O 引言

      隨著海洋科學(xué)考察以及資源勘探的發(fā)展，水下調(diào)查設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越廣泛且重要。 在水下調(diào)查作業(yè)中，需要為水下設(shè)備進(jìn)行定位，提供其地理坐標(biāo)。 其中聲學(xué)定位是重要且有效的定位方法，主要包含長(zhǎng)基線、短基線以及超短基線定位技術(shù)。 長(zhǎng)基線系統(tǒng)構(gòu)成組件多，布放較為復(fù)雜，定位精度高； 短基線與超短基線基陣尺寸小， 安裝較方便，在水下設(shè)備定位中具有廣泛的應(yīng)用。 超短基線水聲定位系統(tǒng)確定水下目標(biāo)位置是通過(guò)測(cè)量信號(hào)的到達(dá)方位和距離來(lái)定位的， 而測(cè)向任務(wù)是通過(guò)測(cè)量信號(hào)到達(dá)接收基陣陣元之間的相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這是超短基線定位系統(tǒng)的關(guān)鍵。 超短基線系統(tǒng)在水下作業(yè)過(guò)程中，由于背景噪聲以及水下目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)， 會(huì)出現(xiàn)無(wú)法跟蹤目標(biāo)， 出現(xiàn)短暫定位失效問(wèn)題，造成定位數(shù)據(jù)不連續(xù)，不能完整反映水下目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡。本文以我國(guó)“向陽(yáng)紅1O號(hào)”科考船裝備的超短基線為例，在介紹超短基線水下聲學(xué)定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)水下目標(biāo)相對(duì)位。置在空間和時(shí)間上的分布來(lái)識(shí)別定位跳點(diǎn)，并采用合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)跳點(diǎn)的剔除， 對(duì)數(shù)據(jù)缺失點(diǎn)進(jìn)行插值，得到可信 的連 續(xù) 水 下 聲 學(xué)定 位數(shù) 據(jù) ，基于 該 技 術(shù) 還 開(kāi) 發(fā) 了 相 應(yīng) 的 數(shù) 據(jù) 處 理 軟 件 ， 并 在4 500 m 級(jí) A U V 南海 海試 中得 到 了 良好 的應(yīng)用 。
1 超短基線水下聲學(xué)定位技術(shù)超短基線系統(tǒng) 

      由船載部分與水下應(yīng)答器構(gòu)成。船載部分包括電子控制單元和換能器基陣， 電子控制單元作為整個(gè)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運(yùn)行； 換能器基陣由一個(gè)發(fā)射換能器基元和4個(gè)接收換能器基元構(gòu)成，發(fā)射基元發(fā)射聲信號(hào)， 接收換能器基元接收來(lái)自水下應(yīng)答器的聲信號(hào)，當(dāng)水下應(yīng)答器在接收到發(fā)射基元信號(hào)后，會(huì) 發(fā)射應(yīng)答信號(hào)，基 陣的4個(gè)接收基元接收應(yīng)答信號(hào)。 通過(guò)計(jì)算不同接收換能器基元接收信號(hào)的時(shí)間差和相位差，獲得水下應(yīng)答器的具體位置。

     超短基線基陣系統(tǒng)通常由一個(gè)位于中間的發(fā)射換能器2組兩兩相距約50cm的水聽(tīng)器組成，通過(guò)測(cè)量水下應(yīng)答器的聲信號(hào)到達(dá)水聽(tīng)器的時(shí)間差、 相位差和目標(biāo)到接收陣之間的斜距進(jìn)行定位。 其定位原理示意

圖 1 超短基線定位原理

超短基線系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量水下應(yīng)答器到船底換能器基陣的聲波傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算目標(biāo)的斜距r ，通過(guò)測(cè)量從目標(biāo)到達(dá)基陣各水聽(tīng)器的聲波相位差來(lái)計(jì)算目標(biāo)的俯仰角和方位角，從而確定目標(biāo)相對(duì)基陣的相對(duì)位置 。

2 超短基線定位系統(tǒng)的校準(zhǔn)和精度評(píng)估

      本文對(duì)安裝在“向陽(yáng)紅 10 ”號(hào)船上的超短基線定位系統(tǒng)進(jìn)行了校準(zhǔn)分析，對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)的異常值進(jìn)行剔除、平滑等處理，對(duì)其定位精度進(jìn)行評(píng)估。 最后將位置信息和深度信息融合，轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)下，生成目標(biāo)體高精度的三維定位數(shù)據(jù) 。

2． 1 校準(zhǔn)和精度評(píng)估方法

      超短基線定位系統(tǒng)在船上安裝好以后， 由于安裝在船底的超短基線換能器基陣的三維坐標(biāo)系與船體的三維坐標(biāo)系不一致，有所偏差， 因此需要通過(guò)對(duì)基陣的校準(zhǔn)來(lái)求出基陣坐標(biāo)系相對(duì)于船體坐標(biāo)系在X 、y 和 z 三個(gè)方向上的偏差角， 確保超短基線定位的可靠性 ，提高其定位精度 。

