定位原理（共9篇）
定位原理 篇1
摘要：根据CPS定位原理, 用户如果能从无线数字电视广播的接收信号中测量出距离几个发射台的伪距, 就可以确定出自己的位置。本章将引出利用数字电视信号进行定位的基本原理和具体方法。
关键词：数字电视,定位,原理
1 前言
数字电视是从电视信号的采集、编辑、传播、接收的整个广播链路都数字化的电视广播系统。数字电视利用MPEG标准中的各种图像格式, 把现行模拟电视制式下的图像、伴音信号的平均码率压缩到大约4.69-21MbPs, 其图像质量可以分别达到电视演播室的质量水平或胶片质量水平, 图像水平清晰度达到500-1200线以上, 并采用MPEG或AC-3声音压缩编码技术, 传输5.1声道的环绕声信号。随着DTV技术的迅速成熟, 数字电视已经开始推广和普及。中国发展D T V的时间表大体确定为:2008年数字高清晰度电视 (HDTV) 将在国内主要城市普及和商业播出;2010年计划全面实现数字电视广播。由于现有模拟广播电视台网的大范围覆盖, 一旦数字化后即可用作定位的基础。数字电视分类为: (1) 按图像清晰度分类。数字电视包括数字HDTv、数字标准清晰度电视 (sDTv) 和数字普通清晰度电视伍DTv) 3种。HDTv图像水平清晰度大于800线, 图象质量可达到或接近3 5 m m宽银幕电影的水平;SDTV图像水平清晰度大于500线, 主要对应现有电视的分辨率量级, 其图象质量为演播室水平;LDTv图像水平清晰度为200-300线, 主要对应现有VCD的分辨率量级。 (2) 按信号传输方式分类。数字电视可分为地面无线传输数字电视 (地面数字电视) 、卫星传输数字电视 (卫星数字电视) 和有线传输数字电视 (有线数字电视) 3类。 (3) 按照产品类型分类。可分为数字电视显示器、数字电视机顶盒和一体化数字电视接收机。 (4) 按显示屏幕幅型比分类数字电视可分为4:3幅型比和16:9幅型比两种类型。
2 数字电视系统的关键技术
2.1 信源编码
(1) 视频编码。数字电视尤其数字H D T V与模拟电视相比, 在实现过程中, 最为困难的部分就是对视频信号的压缩。在1920只1080显示格式下, 压缩前的码率高达995Mbi/ts, 比现行模拟电视的传输信息量大得多。因而数字电视图像不能像模拟电视图像那样直接传输, 而是要多一道压缩编码工序, 采用MpEG-2的视频压缩标准, 使数字电视信号压缩后的传输码率减少为20-3oMbi/tS。压缩后的信息可供计算机处理, 也可在现有和将来的电视广播频道中进行分配。中国的数字音视频编解码标准工作组制定了面向数字电视和高清激光视盘播放机的AVS标准, 其压缩水平可达到MPEG一2标准的2一3倍, 而与M P E G一4 A V C相比, A V S更加简洁的设计降低了芯片实现的复杂度。 (2) 音频编码。与视频编码相同, 音频编码的主要功能是完成声音信息的压缩。声音信号数字化后, 信息量比模拟音频大得多, 因而数字电视伴音不能像模拟声音那样直接传输, 而是要多一道压缩编码工序。在音频编码方面, 欧洲、日本采用了M p E G-2的音频压缩标准;美国采纳了杜比 (Dolby) 公司的A C一3方案, M P E G-2为备用方案。但随着技术的进步, 1 9 9 4年完成的MPEG一2随着技术的进步现在显得越来越不够用, 国际上已考虑用M P E G-4 A V C来代替目前的M P E G-2。
2.2 系统复用
数字电视的复用系统是H D T V的关键部分之一。从发送端信息的流向来看, 它将视频、音频、辅助数据等编码器送来的数据比特流, 经处理复合成单路串行的比特流, 送给信道编码及调制。接收端与此过程正好相反。
2.3 信道编码及调制
数字电视信道编码及调制的目的是通过纠错编码、网格编码、均衡等技术提高信号的抗干扰能力, 通过调制把传输信号放在载波或脉冲串上, 为发射做好准备。目前所说的各国数字电视的制式, 标准不能统一, 主要是指各国在该方面的不同, 具体包括纠错、均衡等技术的不同, 带宽的不同, 尤其是调制方式的不同。数字传输常用的调制方式有:正交调幅 (Q A M) 、相移键控伊SK) 、残留边带 (VSB) 和编码正交频分复用C (O F D M) 等。
3 数字电视广播信号定位原理
3.1 测距原理
作为数据信息、音频和视频多媒体流的数字广播系统, 需要在发射端进行基于帧 (或称之为符号) 的信息编码、调制工作, 以便在用户端能够接收连续的数据帧, 在满足高数据率和实时接收信息的条件下, 保证信息的准确性, 满足系统的纠错需求。这也是数字化信息传输的本质所决定的, 数据信息和多媒体信号都是基于包或块的数据流, 需要一个打包发送和解包接收的过程, 而数字广播系统中需要的是固定时间和长度的连续帧传输。为保证实时性和抗信道衰落干扰, 一般无线数字广播系统每帧持续时间小于ms级。为了更好地识别数据帧头, 系统在发射端都会加上可以识别的同步字符, 甚至提高其发射功率来确保准确的帧同步。由上可知一当D T V接收机收到一个数据广播帧时, 系统希望准确检测出接收该数据帧头的时间, 其误差由信道干扰、系统钟差和接收机噪声等因素决定, 同时可以准确得到每一数据帧的编号, 由此计算出该帧发射时的系统时间。由此可测出每一帧在发射端和接收端的传播时间, 得到两者间的伪距测量值。
3.2 定位原理
D T V信号定位采用伪距法。这里的伪距是指D T V发射机天线至D T V接收机天线信号之间的几何距离加上各种系统误差。位置计算可以在用户终端 (UT) 实现。UT要测量每一个视距范围D T V发射机的伪距, 3个发射机的伪距足以确定UT的经度、纬度和时钟偏差, D T V发射机的位置数据可以储存在U T或通过广播数据得到。为了计算U T的精确位置 (经度、纬度、高度) , 必须知道同步码传输的时限。但它发射站的位置是不变的, 不需要像基于卫星定位那样频繁地更新。定位系统所要确定的系统状态一般为系统动态特性和系统时钟误差项, 即:空间位置、速度 (加速度) 和时钟偏差 (时钟漂移) 。如图1所示。
参考文献
[1]赵坚勇.数字电视原理与接收, 北京:电子工业出版社, 2006.
[2]孙景琪, 孙京.数字视频技术及应用, 北京:北京工业大学出版社, 2006.
定位原理 篇2
浅谈GPS的定位原理及误差分析
简述了全球定位系统(GPS)的基本结构和测量原理,总结了GPS应用的特点,分析了影响GPS测量精度的误差来源,并对减小误差的.方法进行了初步的探讨.
