基于短基線技術(shù)的水下目標(biāo)聲學(xué)定位技術(shù)研究

馮志濤，賈立雙，李家軍，關(guān)宏韜，李 墨

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

基于短基線技術(shù)的水下目標(biāo)聲學(xué)定位技術(shù)研究

馮志濤，賈立雙，李家軍，關(guān)宏韜，李 墨

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

針對解決深海定點(diǎn)測量設(shè)備布放過程中因定位不準(zhǔn)而對回收設(shè)備作業(yè)造成的困難，參考短基線水下聲學(xué)定位技術(shù)設(shè)計(jì)了一種構(gòu)成簡單、操作便捷的水下目標(biāo)水聲定位方法。同時，配合開發(fā)了相關(guān)定位測算軟件，簡化了操作步驟，提高了準(zhǔn)確率，可用于對多數(shù)水下定點(diǎn)測量設(shè)備的水下準(zhǔn)確定位。

聲學(xué)定位；短基線；聲學(xué)釋放器；VB

水下聲學(xué)定位技術(shù)出現(xiàn)時間早，發(fā)展速度快，如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋工程的各個方面。海洋中水下環(huán)境復(fù)雜惡劣，因此為水下定點(diǎn)測量設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，對于掌握設(shè)備工作情況、回收海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)備具有非常重要的意義。本文針對水下定點(diǎn)測量設(shè)備布放過程中出現(xiàn)的因定位不準(zhǔn)而引起的回收階段海上搜索困難的問題進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，設(shè)計(jì)開發(fā)了適用于水下定點(diǎn)測量設(shè)備的水下聲學(xué)定位系統(tǒng)。

1 水下聲學(xué)定位技術(shù)的分類

依據(jù)水聲定位基線的長度通常將定位系統(tǒng)分為3類：長基線定位系統(tǒng)、短基線定位系統(tǒng)和超短基線定位系統(tǒng)，見表1。

表1 聲學(xué)定位系統(tǒng)分類

由于長基線定位系統(tǒng)需要在水下布放至少3個以上的應(yīng)答單元，對于深海區(qū)單點(diǎn)布放的水下定點(diǎn)測量設(shè)備來說可行性不強(qiáng)；而超短基線定位系統(tǒng)須建立聲基陣與船體之間相互確定的坐標(biāo)方位關(guān)系，且在較大水深的條件下精度不高，同時準(zhǔn)備工作繁瑣，不利于在甲板快速高效地展開定位工作；短基線定位系統(tǒng)構(gòu)成簡單，便于操作，可借助已有的聲學(xué)通訊裝置完成水下目標(biāo)的測距工作，符合設(shè)備回收對于定位方法簡潔快速、準(zhǔn)確高效的操作要求。本文參考短基線定位技術(shù)的原理并加以改進(jìn)，將固定安裝在船體的至少3個換能器同時測距的方式改為利用聲學(xué)通訊裝置甲板單元在至少3個不在同一直線的點(diǎn)進(jìn)行走航逐一測距定位作業(yè)的方式。這樣，既充分發(fā)揮了短基線定位系統(tǒng)的優(yōu)勢，又避免了在水深較大的情況下由于測距點(diǎn)之間位置接近造成的定位精度降低的不足。

2 水下聲學(xué)定位系統(tǒng)組成及工作方式

水下定點(diǎn)測量設(shè)備的重力錨在下墜的過程中，隨著海流的沖擊，實(shí)際就位點(diǎn)（亦即實(shí)際工作點(diǎn)）會與投放點(diǎn)水平方向上有較大的偏差，這為復(fù)雜的海況條件下回收設(shè)備時基本靠目測搜尋設(shè)備增加了難度，如果在3級海況波浪高度超過1 m的情況下甚至有丟失的風(fēng)險。本系統(tǒng)主要由聲學(xué)通訊裝置及其甲板單元、船載測深儀、GPS和基于VB平臺的水下目標(biāo)定位測算軟件組成。

