sonobuoysdropped aircl’af}inva!’ious intile geometric water.TheinfonnationiS patterns picked up transmittedbacktothe aircraft. 111ordertomaintain and beabletolaunch close,accurate anattack. tracking the submarine’Smustbeaccurate position Since erroralso sonobuoyposition conh‘ibutcs tothesubmarine isacritical significantly inaccuracies,there tracking for anaccurate reqtllremenIdetenniningrelativeofthe with plot sonobuoys respect tothe aircraft. accurate location Although informationscanbe GPS,the suppliedbyusing ofthis informationswill become reliability incredibleinASW.Therefore、 tothe of according theaircraft.the builtsaMulti.static rnobility presentstudy Location usesthe measurements detectedactive System,which by Orpassive alrborne the sensors,whenaircraftiSatthe different positions. J hlS twomethodsfor studyproposes locating firstoncis sonobuoys.The ai slant using jnformationThis rcraft—to—buoy methoddoes range notuse and tominimize triangulation the procedures restrictions attemptes the upon aircraftThe shows report the ofthe andthe feasibility proposed methodology to errorsbe approximateencountered. The second methodis the fromthe usingbearing aircrafttothebuovThis rcpol。t all which extended developsalgorithm Kalman filtersto employs determine estnnated ItⅢcludes two cascaded posmon Kalman filters The tWO—state primary 舭,P搜潜浮^J、定位乃法t,JfYt filter driDf’rolll 1]ltcrestimates A estimates secondary position sonobuoy This estimated obtainedfiomthe filter inforlnation primary algorithmsuccessfully aircraftdataTheeffectof forsimulated aircraft—to—sonobuoy sonobuoyposition inaltitudearealso ol、measurement,and analyzed frequency changes range,tim Keywords:Ariborne 3 0前言 …T二潜艇只有隐蔽性好、突击威力大、对敌力‘海}:及陆基的作战平台具有 锄人帕戚慑/J和攻击力等的特点,使其历来受到各困海’!的重视,成为海1j兵 器的晕复组成部分,凶而,在对海作战巾,搜索、攻击敌军的潜艇力量是‘项 霞要的战略任务。 反潜战足末来海战qJ种重要的作战形式。在众多的反潜方式中,航字 反潜以其速度快、机动性强、搜索效率高、搜索面积大、隐蔽性能好、受敌潜 艇威胁小等优点受到世界各困海军的重视,使航空反潜成为搜潜、对潜定位、 攻潜的。