船載超短基線海上標(biāo)定方法探析

王 芳，張洪欣，崔運(yùn)璐

（1. 國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心，山東 青島266033；2. 山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266033）

船載超短基線海上標(biāo)定方法探析

王 芳1,2，張洪欣1,2，崔運(yùn)璐1,2

（1. 國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心，山東 青島266033；2. 山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266033）

聲學(xué)定位系統(tǒng)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。本文以國產(chǎn)某型超短基線定位系統(tǒng)為例，結(jié)合載人深潛試驗(yàn)性應(yīng)用航次中對蛟龍?zhí)柕亩ㄎ环?wù)，就超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)的海上標(biāo)定方法展開了討論。

聲學(xué)定位系統(tǒng)；超短基線；水下定位；標(biāo)定

0 引言

超短基線水下定位系統(tǒng)在現(xiàn)代海洋測繪中發(fā)揮著重要作用。在安裝超短基線定位系統(tǒng)進(jìn)行水下聲學(xué)定位測量過程中，很難保證換能器中心與母船重心之間三坐標(biāo)軸完全重合，即存在系統(tǒng)偏差，它是導(dǎo)致超短基線系統(tǒng)定位出現(xiàn)誤差的一個(gè)重要原因，必須對超短基線進(jìn)行校準(zhǔn)。

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。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。

船載超短基線換能器中，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。超短基線的標(biāo)定工作是確保水下目標(biāo)精確定位的基礎(chǔ)，選擇正確的標(biāo)定方法，對提高定位精度及其重要。

1 標(biāo)定方法

本文中的標(biāo)定過程分為淺海安裝偏差校準(zhǔn)、深海定位精度校準(zhǔn)和拉距試驗(yàn)三步，淺海安裝偏差校準(zhǔn)是整個(gè)標(biāo)定試驗(yàn)的基礎(chǔ)，深海定位精度校準(zhǔn)和拉距試驗(yàn)是驗(yàn)證超短基線指標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。

1.1 母船噪聲測量

母船分別以0節(jié)、2節(jié)、3節(jié)、4節(jié)、6節(jié)航速的速度行駛，測量對應(yīng)條件下的噪聲值，每種條件下測量20次，每2s測量記錄一次。母船整體噪聲水平在60dB/Hz左右，到達(dá)超短基線作業(yè)需求。表1為各航速條件下測得的母船噪聲譜級。

表1 母船噪聲譜級

1.2 安裝偏差標(biāo)定校準(zhǔn)試驗(yàn)

安裝偏差標(biāo)定校準(zhǔn)試驗(yàn)在水深1000m海域進(jìn)行。試驗(yàn)采用母船先順時(shí)針跑一個(gè)半徑約1000m的圓形軌跡，再以同樣半徑逆時(shí)針跑一個(gè)圓形軌跡，最后跑兩條相交直線軌跡，交叉角度為60°，如圖1、2所示。標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果表明，國產(chǎn)某型超短基線數(shù)據(jù)連續(xù)穩(wěn)定，有效率達(dá)95.4%，定位精度為0.68%斜距。

圖1 校準(zhǔn)航跡

圖2 校準(zhǔn)后定位結(jié)果散點(diǎn)圖

表2 校準(zhǔn)結(jié)果表格

1.3 定位精度標(biāo)定校準(zhǔn)試驗(yàn)

定位精度標(biāo)定校準(zhǔn)試驗(yàn)在水深3000m海域進(jìn)行。試驗(yàn)采用母船分別跑一個(gè)半徑約 800m的圓形軌跡和半徑為 1800m的圓形軌跡進(jìn)行驗(yàn)證，分別對應(yīng) 15°、30°的半開角，如圖3、4、5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，3000m水深條件下，±15°開角時(shí)超短基線定位精度大約為0.41%斜距；±30°開角時(shí)定位精度為0.62%斜距。國產(chǎn)某型超短基線定位性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)有效率到達(dá)98.6%。

圖3 試驗(yàn)航跡及定位結(jié)果

1.4 拉距試驗(yàn)

完成定位精度測試后，母船以 4節(jié)左右的速度遠(yuǎn)離聲信標(biāo)行駛。行駛過程中驗(yàn)證超短基線對聲信標(biāo)的定位結(jié)果，如表 3所示?？砂l(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)某型超短基線定位的穩(wěn)定性很高。國產(chǎn)某型超短基線在開角范圍內(nèi)對目標(biāo)具有穩(wěn)定的定位跟蹤性能。

圖4 ±30°開角的定位結(jié)果放大圖

圖5 ±15°開角的定位結(jié)果放大圖

表3 拉距試驗(yàn)有效率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2 小結(jié)

本研究中國產(chǎn)某型超短基線海試先后完成了母船噪聲測量、淺海安裝偏差校準(zhǔn)、深海定位精度驗(yàn)證和拉距試驗(yàn)4項(xiàng)試驗(yàn)內(nèi)容。試驗(yàn)表明：在3000m水深條件下，±15°開角時(shí)超短基線定位精度大約為0.41%斜距；±30°開角時(shí)定位精度為0.62%斜距；國產(chǎn)超短基線定位性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)有效率到達(dá)98.6%。超短基線在開角范圍內(nèi)對目標(biāo)具有穩(wěn)定的定位跟蹤性能。該超短基線能完成對水下拖體、ROV、載人潛水器的精確定位。同時(shí)，試驗(yàn)也證明本次超短基線的海上標(biāo)定方法有效、簡單、快捷。

[1] 唐秋華, 吳永亭, 丁繼勝, 等. 超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)的校準(zhǔn)技術(shù)研究[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2006(4): 8-10.

[2] 李想, 張殿倫, 孫大軍, 等. 高精度超短基線定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用.2007(24):180-182.

[3] 肖亮, 韓焱. 基于多陣元基陣的超短基線聲定位方法[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào). 2006(4): 271-273.

Analysis on Shipborne Ultrashort Baseline Calibration Approach at Sea

WANG Fang1,2, ZHANG Hong-xin1,2, CUI Yun-lu1,2
(1. State Oeanic Aministration of North Sea Marine Tchnical Spport Ceter, Qingdao 266033, China; 2. The Marine Ecological Environment and Disaster Prevention and Mitigation of Shandong Province Key Laboratory, Qingdao 266033, China)

The research and application on acoustic positioning system technology plays an important role in modern marine science survey and underwater construction. Taking some type of Ultra Short Baseline (USBL) Positioning System produced in China as an example, combining the positioning service for Jiaolong submersible in the manned deep diving trial application voyage, the calibration method of USBL acoustic positioning system at sea is discussed.

acoustic positioning system;ultra short baseline (USBL);underwater positioning;calibration

TP212

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.01.003

王芳（1978-），工程師，碩士研究生。從事載人深潛的技術(shù)保障工作。