圖1 水下目標(biāo)聲學(xué)定位工作示意圖

利用聲學(xué)通訊裝置甲板單元，通過布放調(diào)查船走航分別在不在同一直線的3點(diǎn)與水下的聲學(xué)通訊裝置進(jìn)行測距，兩點(diǎn)之間大約相距2 nmile。通過軟件進(jìn)行一系列的坐標(biāo)變換及計(jì)算，從而得到水下的聲學(xué)通訊裝置的相對位置，由于聲學(xué)通訊裝置與重力錨位置接近，可通過測算水下聲學(xué)通訊裝置的坐標(biāo)間接獲取水下目標(biāo)的準(zhǔn)確坐標(biāo)。工作示意圖見圖1。但通過聲學(xué)通訊裝置水下聲學(xué)定位得到的位置信息僅是一個以定位點(diǎn)為參考點(diǎn)相對坐標(biāo)，因此需借助GPS定位與水下聲學(xué)定位相結(jié)合的聯(lián)合定位，將GPS水面高精度定位能力向水下延伸，從而獲得接近GPS水面定位精度的水下目標(biāo)大地經(jīng)緯度坐標(biāo)。

3 系統(tǒng)中定位測算軟件的定位原理

眾所周知，地球整體形狀略呈橢球狀，在大范圍視角情況下觀察，海面應(yīng)是球面的。但是，對于在相對很小范圍內(nèi)進(jìn)行定位工作，工作區(qū)域的海面可視為平面。在此前提下，對于水下目標(biāo)的空間定位可以通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為平面的定位，從而簡化定位過程。抽取整個定位過程的關(guān)鍵信息進(jìn)行建?？傻玫娇臻g直角坐標(biāo)系，如圖2所示（O點(diǎn)為水下目標(biāo)，O′點(diǎn)為O點(diǎn)在海面的垂直投影點(diǎn)，A、B、C分別為定位點(diǎn)位置）。

圖2 定位原理建?？臻g直角坐標(biāo)系示意圖

為了便于計(jì)算，首先將定位點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)值型空間坐標(biāo)。緯度坐標(biāo)由于每度之間間隔均勻，可直接進(jìn)行換算得A點(diǎn)緯度坐標(biāo)：

而沿緯度垂直方向由赤道向兩極移動，相鄰經(jīng)度線間間隔會按照一定規(guī)律逐漸縮小，其漸變過程基本遵循球面方程的變化規(guī)律，因此：

式中：地球相鄰緯度間隔為 110 920 m；Ad、Am、As分別為A點(diǎn)緯度坐標(biāo)的度、分、秒分量；AD、AM、AS分別為A點(diǎn)經(jīng)度坐標(biāo)的度、分、秒分量。其它點(diǎn)坐標(biāo)的換算過程也由此方法可得。由此，已建立可運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法和空間解析幾何方法進(jìn)行計(jì)算分析的空間直角坐標(biāo)系。

圖中包含一個△ABO′，其中AB為定位點(diǎn)距離，向量

點(diǎn)O′與AB的夾角已求出，且圓A的半徑可知，至此，已將目標(biāo)點(diǎn)O′的范圍大大的縮小。設(shè)∠ABO′為θ，對直線向量夾角公式進(jìn)行變換：

4 水下目標(biāo)定位測算軟件

水下目標(biāo)定位測算軟件是基于Visual Basic平臺開發(fā)的，Visual Basic是microsoft公司推出的基于windows環(huán)境的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)，將主要精力集中在解決實(shí)際問題和設(shè)計(jì)友好界面，使開發(fā)windows程序更迅速、便捷。水下目標(biāo)測算軟件主要負(fù)責(zé)完成對定位點(diǎn)測距、GPS定位、水深等參數(shù)進(jìn)行分析，并計(jì)算水下目標(biāo)坐標(biāo)，為用戶應(yīng)用提供友好簡潔的操作界面。軟件主界面如圖3所示。在主界面，用戶可以通過輸入軟件所需的三點(diǎn)的GPS坐標(biāo)信息、各點(diǎn)與聲學(xué)通訊裝置甲板單元測距值及布放點(diǎn)水深等參數(shù)，點(diǎn)擊計(jì)算即可得到準(zhǔn)確的水下目標(biāo)坐標(biāo)信息并顯示出來，計(jì)算結(jié)果可利用日志保存功能自動保存到以系統(tǒng)當(dāng)前時間命名的.txt文件中。同時，軟件實(shí)時對各鍵入值進(jìn)行分析判斷，并對邏輯錯誤、數(shù)值類型錯誤進(jìn)行報錯處理。

