高精度超短基線在水下定位中的應(yīng)用

1、高精度超短基線定位系統(tǒng)在水下定位中的應(yīng)用張粵寧劉鵬（1.武漢長江航道救助打撈局，武漢430014；2.上海地海儀器有限公司，上海 200233）摘要：聲學(xué)定位系統(tǒng)（Acoustic Positioning System）的技術(shù)研究和應(yīng)用開發(fā)在現(xiàn)代海洋科學(xué)調(diào)查和水下施工中起著重要作用。本文以某品牌超短基線定位系統(tǒng)為例，就超短基線（Ultra Short BaseLine）聲學(xué)定位系統(tǒng)的原理、應(yīng)用范圍等幾個(gè)方面展開討論，同時(shí)介紹了高精度超短基線工程中的實(shí)際應(yīng)用，對使用過程中影響定位性能的主要因素進(jìn)行了簡單分析。關(guān)鍵詞： 超短基線 水下定位1 概述20世紀(jì)90年代以來，世界先進(jìn)國家的海洋調(diào)查技術(shù)手段

2、逐步成熟與完善，其中超短基線（簡稱USBL）水下設(shè)備大地定位技術(shù)也獲得了長足的發(fā)展。高精度水下定位系統(tǒng)具有廣泛的用途，在海洋探測研究、海洋工程、水下建筑物施工、潛水員水下作業(yè)、水下考古、海洋國防建設(shè)等方面，都離不開水下定位系統(tǒng)為其提供高精度、高質(zhì)量的定位資料，因此高精度水下定位技術(shù)對維護(hù)國家領(lǐng)土權(quán)益和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)都具有重要意義。11關(guān)于水下聲學(xué)定位系統(tǒng)20世紀(jì)5060 年代，在國際上，隨著光、聲、磁等技術(shù)的不斷發(fā)展，在大力開發(fā)海洋自然資源和海洋工程的進(jìn)程中，水下探測技術(shù)得到了較大發(fā)展，相繼開發(fā)了一系列先進(jìn)的、高效能的水下探測設(shè)備：在各種水下檢測的光、聲、磁技術(shù)中，由于水下光波衰減很快，即使是波

3、長最長、傳播最遠(yuǎn)的紅外光波在水中傳播到了幾米以后也衰減完了，而聲波和電磁波在水中有良好的傳播性，因而，聲吶、磁探和超短基線成為水下檢測的有效方法。聲學(xué)定位系統(tǒng)最初是在19世紀(jì)60年代的時(shí)候被開發(fā)出來用于支持水下調(diào)查研究。從那時(shí)起，這類系統(tǒng)便在為拖體，ROV等水下目標(biāo)的定位中成為了重要角色。聲學(xué)定位系統(tǒng)能夠在有限的區(qū)域內(nèi)提供非常高的位置可重復(fù)精度，甚至在遠(yuǎn)離海岸。對大多數(shù)用戶來說，可重復(fù)性精度要比絕對精度重要。在聲學(xué)定位系統(tǒng)中，有3種主要的技術(shù)：長基線定位（LBL），短基線定位（SBL），和超短基線定位（SSBL/USBL），有些現(xiàn)代的定位系統(tǒng)能組合使用以上技術(shù)。長基線（LBL）:長基線定位能在

4、寬廣的區(qū)域內(nèi)提供高精度的位置，它需要至少3個(gè)應(yīng)答器組成的陣列部署在海底上的已知點(diǎn)上，水面艦只安裝一個(gè)換能器。換能器測量出到水底應(yīng)答器的斜距，從而計(jì)算出自身的坐標(biāo)位置。 1 2短基線（SBL）：短基線定位需要在艦船上安裝至少3個(gè)換能器陣，換能器之間的位置關(guān)系為已知，應(yīng)答器安裝在需要定位的目標(biāo)上，艦船上的多個(gè)換能器測量出到同一個(gè)應(yīng)答器的距離，從而計(jì)算出目標(biāo)的位置。超短基線（SSBL/USBL）:超短基線定位的船載換能器中，有至少3個(gè)單元，應(yīng)答器安裝在需要定位的目標(biāo)上，換能器測量出到應(yīng)答器的水平和垂直角度及斜距“這三種不同方式的聲學(xué)定位系統(tǒng)中，長基線定位（LBL）定位精度最高，但是水底布設(shè)高精度定位