种有效于段。为了提高我军的航空反潜水平,加强突防与反突防能力, 我下已丌始重视航空搜潜的发展及技术研究。目前,我军己初步具备以旋型b 机为核心装备的硬件航空反潜能力,急需构建适应我军现役搜、攻潜武器装备 的机载反潜战术数据系统(TDS),使我海军在航空反潜方面形成强大的战斗 力。 机载TDS是以战术数掘处理和计算为基础的机载作战指挥系统,其作用 是将机载的各种传感器获得的信息和数据进行综合处理,完成对战场念势的仆 计和观察,为指挥员提供一个人机交互的指挥环境,通过数据链完成各作.饯平 台问指挥垌1控制命令的传递,实现空中指挥引导功能。可见,机载反潜TDS 的核心是航窄搜潜综合信息处理。 航窄反潜包括搜潜和攻潜两个阶段,搜潜是攻潜的fi{『提,要使反潜武器 准确地命中潜艇目标,首先应该在海洋环境中获耿潜艇确切的位置和运动数 掘。航空搜潜系统通常是由搜潜设备与航空搜潜综合信息处理和融合系统组 成。也潜艇目标特性中,最强的是声发射特性,其次是辐射噪声和磁场。根捌 这ub特性,常』目的航空搜潜装备主要有吊放声呐、声呐浮标、磁力探测仪等。 这些传感器分别是利用声学和非声学原理来获取有关潜艇的位最信息和状态信 息,它们的功能分别是: 吊放声呐:机上电子设备通过吊放电缆与水下声学基阵相连,水I-目标数 据传仝机上声呐接口,经预处理后,送数据融合系统。 浮标:山飞机投入水中,通过浮体声学换能器阵和电子设备固定于水中某 一深度,以{j动或被动方式探测水下目标,通过升出水面的天线与反潜《机f联 航卒搜潜浮帕、定他方法研究 系.并发送水F月标数据。飞机通过VHF接收机,可收至0多个目标的数据信 JTI 息,陔数据通过专用接厂I,送信息融合系统,以解算出水下目标的方fTi;年Hr离 信息。 磁力探测仪:传感器为磁敏感元件,与飞机处于同一载体卜,目标信息通 过磁传感器专崩接口,送信息融合系统。根据地磁场的微弱改变,以榆测和定 位水下目标。 综合信息处理系统是将多传感器获得的源数据进彳J:相关、融合、处理, 综合出单的目标数据,即目标的位置和运动参数。从而形成相应的战术念势 图。为攻潜武器装备提供精确的制导信息。 为了提高航空搜潜能力,我军己装备了反潜巡逻机。然而,对如何充分 发挥这些装备的搜潜效能,充分利用和处理这些搜潜装备所采集到的fi二标信 息,有效、快速地确定潜艇的位置等叫题,还需进行深入的研究。因为,现赴 部队人员刈新装备只是维持在如何使用的水半上,有很多搜潜技术问题值的我 们去研究,如:如何提高现有装备的搜潜效能;如何利用多枚被动全向浮标刈 目标定位问题;如何利用主动声源和被动浮标提高浮标的有效搜潜范嗣问题; 浮标阵形对搜潜效能影响问题等。所以,进行航空搜潜技术的研究划充分发扣i 航空搜潜装备效能、提高航空搜潜部队战斗力,具有重要意义。 航窄搜潜效果受到所使用搜潜装备的数量及战技指标、水声场环境条件、 目标潜艇的辐射噪卢特征及回波特性、搜潜战术等多种因素的影响。国内外现 役的反潜装备中,使用最多的搜潜设备是无线电声呐浮标,为了保址足够人的 搜潜范围和需要的馊潜精度,航空搜潜系统一般足在一定范围的海域,以某种 特定的撕阵力‘式,在水中布放多枚声呐浮标,形成了多基地搜潜系统。划多传 感器信息进行数据融合时,主要完成:时窄较准、数据相关、目标榆测、识别 和跟踪、状态估计等处理功能。其中时窄校准包括时削搬移和坐标校准两部分, 时阳J搬移将合状态向量和误差协方差矩阵的跟踪文件在时问l:搬移到统·的融 合史新时叫上;坐标校准将传感器数据(包括跟踪文件)需要变换为统·坐标 原点,井则传感器位置误差进-:f71i,偿。这时,系统将需要传感器相对rE机的 精确位筲信息。 由于声呐浮标相划‘j‘E机位置的精度,将直接影响综合信息处理的效果, 航伞搜潜浮协、定化力法酬究 r水厕的风、渤 【!IJ影…了搜漪系统对潜艇的定位精度;征河标搜潜过程巾,m 流等酬矧,使浮标在水11__l足随机漂移的,浮标的实际位置是随机变化的,为此, ,F航。卜搜潜过群叶1,确定浮标在水巾的位置并定期进行更新已成为必须进行研 究的 项内容,是航空搜潜技术中的 个必需的重要环节。本文的研究内容, 方㈨为TDS的综合信息处理系统提供用丁位臀误差补偿和坐标校准的数据; H 力lfu也为在航空搜潜训练中,正确地估算浮标的位置,进而确定浮标的确 议作九1m离、搜潜宽度,优化搜潜方案,提高搜潜速度和效能等,提供所需的 技术依掘,从而达到指导部队进行航空搜潜训练的目的。 