作 者：张春雷 王亮 作者单位：91245部队 刊 名：中国科技博览 英文刊名：ZHONGGUO BAOZHUANG KEJI BOLAN 年，卷(期)： “”(5) 分类号：P228.4 关键词：GPS 定位原理 误差分析定位原理 篇3
关键词：定位原理；位置公差；被测要素；基准要素；分析和选择
在位置公差的标注中，基准的合理分析与正确选择是一项极为重要的工作。如果基准选择不当，这不仅会对零件的加工、检验和装配等带来不利的影响，而且会直接影响到零件的位置精度，并对产品的使用性能和寿命带来很大的影响。在这里向大家介绍一种行之有效的有关位置公差标注中基准分析和选择的方法。
在图样上标注零件的位置公差，实际上就是通过确定零件上被测要素与基准要素之间的相对位置来保证其位置精度。而工件在机床夹具上的定位，实际上是通过确定加工表面与定位基准之间的相对位置来保证其加工精度。因此，位置公差标注中基准的选择与工件在机床夹具中定位基准的选择非常相似。我们知道，加工表面与定位基准之间的相对位置是通过工件上定位基准的定位以限制加工表面的位置自由度来保证的。因此，位置公差的标注也可以看成是通过正确选择基准要素的"定位"来限制被测要素自由度，从而保证被测要素与基准要素之间的相对位置精度。所以，我们可以运用工件在机床夹具中的定位原理来分析位置公差标注中基准的选择。
1.基本原理
我们知道一个自由运动的工件在空间的位置是任意的、不确定的，为保证加工表面的精度，在工件加工之前，首先要使工件占有某个确定的位置，而这一确定的位置是通过选择定位基准来限制工件的自由度实现的。如图1所示，工件在空间直角坐标系中可以沿X轴、Y轴、Z轴的方向分别移动，以及绕X轴、Y轴、Z轴分别转动，习惯上用分别表示沿X轴、Y轴、Z轴的移动自由度，用、、分别表示沿X轴、Y轴、Z轴的转动自由度，由此可见，工件要获得确定的位置，就必须限制工件六个自由度，当然，定位基准的选择不是唯一的，它有不同的选择原则。若从保证加工精度的要求出发，最好根据"基准重合"原则来选择，即以设计基准作为定位基准。因此，与此相似的，位置公差的标注实际上只要限制影响被测要素与基准要素位置精度的那些自由度。而这些自由度的限制就相当于以基准要素的"定位"（相对于符合"基准重合"原则）来实现的。因此在标注位置公差时，我们就可以应用工件的定位原理来对基准要素所能限制的自由度进行分析，从而保证基准要素选择的正确性。
基准要素就是构成零件几何特征的点、线、面。当基准要素为点（如球心等）时，其有三个位置自由度，即三个移动自由度，如图2-1所示，故要确定A点的位置只要限制其三个移动自由度即可。当基准要素为直线（如圆柱的轴线等）时，其有四个位置自由度，即两个移动自由度和两个转动自由度、，如图2-2所示，故要确定其位置只要限制这四个自由度即可，当基准要素为平面时，其有三个位置自由度，即、、，如图2-3所示，故只要限制这三个自由度，该平面的空间位置就唯一地确定下来了。
被测要素的位置自由度分析与基准要素相同。在位置公差标注中基准的选择过程也就是位置自由度的分析过程。一个基准要素所能限制被测要素的位置自由度数目不可能超过基准要素本身所具有的位置自由度数目。事实上，只有当被测要素的某个位置自由度同时是基准要素的位置自由度时，则位置自由度才能被限制。因此，为了限制被测要素的所有位置自由度，有时只需一个基准就可以了，但有时却需要两个或两个以上的基准要素才行。如图3所示的位置公差的标注就是一个多基准的实例。
当采用多个基准来限制被测要素位置时，是否会出现自由度被重复限制的“过定位”现象呢？如果出现了“过定位”，那么这时会不会产生干涉和矛盾？下面就结合图3来分析这一问题。
在图3中，€%oD孔的轴线具有四个位置自由度，即、、，若只选择一个基准要素显然是不够的。为此，这里选择了A、
B、C三个基准构成一个三基面体系来共同限制被测要素孔€%oD轴线的四个自由度。根据前面的分析我们知道，A、B、C三个基准面各能限制三个自由度，它们分别是、、和、、及、、。但是，只有当被测要素的某个自由度同时是基准要素的自由度时，该位置自由度才能被限制。因此，实际上基准A只限制了被测要素的、两个转动自由度，基准B只限制了被测要素的、两个位置自由度，基准C只限制了被测要素的、两个位置自由度。显然，被测要素的两个转动自由度、被重复限制了，即出现了“过定位”现象。若基准要素没有形状误差，各基准之间也没有位置误差，那么这种“过定位”是没有问题的。但事实上误差总是存在的，那么这时是否会产生干涉和矛盾呢？肯定是不会的。这是因为：
图样上所标出的基准都是理想的，没有任何形状误差。否则就难以说明被测要素的方向和位置误差。
在实际运用中，理想的基准要素是通过实际的基准要素来确定和体现的。为了避免实际基准要素形位误差的影响，国家标准规定：基准与基准实际要素之间的位置关系是按“最小条件”原则来确定的，即基准实际要素对基准的最大偏离量为最小。因此，在实际加工和检验中，基准通常用形状足够精确的表面模拟。例如，基准平面用平台、平板的工作面来模拟；孔的基准轴线可用与孔无间隙配合的心轴、可胀式心轴的轴线来模拟；轴的基准轴线可用V型块来体现等。
基准要素的形状误差在基准建立时就已经被排除掉了。例如在三基面体系建立的过程中，为了防止多基准对同一位置自由度的重复限制而导致干涉，第二和第三基准就不能象第一基准那样按“最小条件”来建立，而应该按关联要素的实效边界条件来建立，这样可使得建立的三个基准均处在理想的位置上。
如果用作基准的实际要素是粗糙不平的表面或是“台阶”表面或是复杂曲面，这时就无法以整个表面作为基准使用，为此，常采用基准目标法来建立基准体系，即从这些基准实际要素表面上指定的一些点、线、面来确定基准平面。如以指定的三个点（平面）为目标构成基准平面，由线（两点）为目标构成基准平面，由一点（小面）为目标构成基准平面等。采用了基准目标后，三基面体系的建立就与整个基准实际要素无关了，而仅由指定的点、线、面来确定，这样不仅保证了零件在加工、检验等时的定位重复性，防止了多基准定位的干涉，而且扩大了三基面体系的运用范围。
当基准要素尺寸很小时，其限制的位置自由度的数目亦会减少。在图3中，当基准面B的长度比很大时，B面可近似地看成一条直线，这时它就不起限制 转动自由度的作用。同样，当基准面C的Y、Z两个方向的尺寸都较小时，C面这时就可被近似地看成一点，它就不起限制 、 转动自由度的作用。因而此时的重复限制就可以忽略不计。
综上所述，当采用多基准来标注被测要素的位置公差时，从理论和实际情况两方面来看都不会产生干涉。这时，各基准所处的地位和所起的作用是不一样的：第一个基准是主要基准，它限制了它所能限制的所有自由度，而后面的第二、三基准等所限制的自由度分别为前面基准已经限制了的自由度之外它们所能限制的被测要素的自由度。因此在多基准的位置公差标注中，应特别注意基准的先后顺序，要从实际出发，根据零件的功能要求正确合理地选择第一、第二、第三基准。
