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超短基线定位技术在水下潜器对接中的应用研究

郑翠娥  
【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。


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