本史在研究了各种单、多基地有源无源空间定位方法的基础上,采用了利 州毛机所能测量的信息对浮标定位的方法。丰艮据b机的机动性,本文构造了使 E机到达小州点扶取相同的测量信息而实现定位的多基地定位系统;依据机载 订源尢源探测器所能获得的测量量,提出了两种定位方法:斜距离测量定位法 和基于}尔曼滤波的方位测量定位法。 斜距离测量定位中,假设飞机在同一高度水甲面,经过三次间隔时侧很 矩的斜趴测鞋,}{!JJ可实现刘浮标的定位。从几何空问定位的角度看,是¨I以, 个刺趴为、卜径的网相交出 点,而确定出浮标的二维平面坐标。与传统的余眦! 测齄:角彤定位方法牛H比,可以大大减小对b机机动性的限制。本研究证明了 所提H1力法的可行性,分析了算法所遇到的定位瀑差。仿真实验表明,飞机t, f:予标晌棚对位青住一定的估计角度范同内,算法均i叮以收敛到要求的误差内, 实现远距离快速定位。 方f讧测量定位法是在不同位置测得两个以上的方位面相交出 条定位 线,m定能线与水平面的相交点实现。维平面定位。 由于测量噪声和浮标的 漂移,儿个力+位丽无法交出 条定位线。为了克服各种误差因素对定位的影响, 奎殳采门]了扩展’譬尔曼滤波技术,同时为了减少计算量,提出了一个2状念向 培的系统模型。该算法包括两个滤波器,第’个足2状态的浮标位置估训滤波 器,第,个是保证前一个滤波器小发散的漂移估计滤波器。仿真表明,列=r给 定的E仃模式和飞机参数,该算法可以成功地估计浮标的位罨,并且分析丁,E 机‘j浮标的距离、测量频率和飞行高度划定位的影响。 航守搜潜浮桥定位山法砌幻£ 1航空搜潜浮标定位方法综述 1,1空间定位原理 从几们角度看,确定目标在宅恻的位胃,需要由三个或乏个以上的曲面 或平面存。:维窄『bJ内相灾而得出。确定二维空问J气的位置,需要两个或两个 以Ii的油线或直线相交得出。探测器从散射作R标获得--,J:tT.--定位参数或测暹 量,比立¨方位角,俯仰角,方向余弦,斜距,距离和,距离差,和高度等。 这些参量分别对应着一个定位平面或曲面,通过…定的组合,使面殖I相交得 出定位线,再山线线相交得出定位点,从而确定出同标位置点柬。 例如,一般的单站雷达对空间目标定位州,雷达可同时测量目标位置的 一个参数即斜距r、,方位角妒、和俯仰角s,这三个测量量在空间形成二。个曲 面,即半径为r的球面,在方位妒方向上的一个垂直于水平面的平咂,以及 ’个俯仰角g的锥面。三个曲面相交于一点就是目标位置点。 圈11球世标测量定位 为了提高系统的定位性能,增加测量站的数奄,从而形成多站系统是· 个有效的方法。多站系统的定位数据处理采用集中式结构时,是将各站鹄测 量数掘直接传送到中心处理机,进行坐标变换、数据配对、关联、定位、联 踪等处理。 航空搜潜浮标定位系统是一种枫载定位系统,反潜b机是定位平台年u定 位信息的观测站。多站测量可以由单架飞帆运动到各个不同位置顺序测量求 实现。反潜飞机对布放的浮标定位可采用的方法有斜距测量定位法,方位测 黾定位法,时著定位法,卫星多p勒定位法,过顶检测法等。 1.2斜距测量定位法 1.2.1定位原理 假设有n个测量站分敖部署在个地方,它们的站址已知是 x.=I,’I,。,z,17,一l,2,.,”。每一个测量站扶能测量目标相对于站垃的斜距 ‘,这干苇就uJ以得出以站址为中心,半径为,j的个球面。由这个球面相交 卅同标的,≯问位胃点来。 蚓1.2目标位j‘T的位置,其位胃矢量为x=卜,Y,z卜采用四个测餐站 i=l,2,3,4。川解析法来求日标位置矢量…。 站卅分别为X,=卜,,Y,,z,]7 幽12荆m删掣定位 …此。,J知,站址与坐标原^问的问距d.为 d。:仁卜y卜z?卢,i:1,2,3,4(1-1) 再测铬:站测得的目标斜距离f为 34(1-2) 。:Ixl)2+◇叫)2+(E--2i)2P,H…2 向H标与肇标原点0之间的问距为 r:k。+y 将(1.2)式展”叮得 l!。0一_)2+◇一Yi)2+(z—gi)2 (1-4) =r!+d?一2(x。^+Y,Y+Ziz),i=1,2,3,4 因此·,J得如卜1删个火系式即 ,‘2=_2一d卜2G.x+YlY+zlz) r 2z) 2=《一d;+2(T2』+Y2Y+z r2=‘2一d;+2(』3x+∥3y+23z) (1-5) ,2=牙一d:+2G。X+y。Y+z。z) 。C(1—5)·¨未知数足同标位置x,Y,z和,,将,消去可得下列线性力程组,即 一弓)~如≯d;I=% 4-(Z:一zI)z= 扛!