以上关于位置公差标注中自由度的分析，客观地反映了被测要素与基准要素之间位置关系的内在规律。掌握这一规律，必将对位置公差标注中有关基准的分析和选择带来很大帮助。
如图4所示的圆跳动的标注。要保证圆柱面的圆跳动就必须限制与之有关的、、、 四个位置自由度，根据定义，圆跳动是对基准D而言的，当圆柱面D较长时，仅以此作基准是可行的。因为以此长基准D"定位"可限制零件的、、、四个位置自由度，从而能保证被测要素的位置要求。但当圆柱面D较短时，用其"定位"只能限制 、两个移动自由度，"定位"能力不足，即此时为"欠定位"。因此，必须再选一基准C，以此"定位"又可限制被测要素的、 两个位置自由度，从而能保证被测要素圆跳动的要求。根据零件的工作状态，端面C主要用作定位，短轴D主要用于定心，故应选C为第一基准，D为第二基准。
参考文献
数字电视广播信号定位原理 篇4
我们平时所说的数字广播电视指得是通过一些列的方式转化, 例如:电视信号的采集工作、电视信号的编辑工作、电视信号的传播以及接收等, 再通过整个的广播链路进行相对应的数字转换, 进而形成我们所说的数字化电视广播系统。尤其只得指出的是数字电视通常会利用MPEG的标准中所显现出来的各种各样的图像格式, 将我们现行过程中的模拟电视制作下的一些图像、数字电视版音信号的一系列平均码率尽最大可能压缩到我们平时所说的4.6 9——21Mb Ps, 这样一来, 数字电视所显示的图像质量通常情况下就可以达到我们电视演播室里的烟波胶片的质量水平或者可以达到电视演播室所显示的图像的质量水平。按照数据来说明的话, 图像水平的所能够达到的清晰度一般可以达到500——1200线以上。然后, 我们再通过一些技术手段。随着我国科学技术的不断发展和进步, 我国的DTV技术的应用也开始变得越来越普及, 并且逐渐的成熟壮大起来。随着DTV技术的日益普及, 便随而来的是数字电视也开始慢慢的推广和普遍起来。
针对数字电视, 我们首先要对数字电视系统的整体关键技术进行一系列的分析。数字电视系统的关键技术分为3种类型。第一种类型是信源编码, 这种编码以视频编码为主。在数字电视的应用领域中来说, 尤其是数字电视系统中的数字HDTV, 这种数字电视系统与以前的模拟电视系统相比较来说, 他实现了在现实生活中的, 最难控制的一部分领域——对视频信号的整体压缩。例如:在通常的情况下, 也就是专业人员通常所说的在1920只得1080的显示模式的状态下, 信号在压缩之前的码率通常保持在995Mbi/t S, 但是通过一系列的数字电视信号压缩之后, 数字信号的传输码率一般会逐步的减少到20——30左右的Mbi/t S。尤其值得指出的是在经过这一系列的数字信号压缩之后的数字信号信息可以很有效的为计算机处理提供良好的信息源, 除了这一功能之外, 经过一系列压缩处理的信号源还可以有效地为现有的或者将来可以有的电视广播的频道中进行有效地、合理的分配工作。在我国现行的数字音频编码、解码的标准工作制定过程中, 标准工作的制定工作组根据数字电视广播信号的发展趋势以及本着不断的面向数字电视以及高清激光的实盘播放机的AVS的标准, 在一般情况下, 数字电视广播信号的压缩水平通常的情况下可以到达MPEG——2等标准制定指标的2倍或者3倍以上, 而与我们所说的MPEG——4AVC制定标准相比较来说, AVS显得更加简洁, 主要体现在AVS在设计水平上整体降低了数字广播电视信号源芯片的实现的复杂程度。第二种类型是音频编码。这种数字电视广播的音频编码与上述的视频编码的基本功能是相同的, 但是需要指出的是音频编码的最主要的功能是有效的完成声音等有效信息的压缩。在一般的情况下, 声音信号在进行了一系列的数字化工作之后, 信息量在与模拟音频的比较之下, 显得非常的多。因此, 在数字电视广播过程中, 数字电视的伴音功能一般不能够想我们平时所经常利用到的模拟声音那样进行直接的传输工作, 所以, 在进行数字电视的伴音过程中, 我们必须要增加一项压缩编码的工作程序。在我国的音频编码过程中, 我们一般采用的都是欧洲以及日本等国家经常采用的Mp EG——2的音频压缩的标准。在美国, 通常采用的是杜比, 也就是我们通常所说的Dolby公司的AC——3的音频编码方案, 而Mp EG——2得音频编码通常作为备用方案来进行执行。但是随着我国科技的进步和发展, 在1994年得时候, 该公司逐渐的发现了MPEG——2标准, 已经越来越显得不够使用的了, 所以, 在当今的数字广播电视在信号源的发展中, 国际逐步的开始考虑开始逐渐的运用MPEG---4AVC的标准来对MPEG——2数字广播电视音频编码标准进行替代工作。
2、我国的数字广播电视信号的定位原理浅析
2.1 数字广播电视信号的测距原理
作为数字广播电视信号的数据信息、数字电视广播信号的音频以及视频等多媒体流的数字广播电视信号系统, 通常在需要发射的发射端部分进行一项基于帧或者是也可以称之为符号的信息编码以及调制工作, 这样一来, 不仅可以方便用户端十分有效的、及时的接受数字广播电视信号的连续的数据帧, 因此, 在不断地满足以及保证高数据率以及实时的接收数字广播电视信号的接受信息的整体条件之下来保证数字广播电视信号的信息的整体准确性, 进而达到不断地满足数字广播电视信号系统的纠错的需求。这样的情况通常也是数字电视广播信号的数字化的信息传输的本身品质所决定的。在进行数字信息以及多媒体信号等信息都是通过包或者是块的数据流来进行传输的, 在传输的过程当中, 也就是在数字广播电视信号的系统中都是需要一些固定的时间以及固定的程度进行连续的、有效的连续帧的传输工作。
2.2 电视广播信号的定位原理
通常情况下, 我国的数字电视信号一般采用的都是DTV信号伪距法。这种方法通常需要计算接收天线之间的位置以及进行系统误差的预算, 最终在用户的终端 (UT) 实现。电视广播信号的定位系统在一般的状态下可以分为系统的动态性以及系统的时钟误差项。也就是我们通常所指的数字电视广播信号的空间位置以及加速度, 还有时钟偏差 (或者也可以叫做时钟漂移) 等。
摘要：本文主要通过人们比较熟知的CPS定位的基本原理, 来向广大的数字电视用户介绍如何通过无线数字的电视广播来进行相关的信号接收, 进而利用几个发射台测量出伪距确定用户的位置。
关键词：数字电视,广播,信号,定位,原理
参考文献
[1]王亮等.负载型催化剂活性组分在载体表面单层分散研究进展[A].中国化学会第27届学术年会第11分会场摘要集[C], 2010年.
