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导航定位通信一体化系统总体技术研究

张光普  
【摘要】: 水声定位技术广泛应用于军事和民用的各个领域,为海洋的开发和利用提供精确的空间位置和技术支持,是海洋科学技术的重要组成部分,不断地推动着海洋科学技术的发展和进步。 本论文的主要工作包括导航定位通信一体化系统总体方案设计与实现,对影响系统性能的两个关键指标——导航定位精度和作用距离进行分析论证,水下运动目标的多普勒测量技术及自适应滤波器频点自跟踪技术,海底应答器阵位测量技术,最后通过试验验证了系统的工作性能。 在分析了设计需求的基础上提出了系统的总体设计思想:通过在海底布放大范围的应答器阵完成对水下目标的导航功能,通过海面的浮标和工作母船上的船载测距仪完成定位监测功能;由于单阵元水声作用距离有限,通过无线电和水声联合工作,实现对水下目标的大范围测量和应答器节点的远距离管理控制。给出了系统的结构设计和导航定位原理;针对系统功能指标的要求论证了水声信号处理和无线电、水声通信方案。 通过对导航定位原理的分析,确定了影响系统定位精度的主要因素为测时误差、测阵误差和测速误差,讨论了各因素对导航定位精度的影响,为测时方案和测阵方案的制定提供了理论依据;在理论上分析了天线高度与无线电通信距离的关系,为无线电遥控平台的设计提供了理论依据;进行了导航定位作用距离的指标论证,分析了指标规定的极限距离条件下利用所设计的水声信号处理算法能达到的测时精度和系统的定位精度。 水下目标在航行过程中发送询问信号,在接收阵元将产生多普勒现象,本文中提出了一种基于时延差的多普勒测量方法,该方法通过测量接收信号的时延差,实现高精度的多普勒估计,将其估计多普勒的性能与工程上广泛应用的自适应Notch滤波器频率估计器的多普勒估计性能进行了对比研究。分析了Notch滤波器的带宽和中心频率对处理增益的影响,将测得的多普勒用于调整Notch滤波器的中心频率,实现频点自跟踪,以达到提高信号处理增益和增大作用距离的目的。建立了一个测量径向速度求解目标运动速度的模型,完成对水下目标运动速度的监测。 本系统通过海面和海底的阵元实现对水下目标的导航定位,阵元的定位精度是影响导航定位精度的重要因素之一。水面的阵元可以借助GPS得到精确的阵位坐标,海底的应答器阵则需要进行阵位坐标校准。针对本系统大范围应答器阵校准的要求,设计了一套绝对测阵与相对自测阵相结合的海底应答器阵位测量方案,利用本系统的无线电和水声的组合遥控功能避免了工作船远距离航行,实现了高效、精确的阵位测量。海水中的声速分布是多变的,声线传播会产生测距误差进而影响应答器阵位的测量精度,本文采用了射线声学分层介质的方法对测阵过程中的声线修正问题进行了研究,提高了应答器的定位精度,并进行了仿真和试验验证。 最后,给出了本系统各个分系统的设计思想和工作原理,通过湖上试验和海上试验对该系统进行了验证,系统的关键指标均满足要求,试验结果证明了本文提出的总体设计方案的可行性和可靠性。


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