一x.砖+◇!一Y.y 丢‰2 (x,一x,b+(Y,一y.)J·+(z,一z,弦= ;№2 (』。一*,)x+(y。一y1)v+(z。一z。)z=疗)一07一d;』:%(1_6) 丢№! I,一叠k+(Y,一儿h十0。一z:弦=呼)~0;一d朔=V23 圭陋 I。一x:扛+(y。一y:涉+(z。一z:弦二 弓陋 丢№ 疗).-0;一d:j:v,。 式(1.6)的矩阵表达式为 爿x=p (1.7) 式中x=k,Y,z卜 f P 3”H”23P241,34 ”2一!q J 邙I 一y,) “ 一YI) “i 矾西m 一Y.) (1—8) “4 一y。) “5 ~Y:) “6 m出鲰 矾啦m。弛出。以 kkkkkk 书柏柏od劫、i、,、J\, k帆∽执∽以 一乃) 特系数矧-阵A满秩(rank=3),可求得目标位置矢量x,即 (1—9) 其巾A的伪逆是 r A一:b,一rA (1-10) 刈』二矩阵A,…于(1—6)的后三个与‘程是前二个方程的线性组合,故A是 _r满秩决定J。四个测量站站址及其斜距离测量值的情况。 1.2.2定位可实现性 山定位力‘程可知,若系数矩阵A不满秩frank3),则无法实现对目标的 维窄问定位,即定位是1i可实现的。 带:测坐f.i站只自二个,则系数矩阵A变为 h%%]『x:1)◇:一Y1)(z:’)] (1-11) 爿=k%%l=G,_)(Y,一Y,)(z,1)l La31%‰Jl(玛一x:)0,一Y。)z3一z:)J jeclt筇:行足第、第二行的线,不能实现窄问定何; 符各测节站部料在同…个等高而的一条直线卜,例如x.=x,=x,=x。或 vI=Y!=Y,=j,。,这叫A矩阵巾只剩下一列元素1i为零,A的秩只有1,显 然既不能作:维定位,也无法作二维甲面定位;再若测量矢量v中的斜距测 量值有误差,导致p=0,目标定位也是不能实现的。凶此,定位的可实现性 与测量站的数量、测量站的分布、以及测量误差等冈素有关。 山j一洲得的斜距是目标化置矢量X和站址X。的函数(‘=X(x,X。)), 所以,斜距测量误差融与目标位置误差fix=l舐旁岔『和站址误差 cv(,=l出,痧,岔,JJ有关”1,若以二站测量为例,即i=1,2,3,则有 & + 妙 + & 毋=c点r 出 + 妙 + 岔 C科一科。 (1.12) 奶瓦诉瓦弧瓦 c奄 + 晚 + & 研一钞盟砂识一砂 识i盟瑟瓠瓦 其巾 西 萌 甄 舐 砂 瑟 阢 识 阢 C 舐 钞 出 识 识 眠 Ox 砂 出 c叫i的偏导数反应了目标对应第i个测量站的方向余弦。 H此目标化置的定位误差为 fix=(“陪+fix,] (1-13) 由于各斜距测量洪筹是独立的,站址误差的各个分量之问及各站址误差之阳』 也是77.小相关的,故定位误差的协方差为 P:E融研7】_C。E峙+研,胁+fiX。)7Ic一)7 =C (1_14) iE防西7+SX。积;k“)7 航个搜潜汀标定位方法圳宄 p l 玎: nO-rO-,pwO-。O-: f p”(『。仃。0-; p,i盯r盯: p l r:J。盯: p。盯,仃: 盯; 该方法的定位误差与目标划臆各站的方向余弦直接有关,即定位洪差与}1标 的空间位鹊:和测幂站站址的相对几何关系有关。 1,3时差定位法 剑达时差(TDOA)定位又称为双曲线定位。它是通过处理三个或更多 个测精站采集到的信号到达时蒯对辐射源进行定位的。在二维甲丽内,辐射 源信‘;剑两个测景站的到达时间差规定了一对以这两站为焦点的双曲线。曲 Zl的连线成为基线。如果利用三或四个站形成两条基线,则得到两对般f{:}}线 的交点,再利用粗测I柚信息排除基线另 侧的虚假定位点,就可确定辐劓源 的位黄。住三维窄1训则需要二埘双曲而来产生交点。 1.3,1定位原理 设有N个测量站,其位置矢量分别是J。,s!,…,s。,对f。时刻发劓的信号 测得的到达时问分别是,。,f。,…,f。。。辐射源到铡站i的距离为‘(I,2,…,Jv)。 利用两站的到达时间菱构成测量量,可列m测量方程…为 r。,一r。。=(‘一‘”c+0.一£:) ‘:一!一fm 5) r州。;,一z。。=k。,,一‰)/c+G。。,,一s。) 符已知辐射源位置矢量_的初始估计值为x。则测量方程的矩阵形式为 C C 式巾瓦.=Itml,f。:,~t。]7,r=(‘,_,…,~)7,c是电磁波传播速度,£是备 站到达时问测量噪声矢量g=0。,s:,…,s。)