5、已知點(diǎn)的施工難度大且費(fèi)用較高，一般使用在石油平臺(tái)監(jiān)測、水下考古打撈等需要高精度定位的工程。短基線定位（SBL）需要對船體進(jìn)行改造，才能放置換能器基陣，對船只的要求使短基線的應(yīng)用受一定的限制。因此，超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)（SSBL）的優(yōu)勢是很明顯的：只需要在船舶上安裝一個(gè)換能器及其電子單元，就可以提供高精度的聲學(xué)定位。1.2超短基線定位的基本工作原理超短基線水下聲學(xué)定位系統(tǒng)是根據(jù)聲波在水中傳播的速度往返時(shí)間測量距離和同時(shí)測量相位差的方法進(jìn)行定位，即是在水下發(fā)射聲波信號，依其水聽器接收陣的多個(gè)單元，按等邊三角形（或直角）布陣，水聽器之間距離只有幾厘米，將其設(shè)計(jì)裝在一個(gè)部件中，按三角形所在平面，當(dāng)做基

6、準(zhǔn)坐標(biāo)系的平面，通過測量對比水聽器單元接收的聲波信號彼此之間的相位差確定應(yīng)帶其相對船艏的方位，同時(shí)測量斜距S=1/2vt,即可計(jì)算出水下應(yīng)答器位置的坐標(biāo)。以HPR410P為例，在SSBL中，船載換能器向應(yīng)答器發(fā)射脈沖訊問信號，應(yīng)答器接收到訊問脈沖信號后，發(fā)射不同于訊問信號的應(yīng)答脈沖信號。系統(tǒng)內(nèi)位置的計(jì)算依據(jù)測量應(yīng)答器的距離和方位，解算出應(yīng)答器相對于船載換能器三維空間海底位置的坐標(biāo)。超短基線定位系統(tǒng)一般由聲學(xué)測量設(shè)備和數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備兩大部分組成。聲學(xué)測量設(shè)備由安裝在船體的聲學(xué)換能器和安裝在水下的聲學(xué)應(yīng)答器組成，聲學(xué)換能器發(fā)射聲波信號至應(yīng)答器，應(yīng)答器接在收到訊問信號后，發(fā)射區(qū)別于訊問信號的響應(yīng)信

7、號回?fù)Q能器，響應(yīng)信號經(jīng)由通訊電纜傳輸給數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備，做進(jìn)一步加工處理和計(jì)算，得到應(yīng)答器相對于換能器的空間位置和深度。超短基線聲學(xué)定位原理2 超短基線定位的應(yīng)用范圍2.1為潛水員水下作業(yè)提供高精度定位信息，確保潛水員的安全。對在建和已建長江干線航道整治工程的水下檢測目前還處于起步階段。在以往的航道施工中，水下建筑物的施工質(zhì)量檢測，主要是靠施工過程中的施工管理和水下地形測量圖及人工探摸來進(jìn)行控制。尤其潛水員人工探摸，危險(xiǎn)性大、效率低，水底環(huán)境復(fù)雜，對潛水員的位置確定就非常關(guān)鍵。目前國外對水下建筑物的檢測多用水下機(jī)器人（ROV），ROV自身帶光學(xué)的水下相機(jī)，在長江三峽庫區(qū)清澈的水域可以直接進(jìn)行觀