RSSI定位原理的研究与实现 篇5
无线传感器网络因其自组织性、分布式、低功耗和低成本等特性得到了广泛的应用。近年来研究热门是利用无线信号来定位,定位信息有着非常重要的应用。如在军事上,可以利用传感器网络侦测敌方军队的行动路线;在民用上,可以利用定位信息来检测商场的人流量。这是一种内容识别(Content-aware)的概念。现在有些地图应用已经将这种理念嵌入其应用中,如百度地图与谷歌地图,不仅能实时地跟踪确定的地理位置,还能给出周边的餐饮和住宿等相关信息。
下面重点研究了RSSI的影响因素,对数据进行测量,根据测量值选择优化算法对数据进行处理,以寻找RSSI与距离(Distance)的关系[1,2,3]。最后采用基于Zigbee协议的CC2530芯片为硬件平台,利用RSSI信息来定位待测点的信息。
1 RSSI
RSSI的大小随着收发二者间距离的增大而减小,但是非线性。在本次硬件系统中,CC2530内部具有检测接收信号强度的模块,在收到一个有效的数据包时,会将接收到的信号强度值(RSSI值)放到一个特定的寄存器里。实际接收信号的强度为寄存器内的值与73 dB的和。73 dB是一个典型值,本次实验系统中采用的TinyOS系统里面也是采用该值。但是,不同的芯片,这个值会不一样,具体需要参看相应芯片的数据手册。在本次测量系统中,接收信号的范围为-25~50 dB。
通过大量的实验与研究发现,RSSI与Distance之间近似为Log关系,其关系表达式为:
RSSI = a * Log(Distance)+ c。 (1)
式中,a、c是与环境因素有关的参数,不同的环境和不同的硬件天线,这2个参数会不同。可以通过测量一组RSSI与Distance的数据,然后通过算法拟合求出a、c的值。a、c的值一旦确定,那么就确定了RSSI与Distance的关系,因此,测量出RSSI的值就可以反算出Distance。
1.1 功率因素对RSSI的影响
RSSI是一个非常不稳定的测量指标,它受到很多因素的影响,但是通过一定的算法,可以把误差降低到可以忽略的范围内。
RSSI是无线信号,与一般的无线信号一样,易受到散射、反射和衍射效果的影响。在这3种影响因素中,反射效应是最大的影响因素。反射往往会造成多径效应,这极大地影响了接收机的数据接收。当将结点的发射功率调到最大时,其RSSI的值比较稳定,不易受外界因素的干扰。而且在这种情况下由多径(multi-path)产生的信号相比原信号的强度要小得多。所以将发射功率调到最大,其测量误差较小,但是此时的距离分辨率比较低。通过实验得到,一般情况下当外界因素直接影响视距(LOS)时,RSSI的值必定会产生变化。当将结点的功率调到最小时,RSSI值的波动性非常大,但是通过最优化拟合,也可以得到一条近似Log模型的曲线。此时虽然理论上其距离的分辨率高,但是由于其波动性,这种效果已经不明显。所以在本次实验中,将结点功率设置为最大。
1.2 收发点相对角度对RSSI的影响
对于柱状天线,理论上到发射点的功率相等的地方应为一个标准的圆。但是实际情形中,受天线和硬件PCB布线等其他因素的影响,功率相等的地方所构成的曲线并不是一个圆。通过实验验证了这一结论,如图1所示。
实验中发现,其轨迹不是一个标准圆,而是一个近似的椭圆。收发点相对角度确实对RSSI的值有影响,但是影响较小。引入修正参数可以适当地削弱角度参数造成的影响。
1.3 多对收发结点存在时对RSSI的影响
在前面的实验中,收发结点只有一对。如果收发结点有多对,而且每对的LOS存在交叉时,RSSI会增强。在实验中,测量的数据验证了这一结论,如图1所示。
从图1中可以看到,LOS交叉时比LOS非交叉时的RSSI普遍要高。
1.4 环境因素
上述RSSI是非常不稳定的测量因素,受多方面的影响。在室内做测量时,不同的地方测量得到的RSSI与Distance的关系将会不一样。具体体现在a值和c值的不同。前面的角度参数的测量是在一个比较空旷的室内进行的。理论上讲,室内空旷, 多径的影响会较小,因为到达墙壁或是其他障碍物的信号自身已经很小,再经过反射后再次到达接收机的信号强度相比经过LOS直接传送过来的信号要小得多。而当室内环境比较小时,由多径所产生的影响将会带有许多的不确定性。
图2中所列4条曲线的测量环境与上述角度参数测量时的环境不为同一地方,4条曲线分别对应4个自转角度下RSSI与Distance的关系。从图2中可以看到,角度参数对RSSI的影响比较大。如果在这种环境下直接利用某单一方面的a、c值去测量,所得结果必定会产生很大的误差。
在许多不同的环境下进行测量时发现,在不同的环境下,数据变化较大的是参数a。在不同的环境下,a的取值为-9~-22。但是c的值相对a变化不大,取值为22~33。
2 RSSI测距
在本次测距实验中[4,5,6,7],选用Atos物联网实验箱,采用10 cm天线,选择的室内环境为空旷无杂物的室内环境,利用3个已知坐标的基站去测量待测点的位置[8,9]。
2.1 实验测量RSSI与Distance的关系
在本次实验中,测量得到的RSSI与Distance的关系90%以上都符合Log模型。这里给出部分数据:当收发2点间距为2 cm时,RSSI为22;10 cm时,RSSI为9;20 cm时,RSSI为4。
上面数据的测量条件为室内环境,每一个距离对应的RSSI在测量时有多个值,以上只列出了部分值,这是在周围环境无变化时,取接收到的RSSI概率最大的一个(发射结点每次发包50次,发包间隔为1 s,取50次里面出现次数最多的一个记为对应点的RSSI值)。
拟合后得到的相关信息如下所示:
General model:
f(x)= a*log(x)+c
Coefficients(with 95% confidence bounds):
a=-9.424(-10.54,-8.309)
c=31.72(26.55,36.9)
Goodness of fit:
SSE:228.8
R-square:0.9269
Adjusted R-square:0.9238
RMSE:3.087
利用MATLAB里面的cftool工具箱,选MD算法,可以找一条最好的拟合曲线,如图3所示。从拟合后的结果中可以得到表达式RSSI=a*log(d)+c中各未知参数的值,也有误差、拟合度等相关信息。这些信息便于后面做一些修正[10,11]。
2.2 利用已知参数的数据模型测量距离
由平面几何知识可以得到,如果已知1个点到3个已知结点的相对距离,那么这个点的位置也就知道了。因些在室内布置3个AP,其位置给定,然后待测点向这3个结点发送包。3个AP根据接收到的RSSI信息,利用Log模型参数能计算出相对距离。然后利用BSGF搜索极小值的算法,找到一个最合适的位置,使到3边的距离最接近测量值。测量结果如图4和图5所示。
实际结果与定位结果如图4所示。定位的累积误差如图5所示。从图5中可以看到,88%数据的定位误差都在1 m以内。
3 结束语
上述重点研究了RSSI的影响因素,从功率、收发点相对角度、多收发结点和环境等因素中寻找规律,并通过实验验证了这些影响因素的成因,对实验后的数据也做了详细分析。利用数据与图表定量分析了RSSI影响因素的大小。
从定量的数据分析得出,功率越大,RSSI越大,c值越大,但a值可能保持不变。收发点相对位置不变,相对角度不同,RSSI的值会发生变化,具体变化与环境有关,而环境因素对RSSI的值则产生不确定性的影响。多收发结点将会使RSSI的值变大。
最后利用Atos物联网实验平台,结合RSSI与Distance的Log数据模型关系,做了一个定位实验,实验精度能达到1 m。
参考文献
[1]ABDALKARIM A,THORSTEN F,FALKO D.Adaptive Dis-tance Estimation and Localization[C]∥IEEE InternationalConference,2007:471-478.