7,(N一1)xN阶矩阵H l 一1 0 0 0 0 l ~1 0 0 (1,l7) 航窄搜潜浮标定位方法啦f究 (五,一,)7厶: ,:鱼l : (1.18) 0X1 Y k (x。一s。)7几。 其中%.是初始估计位胃到各站的距离%,=Ix。一s。1。 从』℃(1-16)可以获得位置增量似=x—x。的最小二一乘估计 r 龋=i—X,=≮THlFT}i n一19) R—i{F\j R_、≮HT。一Hr、 若测量误差具有零均值,协方差为R,则估计误差协方差为 P;幻。j=c2伊7H7∥HFr (I.20) 枞掘对该方法误差性能的分析,若想在一个宽的视场范围内使用时筹定 位系统,删量站的排和的非线性要小,即应该纂本在一条直线方位测量定位法 两个或更多个观测站的测向数据可以用来估计辐射源的位置,当不存在 噪声利,两站或多站获得的测量方位线对于一个辐射源应相交于一点,这个 点就是辐射源的位旨。当测量站和辐射源在同~平面时,就属于二维定位。 陔方法称为i角定位法。 幽13二个测向站的方位线定位原理 设待定的化置矢量为Ⅳ=Gy)7,并假定辐射源发射信号为直线传播 则测量i^i的方位角测量数据庐。和x的关系…为 沪∽留f罂h,H如∥ (I-21) l互~xJ -叫’◇,∥。)足第z测向站的』坦标,F/i是铡向噪声。N个厕向站的测量方程。,J ≯=/、∽)+,2 (1-22) 求解该非线性方程组需要一个初始参考点Ⅳ。:&。.),。7,从该点出发获得最 终解。参考J囊,U选在任意两条方位线的交点上。令盛.是从测向站i到参考J、I sin(b。,:生丛 ‰ (㈦“2.,Ⅳ)(1-23) cos{b。:生羔 其呻, ‰=k厂。∥+()扩y。)2弘 力=Ⅳ。+(G7R。G)。”1G7R。1彩一f(x。)) (1—24) 卜sin《b。./%, cos(bol/%1] G=l ! ; l (1-25) COS庐o 卜sinG。}~。 Nf~N\ 列欠景≯一y(x。)的第i项妒,,是方位线对应的测量站i到参考点连线的方位角 c,一z。, 一。=≯,一九.=庐,一“rc留。Y岛。一-。Y。i一]i=-,z,·,Ⅳ 式(1—24)巾R为方位测量误差H的协方差矩阵,若方位测量噪声是零均值高 斯独立的,方差为盯2i=1,2,…,N,则有128’ 0 (1—27) , 尺=『: o;。 !I【j估计误差的协方差阵为 P=(G7R“G1_l (1.28) 山式(1.25)和(1—27)可计算P中各元素 h叫2=Ek刊=志 (1.29) 如2d;=£眇一外击 (1.30) 航中搜潜浮标定位方法研究 ‘1-31) ,),,=,!l=盯,!=E盼一x炒一y)】—瓦v了 X(x,Y) 吲14发别机、参考正~和删向站的几何关系 其1{_f] 。∑㈦ ∥=喜警五 堕瞄‰i 忙喜蔫乎 最后,可得线性最小二乘估计的位置矢量为 汹一古静竺‰半 ≯¨+嘉弘坐铲 (1—32) 该局‘法采用小『一J的测量站配置,定位误差是不同的。若能使观测站棚刑” 于参考点精确对称,就能使对x,Y的估训『:I.不相关,但并小需要各站线。l+生-Hh 列。另外,增加测量站的数目,也将使误差性能得到改善。 1.5GPS卫星定位法 1.5.1概述 导航卫星定叫测距令球定位系统,简称GPS,是美国国防部于1973丌 始建立的新 代卫星导航系统,。它是一种可以定时和测距的空问交汀定点 的导航系统,可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、i维速度 干¨时删信息。装备GPS接收机的测量站直接对空删卫星进行多h勒测量,便 rq‘辅助已知的卫星轨道信号,进行单点定位或双点联测定位,即可确定测量 站的一i维地心坐标或两点的坐标差。 o的6个 GPS采用覆盖全球上窄的24颗丁作卫星,均匀分布在倾角为55 o 5 轨道h每轨均匀分粕4颗卫星,I、J以保证在各处能时时观测到高度角1 航伞搜潜浮标定位办法研究 以f:的4颗』J.g-。每颗卫星以两个L波段的频率发射载波无线电信号 L,L=1 f.渊制的数捌}也义包括卫星星历、电离层模型系数、状态信息、时问信息、 ji璩Ⅲ6jjj以及漂移信息等。 测啭妯[1eJ接收机IU以获得的基本观测量有码相位伪距,载波相位差和积 分多I、勒观测值。1:同的接收机其观测嚣是不同的,但GPS的数据格式是统 。的,小网类型的GPS接收机的观测数据都可以互用。 