8、測提供清晰圖像。ROV還可以攜帶聲學(xué)成像設(shè)備，針對我國江河和海洋比較渾濁的情況，ROV還可以通過攜帶聲學(xué)成像設(shè)備，用聲學(xué)的方式進(jìn)行水下建筑物的檢測。2.2 為使用深拖設(shè)備，如遙控及其人、無人潛水器或自主潛水器（ROV）等進(jìn)行水下建筑物檢測，獲取勘測的精確位置資料。3 影響定位性能的因素水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航定位，必然受到GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性、船載（集成）輔助傳感器的穩(wěn)定性和可靠性、超短基線導(dǎo)航定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性、水上定位和水下定位數(shù)據(jù)融合方法等的影響和制約。在工作應(yīng)用中，應(yīng)合理進(jìn)行誤差分配，控制顯著誤差，求得最佳測量成果。水下定位的主要誤差來源，包括超短基線基陣測距

9、誤差、超短基線基陣姿態(tài)測量誤差、測角誤差、測距交會(huì)求解造成的誤差、超短基線基陣陣元相位差引起的誤差、聲傳播引起的誤差、聲學(xué)噪聲引起的誤差、超短基線基陣和應(yīng)答器安裝引起的誤差、校準(zhǔn)誤差、水下工作環(huán)境引起的誤差、載體運(yùn)動(dòng)速度變化引起的誤差、超短基線數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)融合時(shí)的誤差等。但總的來說，誤差來源可以綜合到三個(gè)方面：校準(zhǔn)誤差、測距誤差和測角誤差。3.1 校準(zhǔn)誤差船只航行時(shí)航行軌跡的瞬間變化是于氣候和海況好壞有著直接關(guān)系，超短基線定位計(jì)算的瞬間起算大地坐標(biāo)是通過GPS提供的，換能器安裝在搖擺不定的船上，隨著船只擺幅的大小變化，定位航跡于實(shí)際航跡并不完全一致。如不考慮GPS自身定位誤差的影響，依其接

10、收天線安裝高度，船只姿態(tài)對GPS和超短基線的校準(zhǔn)的影響亦是不可忽視的因素。3.2 測距誤差測距誤差主要是由測時(shí)誤差引起的，而測時(shí)誤差又與信噪比和聲速息息相關(guān)。聲波在水下傳播過程中，聲速、聲線彎曲、水面反射等都會(huì)影響測時(shí)準(zhǔn)確度，而聲波的擴(kuò)散、吸收和環(huán)境中的噪聲會(huì)影響信噪比大小，因此測距誤差主要是由水聲學(xué)因素引起的，水下定位時(shí)的工作條件和工作方法直接影響定位精度。3.3測角誤差測角誤差主要是由陣元間相位測量誤差、姿態(tài)角度誤差和羅經(jīng)角度誤差引起。姿態(tài)角度誤差和羅經(jīng)角度誤差主要由安裝技術(shù)引起，而相位誤差與基陣和應(yīng)答器的位置關(guān)系有關(guān)。當(dāng)應(yīng)答器在基陣正下方時(shí)，陣元間相位差很小，從而使定位誤差保持在一個(gè)較小

11、的數(shù)值上，因此超短基線只在基陣下方一個(gè)椎度范圍內(nèi)定位精度較高。4 小結(jié)高精度超短基線HPR410P的便攜式安裝，大大減輕了工作人員野外操作和安裝的繁瑣性，提高了工作效率；為實(shí)現(xiàn)水下高精度、高要求的工程定位作業(yè)提供了可能性。通過工程中的應(yīng)用，其靈活性、方便性、高精度的特點(diǎn)，使其應(yīng)用前景非常廣闊。The Application of Ultra Short Baseline Named HPR410P in Underwater PositioningZhang Yue-ning1, ,Liu Peng2(1. Wuhan Changjiang Waterway Rescue & Salvage

12、Bureau, Wuhan 430014, China;2.Shanghai Geo Marine Instrement Company, Shanghai 200233,China)Abstract: The technological research of the acoustic positioning system and its application fulfills an important role in the oceanic scientific investigation and the underwater engineering in the present age. Taking a brand of the ultra-short baseline positioning system as a sample, this paper would discuss the principle of the USBL acoustic system as well as the scope of its application. In the same time, the application of this USBL of high