实时水下目标定位与姿态测量系统设计与实现

摘要

随着人类在海洋探索方面的不断深入以及水下技术的日渐发展，海洋综合实力的提升已成为各国军事力量的集中体现。目前，水下实时定位系统已在军事领域得到了广泛应用，通过水下定位技术可以获取水下目标的实时位置数据，再通过安装在目标顶点上的多个信标获取到的位置信息求解出目标的方位姿态，进而分析其运动轨迹状态。 本文从系统的整体架构出发，设计并实现了一套用于水下目标实时定位与姿态测量的系统，该系统能够通过时延估计、同步定位方法对水下运动目标每隔半秒进行一次实时定位，并利用前一步获取的安装在目标不同位置上的信标的位置信息对方位姿态进行解算，最终将目标的定位及姿态信息实时地传输到上位机并进行显示。 论文主要包括定位与姿态测量系统的架构、软件和算法的设计与实现以及系统仿真和水池试验，具体如下。 1)系统架构设计与实现:首先提出定位与姿态测量系统的整体设计方案，其中包括系统的方案、模型及架构设计。然后介绍了组成系统的各个硬件模块，如:信号的发射、接收、处理单元，水声换能器基阵和水听器阵列等。此外，还包括自主开发的集成信号发射、接收和处理功能的PCB底板，并对其参数、设计思想和设计方案做了详细介绍。 2)系统软件设计与实现:为信号发射、接收模块以及自主设计开发的信号处理模块编写合适的嵌入式C驱动程序。考虑到定位与姿态测量系统对实时性和定位精度的要求，本文使用汇编语言对嵌入式C驱动程序进行了相应的优化和完善。 3)系统算法设计与实现:本文对滤波、定位、时延估计、非线性方程求解及方位姿态的测量这5个方面的算法进行了研究。对比分析了这5个方面中的不同算法在实时性和定位精度上的差异，从中选取了一套适用于实时定位与姿态测量系统实现的算法，最终完成了系统在算法方面的开发工作。 4)系统仿真和水池试验:首先通过MATLAB仿真实验，对定位和姿态测量算法的误差进行了分析，然后在消声水池中使用自主设计的实时定位与姿态测量系统进行了试验。试验表明，该系统在定位和姿态测量方面的求解精度与仿真结果基本一致，并且在系统实时性方面也取得了较为理想的结果。