[2]CHONG L,KUI W,TIAN H.Sensor Localization with RingOverlapping Based on Comparison of Received SignalStrength Indicator[C]∥IEEE International Conference onMobile Ad-hoc and Sensor Systems,2004:516-518.
[3]HUI L,HOU S D,PAT B,JING L.Survey of WirelessIndoor Positioning Techniques and Systems[C]∥IEEETransactions on Systems,Man and Cybernetics—PARTC:Applications and Reviews,2007:1 067-1 080.
[4]GUO Q M,BARIS,FIDAN D O,et al.Wireless Sensor Net-work Localization Techniques[C]∥Computer Networks,2007:2 529-2 553.
[5]BAHL P,PADMANABHAN V.RADAR:An In-buildingRF-based User Location and Tracking System[C]∥IEEEINFOCOM,2000:775-784.
[6]ELNAHRAWY E,LI X,MARTIN R.The Limits ofLocalization Using Signal Strength:A Comparative Study[C]∥First Annual IEEE Conference on Sensor and Ad-hoc Communications and Networks,2004:406-414.
[7]NICULESCU D,NATH B.Ad Hoc Positioning System(APS)Using AOA[C]∥INFOCOM,2003,1 734-1 743.
[8]BLUMENTHAL L M.Theory and Applications DistanceGeometry[M].Ox-ford University Press,1953:665-720.
[9]ROOS T,MYLLYMAKI P,TIRRI H.A StatisticalModeling Approach to Location Estimation[C]∥IEEETransactions on Mobile Computing,2002:59-69.
[10]WHITEHOUSE K,CULLER D.Calibration as ParameterEstimation in Sensor Networks[C]∥ACM Press,2002:59-67.
汽车涂胶机双目视系统定位原理 篇6
双目视系统需要从二维图像中计算出空间物体的三维信息, 运用透视变换模型需要获取物体图像信息, 再根据所获取的图像信息分析物体的三维立体坐标, 从而进行识别并得到物体准确的位置信息。所谓的目视系统标定是指通过几何模型参数将空间物体和图像进行点对点连接后, 进行数据分析标定的过程。几何模型参数决定了空间物体表面的几何位置和图像对应点间的相互关系, 对双目视系统定位具有关键性的作用[1]。
在视觉导航、监控跟踪等立体视觉系统应用中, 对图像定位处理的效率要求较高, 建立高效快捷的双目视系统模型是社会发展的现实要求。在实际应用中, 常使用线性目视系统模式进行图像标定处理, 反而忽视了目视系统非线性因素的影响。
2 目视系统标定的重要性
目视系统 标定具有 如下几个 重要作用。
2 . 1 从计算机图像中导出三维信息
目视系统标定经过多次试验和计算能够得到一个目视系统模型参数, 该参数决定了计算机图像和空间物体表面进行点对点连接的相互关系, 能够提供给定坐标点的图像坐标, 并确定实际物体目标点的空间位置信息。目视系统标定在机电元件自动装配、机器人标定、轨迹分析及在线检测等方面运用广泛。
2 . 2 确定自动行驶车辆上的空间位置
利用目视系统标定可以确定自动行驶车辆和移动机器人的空间位置信息, 如果知道目标点的空间坐标和图像坐标, 可以通过目视系统参数标定技术进行分析, 从而得到目视系统的方向信息。
2 . 3 已知物体的三维信息可导出物体的二维计算机图像坐标
在进行模型驱动的机器视觉检测和装配中, 有关于物体的方向假设和立体空间坐标问题时, 可以利用目视系统参数转化为该图像的假设, 然后将假设的图像和物体三维图像进行比较, 如果假设图像满足物体三维信息, 则可确认或拒绝对该物体和物体空间位置假设成立。
3 目视系统的标定原则
目视系统的标定包括图像获取、参数计算、图像预处理等关键步骤, 在进行图像标定时一般需要在目视系统前放置特制的标定参照物, 获取该物体图像后计算内、外部系统参数[2]。采用点特征提取方式标定参照物, 并根据每个特征点相对于世界坐标系OwXwYwZw的位置进 行精确的 测量。得到物体坐标点的数据进而可以解出目视系统内、外部参数。
下面用矩阵形式写出这些方程:
其中, K为 (1) 式左边2n×11矩阵;m指代未知的11维向量;U为 (1) 式右边的2n维向量, K, U为已知向量。当2n>11时, 用最小二乘法可以 求出上述 线性方程 解为 : m = (KTK) -1KTU。
m向量与34m =1构成了所 求解的M矩阵。从以上式子可知, 若有空间6个以上的已知点和它们的二维图像坐标匹配的话, 就可以求 出M矩阵。一般在进 行标定时 都会使标定模板上有数十个已知坐标点, 使方程的个数远远多于未知数的个数, 用最小二乘法求方程解, 从而降低误差。
求出M矩阵后, 如果需要解目视系统的内部、外部参数, 可由 (1) 式表示的关系算出目视系统的全部的内部、外部参数。不过, 所求得的M矩阵与 (1) 式所表示的矩阵M相差一个常数因子34m。指定34m =1虽然并不影响投 影关系, 但在分解M矩阵时必 须进行考虑。将 (1) 式M矩阵与目视系统内部、外部参数的关系写成
其中, miT (i=1~3) 从式子 (1) 中解出, 作为M矩阵第i行的前3个元素组成的行向量。mi4是M矩阵第i行第4列元素;riT (i=1~3) 是作为旋转矩阵R的第i行;tx, ty, tz分别为平移向量T的3个分量。且r1T, r2T, r3T, 之间有如下的约束关系:
由式 (2) 可以得到:
(5) 式中的×表示向量运算符号, 根据 (5) 式所得参数可以得到 (6) 式中的参数。
从以上方程式中可以知道, 根据空间6个以上已知点及其坐标信息和图像, 可以按照方程 (5) 和 (6) 求出目视系统的内、外部参数。
4 结语
该文根据汽车涂胶机目视系统图像坐标和针孔目视系统模型定位等方面展开讨论。在此基础上, 说明通过目视系统标定和图像点坐标可以唯一地确定空间中的一条射线。利用两个标定过的目视系统观察同一个待测点, 它的空间三维坐标可以用两条这样的射线的交点计算出来, 说明了双目视觉的基本原理, 并讨论了投影矩阵的求解方法。
参考文献
[1]张瑞森, 刘冀伟.基于双目机器人的实时测距与追踪系统[J].电子器件, 2007 (5) :1618-1621.