      習(xí)慣上認(rèn)為基陣的X軸相對(duì)船體的偏差角為艏向偏差角、基陣的y軸相對(duì)船體的偏差角為縱搖偏差角、基陣的z軸相對(duì)船體的偏差角為橫搖偏差角 。

      超短基線基陣進(jìn)行校準(zhǔn)前，先在試驗(yàn)海域進(jìn)行CTD聲速剖面測(cè)量，給超短基線定位系統(tǒng)提供聲速剖面數(shù)據(jù)； 超短基線基陣的校準(zhǔn)地點(diǎn)選擇海底較為平坦、水深約1500 1TI左右的區(qū)域 。 開(kāi)始校準(zhǔn)時(shí) ，將投放于海底的超短基線聲學(xué)應(yīng)答器作為校準(zhǔn)應(yīng)答器，保證羅經(jīng)信號(hào)中艏向偏差角的精度在0. 1。 以內(nèi) 、縱搖偏差角和橫搖偏差角的精度在0.01。以內(nèi)。 然后通過(guò)升降桿將超短基線基陣放至船底以下2m ，在系統(tǒng)調(diào)試正常后，為確保工作母船船底聲學(xué)基陣工作的安全穩(wěn)定，工作母船在應(yīng)答器的上方以2～ 3 kn的速度 按照“8”字形的軌跡運(yùn)動(dòng)2個(gè)周期，第1個(gè)周期的數(shù)據(jù)用于計(jì)算船底聲學(xué)基陣相對(duì)于船體坐標(biāo)系的偏差矩陣，第2個(gè)周期的數(shù)據(jù)用于計(jì)算船底聲學(xué)基陣坐標(biāo)系相對(duì)于船體坐標(biāo)系在3 個(gè)坐標(biāo)軸方向上每個(gè)夾角的偏差。

2． 2 校準(zhǔn)和精度評(píng)估數(shù)據(jù)分析

      2015年7月， 選擇在南海進(jìn)行超短基線基陣的校準(zhǔn)及精度評(píng)估試驗(yàn)，在良好的海況下，取得2組“8 ”字?jǐn)?shù)據(jù) ，列為A、B兩組，應(yīng)答器的定位數(shù)據(jù)分布情況如圖3和圖4 所示。 從圖中可以看出，第 1 次校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)較為分散， 主要分布在200 m × 200 m 的矩形范圍內(nèi)；第2次校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)較為集中，主要分布在2Om X2Om的矩形范圍內(nèi)。 數(shù)據(jù)情況分析如表1所示 ，兩組數(shù)據(jù)的有效數(shù)據(jù)比例都在80以上，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

圖 3聲 學(xué)應(yīng)答器校準(zhǔn)的第1次定位數(shù)據(jù)分布圖

圖 4 聲學(xué)應(yīng)答器校準(zhǔn)的第2次定位數(shù)據(jù)分布圖

表 1 基陣的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)情況分析表

2.3 超短基線定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件在海上的應(yīng)用

      為方便科考隊(duì)員在海上進(jìn)行超短基線數(shù)據(jù)的快速處理，基于M atlab程序開(kāi)發(fā)了一 款超短基線數(shù)據(jù)后處理軟件，該軟件先對(duì)聲學(xué)應(yīng)答器定位跳點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，然后對(duì)剔除后的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波， 并可以保存處理后的數(shù)據(jù)，并成圖 。 圖5是目標(biāo)體定位的原始數(shù)據(jù)，圖6是經(jīng)該軟件處理后的數(shù)據(jù)。

圖 5 聲學(xué)應(yīng)答器的原始定位數(shù)據(jù)

圖 6 經(jīng)過(guò)軟件處理后的數(shù)據(jù)

      從圖5和圖6的對(duì)比中可以看出， 經(jīng)過(guò)軟件處理后的數(shù)據(jù)，跳點(diǎn)明顯減少，數(shù)據(jù)曲線也光滑許多， 提高了超短基線定位數(shù)據(jù)的處理效率。

3 小 結(jié)

       超短基線定位系統(tǒng)能方便快速地對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行定位，經(jīng)超短基線基陣的海上校準(zhǔn)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該基陣的測(cè)量精度能滿足海上設(shè)備的水下定位要求，超短基線的數(shù)據(jù)后處理軟件也能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理。由于受海況、船舶噪聲、 GPS 信號(hào)、 羅經(jīng)信號(hào)等的影響 ，導(dǎo)致2次校準(zhǔn)的差值較大，另可能因基陣安裝位置的原因?qū)е驴v搖偏差 角也較大，需要后期在基陣維護(hù)上注意。目前，數(shù) 據(jù)后處理軟件只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，未能做進(jìn)一 步的差值處理、 誤差分析以及精度評(píng)估等，有待進(jìn)一 步的改進(jìn)。

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