码相位伪距测母是将接收机的伪码发生器产牛的与卫星结构完争相同的 捣经过延叫器延时f后,使得接收的测距码与本机复制码做相关处理,相火 系数为1州.r就是】J壤信号传播的延迟时问,将其乘以光速C即为卫星到 接收机问的距离,由f这个测量距离与卫星到接收机的实际距离有误差,所 以称其为伪距。根掘伪距观测方程,住同 观测历元,只须同时观测4颗H 星,即口J获得4个观测方程式,从-{·角犁出测量站的近似坐标的更J}!值 (胱,巧y,韶)和接收机钟差岔4个未知数。但由r码相位的观测精度较低(约 为2,93m),该力法只能用于学j、I.1绝剥定位,且定位精度低,H,J问长,所以仅 用于精度要求不高的导航。 载波相位观测值是存码相关型接收机中,将从卫星传到接收机经过延州 的载波信弓与接收机内产:生的基准信号比相而获得的。当GPS接收机锁定『i 楗载波桐位叫,接收机振荡频率的初十H位与甲星发射载波初捌位安全相同, ●?下足经过△,前·历元},时刻到达接收机,△,对应的相位差为矽/,设卫罐载 波倍写存上巧兀f,叫刻的桐位为声俅,),此时接收机基准信号相位为办(f.),则 自, 九k办Q,)一声7p:) (1—33) 1J譬到接收机的距离为 P=/l露7=五慨(f,)一≯’t。)』 (I.34) 由ji载波频率高,波长短,载波棚位的测量精度高,使得测距精度可达到 0,19ram或o 24mm.,幽此,利用载波相位观测值进行定位,精度要比码州何 伪距测量法高。该方法最主要的应用是相对定位。在实用上,将两个GPS接 收机分别‘爵j’两个0i同的点上,同时观测卫星载波信号。为了减弱卫星的轨 道洪茬、p星钟差、接收机钟差、以及电离层和对流层的折射误差的影响, 常采用原始相似观测值的各种线性组合(即差分)作为系统的观测量,利用 尴误差刈有关的观测值影响相同或相近的这种相关性,消除或大大降低误 簟的影响,从咖铁得两点问岛精度的GPS基线双差相对定位原理 按对相位差观测值求差分的次数可分为 次差、一:次差和三次差,同时 又可以梭测量站、卫星和观测历元来产生和划分相位差分观测值。相位差分 的不同只取决]二求筹的次数和要素,而与求差顺序无关。实际应用最广‘泛的 是洲补7:乍LI际.次差(简称双差)定位系统‘”。 改。,,^分别我不观测历元、卫星及接收机的标写。驴?(f;)为第A个接收 机扯第i个舭测J儿儿(接收机钟面时为£:)收剑的第,颗卫星载波信号的相位, 它等J√jf川1麻的卫星钟面发射时刻f:的载波相位妒?∽o办∽)为陔历元接 收机的参考信号相位,则瞬时载波信号相位茺为 妒’(☆,J,f)=丸雠)一≯?k)=疵0;)一庐儿,i) (1—35) 周的小数部 荇历元的瞬时相位差观测值可以分解为整周数N+似√,i)和不足 分F(“,,i),mJ实际的整周数为Ⅳ取,?,i),i=1时的整周数偏差表示为 N(k,?、1),又凶为历元1和历元i之间的整周数之差是正确的,则有历/i,的 相位茇观测值为 妒(“J,1)=面(k/.f)+e(k,.,,i) =N‘取,i,f)+f取,^r)+Ⅳ@,J,1) =妒7(女,/,f)+N(k,/,1) =九(f;)一声北)+Ⅳ(%…J 驶接收机观测历元钟I面叫t;的钟差为函;,对应的GPS标准时为T。i,若 载波发制时刻为∥,则卫星到接收机的传播时间为 f;,=玎一Tj=t;一豌i一■ (1-37) 根掘传播延迟与几何距离的天系,得 p;¨酥卜酬一rj) (1_38) r:,=÷p浙,r/)=i1 rlJ将}:式按台劳级数展开并耿一次项,再用f,表示(t;,f;一rj),得 ,。i:_i 若考虑剥流层和电离层的时刚延迟△f:。△f:。,实际的几何延迟Ar;i为 △fj=rj—Arl,。一△r:,, (1—40) 由f-干H1p星艘的连续一胜,可有 航守搜潜浮书J;定位山“、刊究 丸∽) 丸¨f:掣批丸¨几 (1—41) (1—42) ≯,0I)=疵0:)十厂I;一西:一△rj一△r:。一△r:。+&;一t。1) 将二述公式代入(1—36)式,可得相位著观测值的数学模型 妣川)=丸o,)一≯j¨≤p?”肛j / t 1、 (1.43) +印j“i川咧+,△‰i+fAr:一N(k√,1) 由测量站Al,≈2在同~历元i对同一颗卫星/的相位差观测值求差,即可 羧得站际t次差 A120(k12,J,i)=妒也2,J,j)一伊(^L,’i) 庐 “ + p/^ ● f 斗 嘭● 也 函;,J 厂一c ~ 睢 一 p . △ ,…y“ ≯“ “涉 、l 0足玲 ;¨ 厂[ 为J% b乙 ”厂~c fi , W厂@ ,‘、●●, △r:。(女l-,)] +f[A (1-44) rjo。