活塞环侧边定位数控机床应用原理 篇7
活塞环加工专机是内燃机制造行业的专用机床。目前,侧边定位活塞环———活塞环开口处侧边具有定位用R槽的一种特殊活塞环,见图1。定位用R槽的加工全部依赖于手工加工,尚无此道工序加工的成套设备。在人工加工过程中,必须依赖人的手感来把环压紧在工作平台上。保证被加工环在工作平台上平稳滑动,以使环的开口处侧边平稳的通过砂轮磨削,加工出定位用R槽。此时加在环上的压力不能太大,太大将导致环变形或在工作平台上无法平稳滑动。压力又不能太小,太小将导致环有可能翘起而使加工尺寸不稳定,即尺寸不到位,且工装寿命短。因此手工加工出来的产品受人为操作和工装的影响,效率低,产品质量一致性差,废品率高。
2 国内外现状
目前,国内外大部分企业完全是依赖于手工来完成加工,其过程为将需要加工的产品环放入工装内,再用手拿起装有环的工装一起在平板上移动,使成形砂轮磨削出需要的尺寸和形状环。加工好后将其环手工取下,重复第二次循环,见图2。其缺点为:加在环上的压力不好控制,凭手感来完成。工装和环的贴合不好控制,环容易翘起变形。加工出产品精度和形状不一致性差,效率低,废品率高。
3 自主研发产品工作原理
自主研发产品的工作原理具体为:活塞环侧边定位数控磨床,床身上方安装有工作平台,下方装有磨削砂轮和落料理环机构。工作平台上设有压料伺服电机,锥形上料机构,右边装有推料伺服电机,上方装有数控系统。将待加工环放入锥形上料筒内,由压料伺服电机把环压到工装内贴紧平台,再由推料伺服电机将工件和平台一起做往复加工运动。最后由压料伺服电机将加工好的环压到落料环杆上,重复第二个循环,此种设备可以一人多机台操作,深受广大客户青睐。附图3、图4。
进一步需要说明的问题是,需要保持的是加在环上的压力,而转矩控制方式控制的是电机具有恒定的转矩,为此必须说明压料电机的转矩与压头上的压力是单调对应的关系。由于压头与压料电机采用的是滚珠丝杆连接结构,如图5所示,图中包括进给丝杆15,滚珠螺母16,驱动转矩Te17,轴向压力Fa18,由相关资料[1]可知图5中驱动转矩Te与轴向压力Fa的关系为:
式中:Fa—轴向压力;
Η—传动效率,与螺距和丝杆公称直径有关;
Te—电机驱动转矩;
Ph—螺距(导程)
此式表明,在螺距和丝杆公称直径确定的情况下,驱动转矩Te与轴向压力Fa之间为正比关系,单调对应,因此对压力的控制就转化为对转矩的控制。
参考文献
定位原理 篇8
GPS是一种高精度卫星定位导航系统[1]。在实验期间,它能给出高精度的定位结果。此时尽管有人提出利用差分技术来进一步提高定位精度,但由于用户要求还不迫切,所以这一技术发展较慢。然而,随着GPS技术的发展和完善,应用领域的进一步开拓,人们越来越重视利用差分GPS技术来改善定位性能。卫星差分导航系统可以极大地提高卫星定位系统的精度和定位完整性[2],最普遍的结构由参考站、数据通信网络和移动站三部分组成。由图1[3]可知,差分GPS定位技术的基本原理为:事先经过精确测量定位的参考基站利用高质量的卫星接收机,估算每一颗卫星测量中缓慢变化的各种误差分量,形成对可见卫星的测量修正,再通过数据通信网络广播给附近的移动用户,这样就可以得到比单点定位更高的精度。
2 差分GPS定位技术的方法
卫星差分定位有很多不同的方法,它们大体可以分为局域差分系统、广域差分系统和网络差分系统[4,5]。
大部分局域差分系统使用单参考站,利用测站间误差具有时空强相关性原理,根据已知位置信息和GPS观测数据生成差分改正信息,通过无线通讯链路实时播发给移动站。局域差分一般可分为基于码相位的差分(包括位置差分和伪距离差分)和基于载波相位的差分。如果基站和移动用户的距离在10公里以内,基于码相位的差分可以实现亚米级定位精度[3]。基于码相位的差分除了系统比较简单以外,还有一个好处:由于它只需要传输每一颗卫星伪距离的标量修正,而且标量修正是缓慢变化的,系统传输的数据量很小,节约网络资源。由于伪距容易受到多径的影响,使得复杂环境下的定位精度变差,甚至失效。载波相位差分是一种高精度定位模式,通常称为实时动态(RTK)技术,其测量卫星信号从导航卫星到参考基站的相位变化,达到百分之几的载波波长的精度,通常为厘米级精度。但高精度的实时动态系统有两个主要缺点:1) 由于计算整数模糊度需要载波相位的测量和传输,载波相位是每一时刻快速变化的量,系统数据传输量比基于码相位的差分系统要高很多;2) 确定整数模糊度需要比较长的时间,通常在静态的用户需要几分钟甚至几十分钟的时间。因此实时动态系统在高动态下确定整数模糊度就更加困难。
广域差分系统是利用服务区内的参考站网监测可见GPS卫星,计算每一颗卫星的矢量修正[6]。矢量修正包括卫星时钟修正、卫星位置的三个坐标的修正、以及格点化的电离层延迟参数。广域差分系统的精度和局域差分接近,但它可以覆盖到整个国家甚至地球的区域,而且它比覆盖同样面积的局域网构建使用更少的参考站。目前覆盖范围最广的广域差分系统是美国航空航天局部署的广域增强系统(WAAS/SBAS)[7]。用户接收机的基带芯片只有配备用于处理SBAS信息的通道,卫星通讯使用成本昂贵,一般民用场合难以承受;而且域增强系统的建设,需要由国家级部门牵头统一规划协调,一般的地区行业无法完成[4]。
网络差分技术[5]是GPS理论发展与现代通信技术结合的产物,能够克服常规差分方法存在的缺陷,使用户更便捷地在较大空间范围内获得均匀、高精度和可靠的定位结果。国外目前比较成熟的网络差分技术有VRS(虚拟参考站)技术、FKP(区域改正数)技术和MAC(主辅站)技术。在国内,网络差分技术也取得了一些成果:武汉大学提出了一种网络RTK系统误差改正模型——综合误差内插技术(CBI);东南大学采用GPRS(通用分组无线业务)与Internet无缝链接技术集成GPS模块,开发了网络差分移动站终端等。但总的来说,国内的网络差分技术与国外的差距还比较大。
3 差分GPS定位技术的传输协议[5]
网络差分系统中差分改正信息的生成是系统实现的关键技术之一,而网络差分系统必须发布符合标准协议的差分改正信息,以适于各个不同的接收机。常用的GPS差分协议主要包括以下几种:
1) RTCM差分协议:国际海运事业无线电技术委员会(RTCM)为全球应用差分GPS业务制定了RTCM SC—104差分电文标准协议。
2) RTCA差分协议:为了满足局域差分系统和广域差分系统的技术要求,航空无线电技术委员会(RTCA)制定了RTCA SC—159差分电文标准协议。
