基于Matlab_Simulink的六基元水声定位仿真系统.pdf
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1、第 45 卷第 4 期2023 年 7 月 湖北大学学报(自然科学版)Journal of Hubei University(Natural Science)Vol.45No.4July 2023收稿日期:20220919作者简介:李政(1998),男,硕士生;罗显志,通信作者,教授,研究方向为软件无线电、实时高速信号处理,E-mail:文章编号:10002375(2023)04058107基于 Matlab/Simulink 的六基元水声定位仿真系统李政,罗显志,周杨罗,刘阳(湖北大学计算机与信息工程学院,湖北 武汉 430062)摘要:为解决水声定位系统依赖于硬件设备导致的实验成本高、灵活
2、性差的特点,同时也为了满足学习和开发的需求,针对水下探测器设计了一个基于 Matlab/Simulink 的六基元水声定位仿真系统.首先,描述了该系统的总体架构,然后详细介绍了定位原理并阐述了该仿真平台各组成模块及其作用,最后对仿真定位结果进行验证,结果表明该系统可以对水下探测器进行精确定位.关键词:Matlab;Simulink;水下声学定位;系统仿真;长基线定位中图分类号:TN929.3文献标志码:ADOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2022.00.090著录信息:李政,罗显志,周杨罗,等.基于 Matlab/Simulink 的六基元水声定位仿真系统J.湖北大学学
3、报(自然科学版),2023,45(4):581-587.DOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2022.00.090.LI Z,LUO X Z,ZHOU Y L,et al.Simulation system of six element underwater acoustic positioning based on Matlab/SimulinkJ.Journal of Hubei University(Natural Science),2023,45(4):581-587.DOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2022.00.090.Simulat
4、ion system of six element underwater acousticpositioning based on Matlab/SimulinkLI Zheng,LUO Xianzhi,ZHOU Yangluo,LIU Yang(School of Computer and Information Engineering,Hubei University,Wuhan 430062,China)Abstract:In order to solve the problem of high experiment cost and poor flexibility caused by
5、 the dependence of underwater acoustic positioning system on hardware equipment,and meet the needs of learning and development,we designed a six element underwater acoustic positioning simulation system based on Matlab/Simulink.Firstly,the overall architecture of the system was described,then the po
6、sitioning principle was introduced in detail,and the components and functions of the simulation platform were described.Finally,the verification of the simulation positioning results shows that the system can accurately locate the underwater detector.Key words:Matlab;Simulink;underwater acoustic pos
7、itioning;long baseline positioning 0引言水声定位技术是国民经济建设和国防建设的关键技术,该技术在 20 世纪 60 年代起源于美国的水下研究工作,水声定位系统利用超声波信号在水下具有贯穿性强、方向性好的特点1,弥补了以前水下目标定位误差大,且很难实现连续定位的问题.水下定位技术现在被广泛应用于水下输油管道放置、深海目标探测、海洋天然气勘探、水下目标定位、清除航道异物、海底测绘、水下救援、潜艇定位、鱼雷爆破等领域,极大地方便了人类从事海洋探索与开发2.目前软件信号仿真平台基于各种开发软件实现,与582 湖北大学学报(自然科学版)第 45 卷硬件信号仿真平台相比
8、,可根据接收机要求调节前端参数、模拟产生各种简单或复杂信号以供接收机测试,比硬件信号仿真平台更加灵活,成本更低3-4.本研究在介绍水下声学定位技术的发展现状、系统模型及原理的基础上,提出了一种基于 Matlab/Simulink 的六基元水下声学定位仿真系统5.1仿真系统总体架构本文中的仿真平台通过 Matlab/Simulink 实现,Simulink 是基于 Matlab 的一种可视化仿真工具,以各种功能不同的模块相结合来实现仿真功能,具有拓展性强、灵活性强、交互式建模和仿真的特点,便于使用者快速建立模型,且仿真结果可以动态显示,允许在仿真过程中随时修改参数.它的应用领域十分广泛,比如航空
9、航天、汽车、通信工程等,只要可以用数学方程描述的系统就能在 Simulink 中仿真.仿真系统总体架构如图 1 所示,主要由发射端、信道、接收端三部分组成,发射端主要实现对水下探测器运动轨迹的模拟、信号参数产生、基带信号产生;信道模块主要模拟了水声信道噪声的干扰;接收机模块主要完成对接收信号的捕获、跟踪、位置解算和各发射端几何坐标之间 GDOP 值的计算等功能.其中发射端模块和接收端模块可以单独运行使用,还可以在每个模块对应的参数设置界面自行修改仿真参数.图 1仿真系统工作模型图2仿真系统定位模型构建及理论基础2.1仿真模型建立水声定位系统按照定位基线长度分为超短基线(USBL)、短基线(SB
10、L)和长基线(LBL).长基线水声定位系统测量范围较大,基线长度一般为 100 m 6 000 m,定位精度较高,可达到20 cm,缺点是布置和后期维护困难.短基线水声定位系统测量范围较短,基线长度为 1 m50 m,缺点是一般需要船作为载体平台,容易受到船体干扰.超短基线水声定位系统测量范围最小,基线长度小于1 m,使用灵活、安装方便,可以用于水下动态跟踪定位使用,虽然此系统测距精度高,但定位精度较低.长基线水声定位系统需要提前布置至少三个沉底应答器或浮标作为基元构成定位基阵6.通过测定水下探测器到基元之间的距离,对水下探测器进行定位.本文中水声定位模型建立在半径为 10 km 的圆形平面上
11、,且测距深度也为 10 km.因此本文中选用长基线水声定位模型,使用六基元组成的基阵进行定位.以海平面为 X 轴和 Y 轴,海平面向下为 Z 轴建立坐标系,各基元位置坐标如图 2 所示.2.2长基线水声定位原理在立体空间中,两个球面交汇可以形成一个圆,三个球面交汇可以确定两个点,四个球面交汇可以确定一个点.因为我们以四基元构成的基阵来解释定位原理,六基元构成的基阵定位原理与四基元相同.我们设(X,Y,Z)为基元坐标(i=1,2,3,4),(X,Y,Z)为水下探测器坐标,Li为水下探测器到各基元的距离(i=1,2,3,4),Li=c ti,c 为水声传播速度,ti为水下探测器到各基元之间水声传播
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