圖3 定位軟件主窗口

在實(shí)現(xiàn)軟件基本功能基礎(chǔ)上，為了增加軟件兼容性，開發(fā)了坐標(biāo)數(shù)據(jù)輔助輸入器，負(fù)責(zé)將不同格式坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為主界面所需的可輸入格式，并且可通過選擇列表框選項(xiàng)直接輸入到主界面的對應(yīng)文本框中。用戶只需在主界面點(diǎn)擊菜單欄“文件”→“讀取輔助器參數(shù)”即可讀取所有已轉(zhuǎn)換坐標(biāo)數(shù)據(jù)（如圖4）。

圖4 坐標(biāo)數(shù)據(jù)輔助輸入器窗口

軟件還增加了海圖顯示、保存設(shè)置參數(shù)和讀取設(shè)置參數(shù)等修飾功能。在海圖顯示界面中，加載了設(shè)備布放點(diǎn)海域海圖，并可按比例放大、縮小海圖，用鼠標(biāo)直接拖動海圖進(jìn)行瀏覽，標(biāo)記布放點(diǎn)位置。海圖顯示界面如圖5所示。

保存參數(shù)功能是為了及時保存定位參數(shù)便于日后進(jìn)行驗(yàn)證而設(shè)計(jì)的，它將定位所需各參數(shù)生成以系統(tǒng)時間命名的.ini配置文件。在進(jìn)行驗(yàn)證時，點(diǎn)擊讀取設(shè)置參數(shù)選擇打開需驗(yàn)證的.ini配置文件，即可將各參數(shù)讀取到對應(yīng)文本框，如圖6。

圖5 海圖顯示窗口

圖6 打開測算參數(shù)配置文件

5 結(jié)束語

利用水下聲學(xué)定位技術(shù)可實(shí)現(xiàn)水下定點(diǎn)目標(biāo)精確定位，從而掌握更加準(zhǔn)確的布放點(diǎn)位置信息，為在復(fù)雜惡劣的海上進(jìn)行回收提供了有力的保障。水下目標(biāo)定位測算軟件界面簡潔友好，方便用戶操作，功能豐富，滿足用戶多種需求。此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，適用于潛標(biāo)、海床基等水下定點(diǎn)系泊測量設(shè)備。由于潛標(biāo)系統(tǒng)和海床基系統(tǒng)中集成安裝了聲學(xué)釋放器，可完成定位作業(yè)中的測距工作，無需額外安裝專門的水聲通訊裝置，因此此項(xiàng)技術(shù)在潛標(biāo)和海床基的定位應(yīng)用中具有先天的硬件優(yōu)勢。

[1]吳永亭,周興華,楊龍.水下定位系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].海洋測繪,2003,23(4)∶18-21.

[2]孫樹民，李悅.淺談水下定位技術(shù)的發(fā)展[J].廣東造船,2006,4∶19-24.

[3]高春艷,李俊民,劉彬彬.Visual Basic程序開發(fā)范例寶典[M].北京∶人民郵電出版社,2006∶136-144.

[4]羅朝勝,余文芳,余平,等.Visual Basic6.0程序設(shè)計(jì)教程[M].北京∶人民郵電出版社,2009∶1-51.

Research on Underwater Acoustic Positioning Method Based on Short-baseline Positioning Technology

FENG Zhi-tao,JIA Li-shuang,LI Jia-jun,GUAN Hong-tao,LI Mo
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

To solve the low accuracy of the positioning operation of deep-sea designated single poll measuring equipment in deployment process,which makes great trouble for the retrievement of equipment.An underwater acoustic positioning method based on the short-baseline positioning technology was designed with simple structure and easy operation.Meanwhile,a positioning calculation software was developed to simplify the operating steps and improve the positioning accuracy.It can be widely used in accurately positioning of most of underwater designated single poll measuring equipments.

underwater acoustic positioning;short baseline;acoustic releaser;Visual Basic

TB56

B

1003-2029（2012）04-0019-04

2012-04-19

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2008AA09Z106）

馮志濤（1982-），助理工程師，主要從事硬件電路設(shè)計(jì)、程序編制及調(diào)試工作。