3) 专门用于实时动态定位的CMR差分协议:由于近几年来,实时动态载波相位差分技术的出现,美国Trimble公司制定了专门用于RTK的CMR差分协议。
以上三种差分协议中,使用最广泛的是RTCM标准协议。但是由于现代定位技术的不断发展,原有的差分协议并不能完全满足它们的需求,出现了扩展差分协议。如德国的GEO++组织为了提高定位精度和减少数据发送量提出了RTCM++协议;另外,为了传输区域改正数,GEO++组织在RTCM++的基础上,制定了RTCM-Adv差分协议等。
4差分GPS定位技术的应用现状
在当今信息社会中,交通运输的合理调度和管制对于生产和人的生活有着很重要的作用。自GPS问世以来,许多应用需要很高的精度。例如对警车、消防车等的定位,必须具有足够的精度,不能误导其位置到其他的街道,这时就需要采用差分GPS技术,进而提高用车的使用效率。此外,差分GPS在水下地形测绘,大比例尺测图,海洋石油勘探和定位,航空摄影,飞机精密进场和船舶机动性能测定,农业领域和载体姿态测定中必不可少[8]。
随着科技的不断发展,智能手机等电子产物越来越离不开人们的日常生活。众所周知,手机导航已存在了很多时间,同时也被人们广泛使用。但是,目前的手机导航定位精度很差,越来越满足不了人们的需求。然而,如果在手机导航定位中加入差分技术,则可以大大提高手机导航的精度,更方便人们的出行。
同时,随着智能交通特别是车联网技术与产业的兴起,完全可实现在信息网络平台上对所有车辆的属性信息和静、动态信息进行提取和有效利用,并根据不同的功能需求对所有车辆的运行状态进行有效的监管和提供综合服务的系统。因此,我们可以将差分GPS定位技术应用到车辆导航中,提高车辆导航的定位精度,进而实现精确到厘米级的车道间的定位。
最近,美国高速公路安全管理局提出了V2V(vehicle to vehicle)技术,也就是让汽车之间建立联系。该技术系统将综合使用GPS、雷达以及摄像头技术,当发现迎面驶来汽车时,及时将它的行驶轨迹预报给司机,从而使司机避开前方车辆。系统还会在两车之间进行通信,以避免在路口发生交通事故。因此,如果V2V技术不采用传统的GPS技术而采用差分GPS定位技术的话,将使车辆的定位精度更高,使得V2V技术在交叉路口等事故多发地的预报更加精准,尽量降低交通事故的发生。对车辆加入差分定位技术,还可以实现停车场的智能停车管理,也可以应用在交警部门对路边违规停车车辆的查询上。当交警部门通过网络查询到某地出现违规停车时,可以立马调动人手进行开罚单处理,提高了交警部门的执勤效率,同时也可以有力整顿路边违规停车的情况。由于网络差分技术可以带来高达厘米级的定位精度,故差分GPS定位技术同样也可以应用在电缆监测、高铁桥梁和路基结构健康实时监测。
5 结束语
GPS导航定位技术的日益普及已深深地影响和改变人们的生活,但传统的GPS定位技术由于受到各种测量误差的影响,其定位精度已不能满足当前的需求。减少GPS测量误差显然能提高其定位精度,而差分GPS可以有效地降低甚至消除各种GPS测量误差,故研究差分GPS定位技术的原理和应用具有重要的现实意义。同时,由于差分GPS定位技术的不断成熟,其应用已逐渐渗入到人们的日常生活中。因此,更进一步地拓展差分GPS定位技术在各行各业中的应用将是未来的发展趋势。
摘要：全球导航卫星系统(GNSS)为人类导航定位提供了巨大的便利,特别是美国的全球定位系统GPS。GPS接收机由于受到电离层延时、对流层延时、卫星时钟偏差、卫星时钟频率漂移、卫星星历偏差、多径误差等影响,定位精度在最优情况下只能达到7-10米。为了提高定位精度,出现了差分GPS定位系统,实现了亚米级、甚至厘米级的定位精度。因此,对差分GPS定位技术的原理和应用进行研究具有重要的现实意义。
定位原理 篇9
关键词：水声跟踪系统,船载式,定位原理,误差分析
0 引言
水声跟踪系统主要是指利用声波信号，在水下局部区域进行定位导航的系统[1]。声学定位技术，在海防军事应用中具有重要的实用价值。不仅可以完成水下目标的连续跟踪和精确定位，考核其战技指标实现情况和技术设计的合理性，还可在大面积范围内对来袭的敌方目标进行远距离探测和预警。尤其是近年来，随着海洋探测、海洋工程等技术的不断发展，声学定位技术的应用和发展也越来越广泛。
1 水声定位系统简介
水声跟踪系统按照接收基阵中基线的长度(又称基阵孔径[2])来划分，分为超短基线系统(USBL或SSBL)、短基线系统(SBL)和长基线系统(LBL)。长基线因其基线较长(100～6 000 m)[1,2,3]，定位精度高，但其布放、回收和校准等过程较长，而且作业工程较为复杂。超短基线系统基线最短(一般为几厘米到几十厘米)，定位精度最差，且需布放应答器，但安装方便，甚至可直接安装在水下目标上。短基线系统介于两者之间，基线长度一般为1～50 m之间，基阵一旦固定安装完成，便可进行定位导航作业，无需布放应答器。
水声跟踪系统的分类还可按照工作方式来划分，分为同步信标工作方式和应答器工作方式。采用同步信标方式，需要在测量系统上安装高精度同步钟，水下目标按系统规定的时刻发射信号，系统据此确定目标位置。采用应答器工作方式，要求测量系统发射询问信号，应答器接收到此信号后回复应答信号，利用之间应答的往返水声信号进行时延值估计，从而完成一次定位过程。实际上上述系统不仅可以单独使用，还可以进行有机的组合，构成组合系统。如Honeywell公司研发的RS 906短/长基线组合定位系统[4]，既可以工作在短基线方式，也可工作在长基线方式下。
2 船载式水声跟踪系统
船载式水声跟踪系统属于短基线系统，水下基阵可吊放[1]在水中也可固定安装在舰船的底部，其测量原理基本相同。吊放式水下基阵对舰船结构影响较小，但受水流或水中浪涌的影响，其基阵姿态甚至机械结构会产生变化，导致测量精度降低。另外，在舰船(测量母船)高速航行时，吊放式水下基阵不能稳定在水中，甚至会漂在水面上，因此吊放式水下基阵基本不能在舰船高速航行状态下进行测量。而且，采用吊放式水下基阵，需要在每次试验时进行基阵的布放和回收，不利于试验效率的提高。采用舰船底部固定的方式安装水下基阵，虽然初始安装过程较为复杂，但是一旦安装完成，便可随时进行定位与测量。不仅无需每次试验时的基阵布放和回收，还可在一定程度上提高系统测量精度。因此，本文主要介绍采用舰船底部固定安装水听器组成水下基阵的船载同步式短基线定位系统。船载式水声跟踪系统工作示意图如图1所示。
