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深海超短基線定位系統現狀及展望 水聲定位技術具備穩(wěn)定的高精度定位能力，能夠為各類深海探測裝備直接提供絕對位置信息。超短基線定位系統的聲學換能器陣安裝在船底，便于大范圍機動作業(yè)，成為現代遠洋科考船必不可少的水聲定位設備。首先介紹了超短基線定位的基本原理，然后系統介紹了法國 iXblue、挪威 Kongsberg、英國 Sonardyne、美國 LinkQuest和德國 Evologics等公司的深海遠程超短基線定位系統，并以哈爾濱工程大學遠程超短基線定位系統為例分析了國內發(fā)展情況，最后展望了深海遠程超短基線定位系統的發(fā)展趨勢。 1 引言 潛水器是進入深海進行科學研究和調查作業(yè)必不可少的運載作業(yè)裝備［1~4］。利用各類潛水器開展深海資源調查和科學研究不能忽略的一個重要問題是潛水器的水下定位問題，而海洋的介質環(huán)境決定了聲比光和電磁波更適合作為水下定位技術的傳播載體。根據接收基陣基線長度來分類，水下聲學定位技術可以分為長基線定位系統、短基線定位系統和超短基線定位系統三種［5~6］。超短基線定位系統［7~8］通過全球衛(wèi)星定位系統、姿態(tài)傳感器將船載聲學換能器陣測得的相對位置轉換到地球大地坐標系，以獲得潛水器的大地經緯度坐標。超短基線定位系統具有構成簡單、操作方便、便于大范圍機動作業(yè)等優(yōu)點，可為水下目標定位跟蹤、水下遙控作業(yè)等各種高精度作業(yè)提供技術支持，使得它在海洋資源調查和科學研究領域發(fā)揮著越來越重要的作用。 本文首先介紹了超短基線定位的基本原理，然后系統介紹了法國iXblue、挪威Kongsberg、英國So⁃nardyne、美國 LinkQuest 和德國 Evologics 等公司的6款典型深海遠程超短基線定位系統，并以哈爾濱工程大學遠程超短基線定位系統為例分析了國內發(fā)展情況，最后展望了深海遠程超短基線定位系統的發(fā)展趨勢。 由時間差計算距離需要知道聲速，因此精確的聲速剖面數據是定位精度的保證。因此每到一個新的作業(yè)地點，必須測量聲速剖面并輸入到定位系統中。如果出現劇烈的氣象過程（如大風、大雨），則需要重新測量聲速剖面并更新到定位系統中。要確定潛水器在水下的位置，除了測量距離外還必須測量出方向角和傾斜角。超短基線定位系統是通過分析船載聲學換能器陣接收信號的相位差來計算出方向角和傾斜角的。將水面船載 GPS與超短基線定位系統相結合，能夠準確判斷水下應答器的精確位置。 2.2 系統組成 超短基線定位系統由水面船用設備和潛水器應答器組成。水面船用設備包括信號處理單元、船載聲學換能器陣和外圍輔助傳感器（如GPS和姿態(tài)傳感器）。船載聲學換能器陣安裝在船舶底部或側舷，由中心的發(fā)射換能器和四周的多個水聽器組成。水下部分主要是指應答器，如果工作在同步時鐘觸發(fā)模式，還需包括同步時鐘。通常，超短基線應答器安裝在水下載體的背部，其半球形指向性可覆蓋整個上半空間，保證在水下各種深度和傾角狀態(tài)下超短基線定位系統都能夠正常工作。 2.3 工作頻段 深海遠程超短基線定位系統通常選擇低頻或中頻段，而對于全海深超短基線定位系統一般選擇低頻（8kHz~16kHz），或者更低頻段。 3 深海遠程超短基線定位系統發(fā)展現狀 目前國外超短基線定位技術比較成熟，已經實現超短基線定位系統的產品化、產業(yè)化、系列化。國際上主要的超短基線定位系統生產廠商主要有：法國 iXblue、挪威 Kongsberg、英國 Sonardyne、美國LinkQuest、德國Evologics等幾家公司。表2給出了國外典型遠程超短基線定位系統對比。 3.1 法國iXblue公司的POSIDONIA II 法國 iXblue公司于 2000 年開始研制新一代遠程超短基線定位系統，并于2010年完成產品定型，命名為 POSIDONIA II［10］。POSIDONIA II的最大定位深度可達 7000 m，最遠定位斜距可達8000 m~10000 m。得益于 iXblue 公司強大的技術基礎和完整的研發(fā)團隊，POSIDONIA II 最大的特點是組合兼容性強，數據融合技術獨特。當它與該公司的其他導航設備，如 OCTANS 運動傳感器、PHINS 慣導聯合使用時，性能可達到最優(yōu)。此外，POSIDONIA II 可與 RAMSES 6000 長基線和 PHINS慣導構成一套完整的模塊化水下導航系統，提供穩(wěn)健、高更新率的定位信息。 由于 POSIDONIA II換能器陣和姿態(tài)傳感器的分離式安裝，兩者之間不可避免地存在安裝偏差，其海上標定采用 8 字形方案。海上標定通常選擇在深度為 1000 m 左右海域進行，首先將 3 ′ 3 的標定矩陣初始化，完成 8 字形測量后，通過標定軟件USBLCal 可以計算生成標定后的 3 ′ 3 標定矩陣。在理想情況下（主要是指：GPS 誤差小于 0.1 m；聲速得到有效補償；聲學換能器陣位置噪聲低于 60dB；應答器發(fā)射聲源級達到191 dB ref @1 m），經過完好標定的POSIDONIA II定位精度可達0.2%斜距（60°圓錐角內）。 