(k2,j)一△r:。以l‘,)】+[N(k2,L,,1)一N(kl,,,1)] 刈…扛儿i2的站际‘次差观测值再求筹,即可得站际星际j:次差观测值 AAq)(k12,112,i)=A‘o(k12√2,f)一A(p(k12,几i) (p髻O,pf(t。))一∞连O,)一p“O,)1 [∞£(f )一p符(f。))一(p最0,)一p昌(f。)lf ∞是O,)+p;f(f,)如 +丢[∞锄;)+硝㈣ +厂[△r:。(☆2,/2)~△f:,(≈l,/2)一△r:。@2,/1)+△f:。心1/1)] +厂[△r:。@2,J2)一△r:。伍1,/2)一△r:。@2,J1)+△f:。以l,/1)] +[Ⅳ忙2,,2,1)一N(kl,12,1)一Ⅳ化2,/I,1)+Ⅳ@1,/1,1H (1,45) 一川l衍Ij f,和占,分别表jj两接收机的平均钟差和钭,筹之差,即 f,={忸:,+国;:) 瓯=国;:一由; 从(1-45)式可见,较人的两接收机问的钟差.声,已被消玄,t剩h部 4 ——一一 堕!堡堂竖堑窒些垄些型丝 分的系数与卫地距率之线性组合有关,囚其值很小,可以足够精确地将J,模 型化为-:A多项式,而f,也可以用二次多项式描述,即 (1.46) (】-47) 这样·用六个钟差参数‰,q,&,岛,6,,6:取代大量的相对钟差和甲均钟等竹:为 将犁(}jJ黛煮耋数,最大限度地减弱了接收机钟差的影响。式L卜l的整删待定值 足原始观测值‘{。4个整周待定值的线性纽合,仍能很好地保持其整数特,陀。 对于剥流层折射的改正,通常按标准大气模型进行,电离层延迟的改fF常采 用双频接收方法。在做两站之间单基线求解时,其中~个应是已知WGS-8‘4 坐标∞基站(k1)r于是,为确定测量站东2位置的双差定位删测方程的待定 参数有:测量站的二维直角坐标b:,Y:,z:),两接收机的相对钟差参数和平 均钟岳i参数(&。,aI,n:,6。,6l,6:),两站至基单及某一观测卫单阳J原始相似xnl 测值对应的4个整周待定值的线性组合即jf!c差模糊度参数础,心:,…)。 冈此,式(1-45)可以写为 △△妒取12胛,z)=争(p£o卜p氘))一∞聪)一p肌,)j ~≠[∞髫o,)一以20,))一∞是也)一例以期f%斗。,也一‘)+q$。一‘)!) +勺(p烈r,)+p瓢,))一㈤o,)+p舶。)舰+6.o,1)+6:o (1—48) +厂[△f南(k12,,12)]+九△#:。(k12,j12)]+^Ⅳ掰 设侄历兀z两站均可观测到%颗卫星信号,那么该历元就有n。个站际。 次观测值,可绢合成mi一1个戳差观测值。般选其中一颗为基鬟,以它的 啦筹则测值与其他nF一1个卫星的单差观测值组成双差观测值。若测段内 共观测了,个历几,则共有∑(nF—1)个双著观洲值,这个观测数应按待定参 数的个数水确定。 式(1-48)的右端作为双差腥测值灼计算值,是待定参数的函数.用, 表不,选取各待定参数的初值,按泰勒级数展歼并只取一项 f“12f”2b:,y:,z:,口。,口,,a:,60,6。,6:,W:) ~—一 堕!型堂堑堑薹些塑鲨型壅 掣207,%0孙00,o,0,6L。,0,0,醐:) +箸赢:+箬识+翌岔,+笋¨堡里。18 1 呶2 谚12 z2 抛n OaI Oa,一 +赢3F砸+蔷”面aF”训8F霈,AN。,Z +f[ar.:ov(k12,,12)J+厂f△吒。取12,s12)1 f}一49) 山(1-49)式及r1-49)式即itJ‘得出历7Li观测卫星/1,√2的误差方程 V?12=爿:舐2+爿:旁2+爿:岔2+爿:。n。+爿:,d +4;。△d1+爿;.b1+爿j。b2+爿j矾:占一,。7圮 (1—50) (,。”2为常数琐,经蹦流层、电离层折射改I卜后的观测值与未知参数近似值 求得的计算值之差) %? 若两站旧步观测”,个历元,则总数为∑b“~1)的误差方程的矩阵){;式为 f—I V=A6s一, (1-51) 待定参数向量为 / 函=慨2,谚2,&2,Ⅱo,dI,n:,△J 6l,b2,8N蔫2,6N船, 可以推算接收机钟差的系数为 ≤[∞瘩o,)一p等o,))一∞是o,)~p昌o;)j 4;.◇】2)=(f,一f,扣:。 爿:,(/12)=O。一t1)!以 (1—52) ,《拗2)2丢[p鼬,)Ⅵ‘i,20,))一∽”蒯蝴 爿;.D12)=O,一tl扣:。 爿;,(j12)=t。~z.)!心 整周待定值的系数为 A,012)=(I,0,…,01 爿?