图1中舰船底部的3个红点表示固定安装的水听器，水下运动目标上的红点表示可发射同步3D信号的声源设备。系统利用3个水听器组成的短基线阵，接收水下运动目标上发出的3D同步信号，经过解算和坐标转换后，获得目标的运动轨迹。系统的工作方式不受舰船的正常运动状态影响，系统测量范围不受水域的限制，具有灵活、机动、测量精度高和使用方便等优点，但由于受到舰船底部机械结构的限制，系统的水听器安装点不可避免地会处于舰船噪声较大的位置，如舰船发动机、螺旋桨等大噪声处，因此对系统的水声信号处理和解算提出更高要求。
3 系统工作原理
船载式水声跟踪系统的具体测量方式为：水下目标在运动过程中连续发射同步3D水声脉冲信号，系统将水下基阵接收到的水声信号进行处理和解算，获得各水听器与水下目标之间的斜距值R，再通过一定的解算关系最终获得目标相对系统基阵的位置坐标。如果需要换算成大地坐标，则还需要和其他导航系统结合起来[2]，最终给出水下目标在大地几何坐标中的位置或轨迹。
3.1 定位方法
如图2所示，假设水下目标点为T(x,y,z)，船载测量基阵的3个水听器分别位于H1～H3点位上，坐标分别为(a,-b),(a,b),(-a,b)。R1～R3分别表示水下目标到达3个水听器(H1～H3)的距离。
当不考虑声线弯曲时，由几何关系可得到定位方程如下：
由公式(3)和公式(2)相减可知：
同理，由公式(1)和公式(2)相减可知：
将公式(4)、(5)分别代入公式(1)～(3)可得到3个可能的深度值：
将3个可能深度值进行平均得到深度的平均值，即：
假设声速为c，同步时延值分别为t1,t2,t3，则存在如下公式：
在短基线系统中，深度测量解算的误差较大[2]。因此，在实际工程中常采用双脉冲遥测的方式进行目标深度的精确测量。
3.2 坐标修正
由于受水声环境和测量舰船航行时的摇摆影响，系统测量基阵的水下姿态并不固定。必须对基阵的实时姿态进行修正，将系统相对于基阵坐标系测得的目标轨迹转换到舰船坐标甚至大地坐标上，才能真实地绘制出水下目标的运动轨迹。
假设测量基阵是在水平面内安装的，由于船体本身存在纵倾和横滚，测量基阵的框架不在水平面内，并且在一般情况下，基阵的中心与船的参考点还存在一定的偏移(X0,Y0,Z0)，因此除修正纵倾、横滚角度外，还需修正坐标系之间的偏移量。
但实际上，测量的轨迹往往是相对于基阵为中心的北向坐标系中的轨迹。因此，可以假定在测量过程中，基阵坐标系原点相对于大地坐标是静止的，并认为两个坐标系原点是相同或有固定偏移，这样，只需考虑基阵围绕坐标轴的转动。假设基阵坐标系为Oxyz，水平面坐标系为OXYZ，水下目标在基阵坐标系和水平面坐标系中的位置分别为x=(x,y,z)T和X=(X,Y,Z)T。由于两个坐标系的原点相重合，因此只需考虑基阵坐标系围绕坐标轴的转动。基阵先绕y轴旋转β角(横滚角)，再绕x轴旋转α角(俯仰角)，最后绕z轴旋转φ角(航向角)，使基阵坐标系与水平面坐标系相重合。此时基阵坐标系和水平面坐标系之间存在如下转换公式：
4 系统误差分析
4.1 水平定位误差
为了简化计算，这里再假设基阵长度a=b=d 2(d为基阵孔径)，则将公式(10)～(12)代入公式(4),(5)可知：
由公式(14),(15)可知，系统的定位精度与声速、基阵孔径、时延值有直接关系。令目标斜距为R,Δxc为声速c在x方向上的误差分量，Δxd为基阵孔径d在x方向上的误差分量，Δxt为时延值t在x方向上的误差分量。根据误差理论，对声速c、基阵孔径d、时延值t分别求解误差分量如下：
同理在y方向上的误差分量分别为：
假设Δx,Δy分别表示x,y方向上总误差，则存在如下公式：
4.2 姿态修正误差
假设姿态角α,β,φ在X方向上的误差分量分别为ΔXα,ΔXβ,ΔXφ,Y方向上的误差分量分别为ΔYα、ΔYβ、ΔYφ，则存在如下公式：
假设Δα=0.08°，Δβ=0.08°，Δφ=0.03°，α,β,φ均为1°。当X,Y距离在1～1 000 m内变化时，分别绘制其X,Y方向的三维误差曲线，如图3，图4所示。
从图3中可以看出，相同情况下姿态角α,β引起的误差较小，而航向角φ影响较大。因此，在系统姿态修正时需要充分重视航向角带来的姿态修正误差。
假设存在以下条件：c=1 500m/s，Δc c=0.6‰，d=5.0m，Δd=0.005m，Δt=2μs，Δα=0.08°，Δβ=0.08°,Δφ=0.03°，目标在X=1 000 m,Y=1 000 m点时，系统水平定位总误差量为：ΔX≈3.0 m，ΔY≈3.8 m,ΔR=4.8 m。
4.3 随机误差
根据误差理论，系统总误差为各独立误差的平方和开根。因此，在采用时延值遥测的方式进行深度测量的情况下，系统总误差(均方根误差)为：
从公式(30)可知，降低系统误差需要提高时延值估计精度，降低基阵孔径测量误差，提高声速、姿态角等参数的测量精度。另外，系统的均方根误差与各斜距测量误差的相关系数、斜距有直接关系。这种随机误差主要受相关系数影响，因此，在实际工程中需要尽力降低各个水听器通道的差异，使各路测量误差相同，以降低系统误差。
5 湖上试验
船载式水声跟踪系统在夏季某湖跑船试验的轨迹图如图5所示，表明该系统在较为复杂的水声环境下，具备1 000 m范围内精确跟踪能力。同时，在图5中也可看出，在较远处的测量点离散度变大，表明系统测量精度随着距离的增加而增大。
6 结语
短基线系统常布放于水底，用来测量水下运动目标的轨迹，如美国的基波特海上试验场[1,5]，将数据通过水底光缆传送至岸上进行信号处理，最终获得水下目标的轨迹。这种水底布放的测量系统，在固定水域具备较好的定位与测量能力，但其测量范围受限。
船载式水声跟踪系统将短基线阵安装于舰船底部，不受水域限制，具有较好的灵活性和适用性，但是需要考虑舰船高速航行时的振动噪声、尾流气泡和湍流等不利因素给系统带来的影响。可采取相应措施以减少对系统的影响，如在前端设置高通滤波器以减少低频振动噪声的影响，采用多层屏蔽电缆进行信号传输等。另外，在工程应用中，除了按照误差公式进行针对性的设计和采取预防措施外，还需采用相适应的信号处理方法，以提高系统定位精度。
参考文献
[1]田坦.水下定位与导航技术[M].北京:国防工业出版社,2007.
[2]高国青,叶湘滨,乔纯捷,等.水下声定位系统原理与误差分析[J].四川兵工学报,2010,31(6):95-108.
[3]邢军,刘忠,彭鹏菲.水下目标深度测量误差源分析[J].舰船科学技术,2009,31(3):99-103.
[4]任绪科.水下运动目标同步测距理论与实现[D].西安:西北工业大学,2005.
[5]徐鹏飞.水下目标声探测技术的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2005.