3.2 法國iXblue公司的GAPS 為了避免繁重的海上標定試驗，法國iXblue公司率先將姿態(tài)傳感器（光纖羅經）與超短基線聲學換能器陣固化在一起，實現一體化安裝，開發(fā)了世界上首款便攜式、即插即用、免標定的超短基線定位系統，并命名為 GAPS［10］（見圖 2）。GAPS各傳感器的安裝誤差/相對偏移量在出廠前已進行實驗室預先標定，并固化在系統的內部程序中，因此系統在海上作業(yè)現場無需標定，不存在各傳感器之間的安裝、測量誤差問題，確保了系統的高精度定位。GAPS 的工作頻段為 21.5 kHz~30.5 kHz，作用距離可達4000 m，定位精度可達0.2%斜距。 GAPS 換能器陣進行了獨特的 3 維設計，覆蓋角達到驚人的200°，使得它可以追蹤從深海到淺水的目標，甚至可以對水平面以上的目標進行定位。此外，GAPS還增加了水聲通信功能，每個周期內數據速率為 160 bit，能夠傳輸一些簡單的指令或數據。 由于換能器陣與姿態(tài)傳感器固化在一起，因此無論 GAPS的換能器姿態(tài)如何，系統均能獲得高精度的水下目標位置。這也使得 GAPS 的安裝非常簡單，既可以通過繩索懸吊在水中，也可以采用法蘭盤剛性安裝在船舷。 3.3 挪威Kongsberg公司的HiPAP102 所有的 HiPAP 系列超短基線定位系統都擁有相同的軟件和硬件平臺，而且具有長基線定位功能。其中，HiPAP102（見圖 3）的工作頻帶為 10kHz~15.5 kHz，在 HiPAP 系列家族中屬于低頻成員，作用距離可達 10000 m，定位精度可達 0.2%斜距。HiPAP102采用 31陣元的平面陣列，覆蓋范圍為±60 。它可以通過定位-跟蹤算法給出預估方向（即獲得先驗信息），并結合姿態(tài)傳感器提供的姿態(tài)信息，構建動態(tài)波束成形技術，可有效提高水平和垂直角度估計能力。特殊的換能器技術和先進的數字信號處理技術使得 HiPAP102 具有精度高、重復性好、可靠性高等特點。 HiPAP102 的聲學換能器陣采用船底安裝方式，通過垂直升降機構可以將換能器陣下放至船底2.0m，進 一 步 避 開 船 舶 噪 聲 的 干 擾 。 由 于HiPAP102 換能器陣和姿態(tài)傳感器的分離式安裝，兩者之間不可避免地存在安裝偏差，其海上標定采用 4 個方位基點和應答器上方 4 個航向角的方案，通過 APOS模擬器中的標定模塊，可以計算標定系數，完成海上標定工作。 3.4 英國Sonardyne公司的Ranger 2 Ranger 2的聲學換能器陣采用船底安裝方式，通過垂直升降機構可以將換能器陣下放至船底3.7 m，進一步避開船舶噪聲的干擾。由于Ranger 2換能器陣和姿態(tài)傳感器的分離式安裝，兩者之間不可避免地存在安裝偏差，其海上標定圍繞應答器或在固定偏移點操縱船只，采集海底應答器距離和船只DGPS位置。Sonardyne 公司開發(fā)的CASIUS標定軟件使用一個海底應答器的距離和船只 DGPS 位置，通過最小二乘法調整來確定應答器的東、北和深度，用來優(yōu)化 Pitch、Roll 和 Heading 改正值，完成海上標定工作。 3.5 美國LinkQuest公司的TrackLink 10000 3.6 德國Evologics公司的S2CR 7/17D 德國Evologics公司S2CR系列超短基線定位系統是在該公司S2CR型水聲通信機基礎上研發(fā)的超短基線定位系統。它無需進行定位和通訊模式轉換，定位數據在聲學傳輸時同時進行計算。這兩種功能在一個完全集成的定位和通訊系統中相互補充，開創(chuàng)了新的廣泛海底應用的可能性。 S2CR 7/17D 型是 S2CR 系列中的低頻遠程成員［14］，其工作頻帶為 7kHz~17kHz，作用距離可達11000 m，角度估計精度為 0.1°，測距精度為 0.01m。Evologics 公司基于仿生學研究的擴頻技術開發(fā)了S2C掃描擴頻載波專利技術，實現了水下全雙工數字水聲通信。在低頻段，S2CR 7/17D 的數字通信速率達到了 6.9 kbps。此外，S2CR 7/17D 系統的耐壓殼體內還可以加裝運動傳感器，從而提供母船的縱橫搖和艏搖的數據。 3.7 國內發(fā)展現狀 4.1 超短基線與長基線相結合 4.2 超短基線與姿態(tài)傳感器一體化 4.3 超短基線與高速數字水聲通信相結合 4.4 更高的定位數據更新率 5 結語 雖然世界上有多家公司和科研院所可以提供成熟的系列化超短基線定位系統，但是隨著科學與技術的不斷進步，人類對深海水下定位技術也提出了越來越高的要求。通過對國內外典型深海遠程超短基線定位系統的比較分析，并結合深海調查的實際需求，可以得出深海遠程超短基線定位系統的發(fā)展趨勢是：1）超短基線與長基線相結合；2）超短基線與姿態(tài)傳感器一體化；3）超短基線與高速數字水聲通信相結合；4）更高的定位數據更新率。 參考文獻
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