(jlu)=f0,0, , ^W Ⅳ ≠ 甜 J2 行 卜L 甜 一 辫:妻 航中搜潜浮标定位方法研氕 A自多余观洲次数的情况I-,须考虑其随机模型,并可推证,。I同步观 测”i个卫星时,模型的权矩阵为 一I —I 一1 n一1—1: 只^=二 一1 (1—54) n¨ 令挪』力兀一,的烈差舭测值的权矩阵剐为 圪0 屹 只。 (1.55) 0 根据以l二模型,进行最d,-乘甲差解算,从而锝出待定参数向量 6s:fA (1-56) rPA)-1∥PI 闪待定测罱站的近似坐标相对于基站的精度较低,影响了卫地距及传播时划 的计算,所以平筹需要反复迭代,不断提高测站近似坐标精度米修Ir—U星信 号发射叫刻及星历坐标,使整周待定值趋于整数,而获得良好的基线过项检测法 机载无线r乜自动罗捐。是一利I无线电测向领航设备,它利用无线电波的柬 阳,可以自动测定发射台的方向。在已知了飞机和发射台的相对方位角后, 操纵匕机向发射台或背发射台飞行,可以测定飞机所在的位置。利用罗盘工 作o』l乜波入射方向的天系,当匕机飞过发射台的瞬问,航向指示器将反向指 乐,此刻飞机位置的投影,-皇坐标就是发射台的位置。 1.6.1定位原理 无线f_乜罗盘定向的基本原理是环行天线的方向特性,即电磁波从坏行天 线的不同方向入射,环行天线感应的输出电势不相同。如图所示,环行天线 有两个乖白.边和两个水平边,发射台的电磁波为垂直极化波,则电磁波的磁 /J线足切割天线的垂直边,而不切割水平边。 -小个电波在两条垂直边产生的感膨电势P,,e:振幅是相等的,而eI,P!的 脘辛狴潜}尹杯定位力珐删艽 棚位芽删因为也波到达两垂直边的时间羞不问n[i『不同,使得环行天线总的输 }H感心电势Pw随肴电波入射方向的不同而变化,入刺角为O。,180。嗣8。最小 为零,入射角丸90‘1,270n时e≮达弱最夫。并n,当入射角反囱时;en搭l每{ 他相差180”(反捌)。 对 .·———~Z∑ /卜、 / 咆★、、、护。1 ,,个\ ’ez一7J\e 、、 } 7 \。 ≥、^,,,, 幽l5 90”,270”时环行灭线晌感心IU势 根据环行天线的这一方位特性,飞机按照航向指示向着发射台飞过其上 力的瞬删,电磁波的入射方向刚好发生反转,由『F向0。变为背向180。。利用 这一现象就可以确定,发射台的位置与此刻飞机在水平面的投影点重合。因 此,∞r以从b帆的导航系统获取《机的位置坐标,作为对发射台的定位信息。 1.7各种定位方法的比较 斜距测量定位法适用于单架飞机对浮标的定位,飞机运动到不同的位置 对同 个浮标进行测距来实现,该力法至少需要三三次测距,故不能宴现姆”, 定位,其定位误差与浮标和测量站址的相对几何关系有关,囡此,对b机机 动性舶Ⅲ制较人。方位测量法与斜距测量法相似,可以用单架E机,在飞机 航际fEf勺侧面能获得很好的定位精度,但是,不能对飞机【F前方的浮标定位, 对远距离浮标的定位精度不高。时差测量法是一种高精度的定位方法,测量 技术比较复杂,需要至少三架飞机同步测量到达时差,同时需要高性能的信 号处理系统。GPS定位法观测速度快,定位精度高,只需要在飞机币1浮标I. 加装GPS接收机,列飞机的机动性没有任何限制。过顶检测法是--}ee简单的 定位指示方法t但要求飞机从浮标上空《过,严重限制了飞枕∞机动性,月 不能进乱‘远距离定位。 1.8国内外浮标定位的发展状况 航’蠢搜港佑恩处理技术源于60年代术。它以计算机为中心,对航;#锼潜 舭,卜搜潜浮标定位方法蚪究 导航、通信和武器系统进行数据的综合处理。美、英、法等先进国家早已将 i孩技术用T‘航空反潜武装直升机。 1969 美[;i习:“埃一纽”型航空反潜电子综合系统,花费凹亿美元,r 年阿装r“P一3c”反潜b机。1974午又装备了“S一3A”固定翼反潜E机, 该系统由航空探测、数据处理、显可i和导航等分系统组成。其中,探测分系 统含87枚各类声呐浮标的信号处理装置、磁力探测仪、£l:外、电子刈抗和 }j栎跛‘i探测仪等。数锱处理采用“Vnlvac—1832”机载通用计算机,咳系统 叮提高航守反潜效能^倍以上。 法嘲:“大Vq洋一l”型航空反潜电子综合系统,其硬件结构分为t级: 其吖J笫一级由中央计算机和两个总线监视计算机组成;中央计算机刈各分系 统的数撮处理结果进行储存、记录并在战术台卜-进行综合显示,同州通过总 线对整个系统进行管理。

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