长基线声学定位系统

4.3.1　长基线声学定位系统

长基线系统包含两部分，一部分是安装在船只上或水下机器人上的收发器/换能器(transducer)中;另一部分是一系列已知位置的固定在海底上的应答器，这些应答器之间的距离构成基线。

由于基线长度在百米到几千米之间，相对于超短基线和短基线，该系统被称为长基线系统。长基线声学定位系统是通过测量收发器和应答器之间的距离，采用测量中的前方或后方交会，对目标实施定位，所以系统与深度无关，也不必安装姿态和电罗经设备。如图4-3所示，实际工作时，既可利用一个应答器进行定位，也可同时利用二个、三个甚至更多个应答器来进行测距定位。

t:换能器; R₁、R₂和R₃:测量距离; T₁、T₂和T₃:声波应答器;BL12、BL13和BL23;基线
图4-3　长基线系统的工作原理

根据图4-3和图4-4，下面介绍采用不同数量应答器测距情况下的导航定位原理。

1.一个应答器

如图4-5所示，P(x₀，y₀)代表应答器; A、B、C分别代表具有航向K的航线上的三个船位; D_A、D_B、D_C分别表示应答器到A、B、C的水平距离。

设该船的航速为v，由A到B的航行时间为t_A，由B到C的航行时间为t_c，于是有:

式中，

图4-4　长基线系统组成及其工作原理

图4-5　长基线系统中单应答器定位方式

显然，v、t_A、t_C、K、x₀，y₀、D_A，D_B，D_C均已知，未知数x、y可用最小二乘法求出。然后将x、y代入式(4-6)中求出船位A和C的坐标。这种方法是以船速、船向误差较小为前提的，一般情况下定位精度不高。

2.双应答器

如图4-6所示，P₁(x₁，y₁)和P₂(x₂，y₂)分别为两个声标的位置，C为船位。α₁₂为声标基线d的方位角，Φ为声标P 1处三角形顶角，D_l、D₂为船到声标的水平距离。

图4-6　双应答器定位方式

由图4-6知:

如果C在声标P₁、P₂连线的另一侧，则式(4-9)应为:

3.三个和三个以上应答器

如图4-3所示，以x、y来表示测量船的平面坐标，z为测量船换能器t的吃水深度;以(x_i，y_i，z_i)，i= 1，2，3，表示已知的水下声标T的坐标，R_i(i= 1，2，3)为测量船至水下声标间的距离。以三个应答器为例，根据船到水下三个应答器的空间交会距离可得:

解式(4-11)可得:

显然，对于三个和三个以上应答器情况下的导航定位，其精度取决于测距精度。

长基线系统的优点是独立于水深值。由于存在较多的多余观测值，因而可以得到非常高的相对定位精度;此外，长基线定位系统的换能器非常小，实际作业中，易于安装和拆卸。长基线系统的缺点是系统过于复杂，操作繁琐。数量巨大的声基阵的布设和回收需要较长的时间，并且还需要对这些海底声基阵进行详细校准测量。长基线定位系统的设备一般比较昂贵。