水下聲學(xué)主動定位技術(shù)及其在載人潛水器上的應(yīng)用

張同偉，劉燁瑤，楊　波，趙晟婭，李正光

（1．國家深?；毓芾碇行模綎|　青島　266061；2.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京　100190）

水下聲學(xué)主動定位技術(shù)及其在載人潛水器上的應(yīng)用

張同偉1，劉燁瑤2，楊波2，趙晟婭1，李正光1

（1．國家深海基地管理中心，山東青島266061；2.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京100190）

水下聲學(xué)主動定位技術(shù)通過聲應(yīng)答的方式實現(xiàn)水下目標定位，主要分為長基線、短基線和超短基線等三種定位系統(tǒng)。它是海洋開發(fā)領(lǐng)域中的一個非常重要的組成部分，為水下目標探測、定位跟蹤、海底地形勘探和水下遙控作業(yè)等各種高精度工作提供技術(shù)支持。在探討以上三種水下聲學(xué)主動定位技術(shù)的同時，并以“蛟龍?zhí)枴睘槔?，分析其在載人潛水器上的應(yīng)用。

超短基線；長基線；蛟龍?zhí)?；載人潛水器；聲學(xué)定位

相似于陸地上電磁波的地位，聲波是水下無線傳播信息最為有效的載體［1］。水下聲學(xué)定位技術(shù)可分為被動定位技術(shù)和主動定位技術(shù)［2-3］。被動定位技術(shù)主要指通過被動的接收目標輻射噪聲來確定水下目標位置，主要有三元子陣法、目標運動分析法和匹配場處理法。與主動定位技術(shù)相比，被動定位技術(shù)并不發(fā)射聲波，因此具有優(yōu)良的隱蔽性，通常應(yīng)用于軍用艦艇［4］。主動定位技術(shù)主要指通過聲應(yīng)答的方式實現(xiàn)水下目標定位，主要有長基線、短基線和超短基線［5-7］。水下聲學(xué)主動定位技術(shù)是海洋開發(fā)領(lǐng)域中的一個非常重要的組成部分，它為水下目標探測、定位跟蹤、海底地形勘探和水下遙控作業(yè)等各種高精度工作提供技術(shù)支持［8-11］。本文主要探討水下聲學(xué)主動定位技術(shù)，并以蛟龍?zhí)枺?2-15］為例，分析其在載人潛水器上的應(yīng)用。

1　水下聲學(xué)主動定位技術(shù)的分類

水下聲學(xué)主動定位技術(shù)根據(jù)接收基陣基線長度來分類，可以分為長基線定位系統(tǒng)（Long Base Line）、短基線定位系統(tǒng)（Short Base Line）和超短基線定位系統(tǒng)（Ultra Short Base Line）三種。長基線水聲定位系統(tǒng)的基陣長度一般在幾百米到幾千米的量級，它通過測量水下目標聲源到各個基元間的距離來確定目標的位置。短基線水聲定位系統(tǒng)的基陣長度一般在幾米到幾十米的范圍，它通過測量目標發(fā)出的信號達到各接收基元的時間差，解算目標的方位和距離。超短基線水聲定位系統(tǒng)的基陣長度一般在幾厘米到幾十厘米的范圍，它與前兩種不同，利用各個基元接收信號間的相位差來解算目標的方位。水聲定位系統(tǒng)的劃分依據(jù)見表1。

表1　水聲定位系統(tǒng)的劃分

水下聲學(xué)主動定位技術(shù)按照觸發(fā)方式來劃分，可以分為聲學(xué)觸發(fā)和同步脈沖觸發(fā)。以上三種定位系統(tǒng)都可以選擇使用這兩種觸發(fā)方式。采用同步脈沖觸發(fā)，要求在信標和定位接收系統(tǒng)上都安裝高精度同步時鐘系統(tǒng)，信標按規(guī)定的時刻定時發(fā)射信號，定位接收系統(tǒng)根據(jù)同步時刻到接收應(yīng)答信號的延時來確定目標距離。聲學(xué)觸發(fā)要求測量船發(fā)射詢問信號，應(yīng)答器收到此信號后發(fā)射應(yīng)答信號，這樣完成一次定位過程。

目前，“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器上裝有長基線和超短基線兩種定位系統(tǒng)，分別采用法國IXBLUE公司的RAMSES 6000和POSIDONIA II［13］。

2　三種定位系統(tǒng)及其應(yīng)用

2.1長基線定位系統(tǒng)

長基線定位系統(tǒng)包括兩部分，一部分是安裝在水下移動載體或水面船上的收發(fā)機（Transceiver），另一部分是一系列已知位置的固定在海底的應(yīng)答器，至少3個，并構(gòu)成一定的幾何形狀。應(yīng)答器之間的連線構(gòu)成基線，基線長度一般在幾百米到幾千米之間。在聲學(xué)應(yīng)答模式中，被測載體上的收發(fā)機向各應(yīng)答器發(fā)出詢問信號，并接收各應(yīng)答器的應(yīng)答信號，通過信號傳播時延獲得收發(fā)機至各應(yīng)答器的距離，列出解算方程，最終確定被測載體的三維位置坐標。

從原理上講，系統(tǒng)導(dǎo)航定位只需要2個海底應(yīng)答器就可以，但是這樣會產(chǎn)生目標的偏離模糊問題，而且不能測量目標的水深，所以至少需要3個海底應(yīng)答器才能得到目標的三維坐標。實際應(yīng)用中會布設(shè)4個或更多應(yīng)答器，以提高被測載體上的收發(fā)機收到不少于3個應(yīng)答信號的概率，如接收多于3個海底應(yīng)答器的信號則可獲得冗余觀測量，提高測量精度。

長基線系統(tǒng)的優(yōu)點包括：定位精度高，與工作水深無關(guān)。長基線系統(tǒng)的缺點包括：系統(tǒng)復(fù)雜，操作繁瑣；聲基陣數(shù)量大，費用昂貴；需要長時間布設(shè)和回收海底基陣；需要詳細對海底聲基陣校準測量，耗費大量的時間。

“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的長基線定位系統(tǒng)采用法國IXBLUE公司的RAMSES 6000，其最大工作水深為6 000 m。圖1給出了蛟龍?zhí)栞d人潛水器長基線定位系統(tǒng)示意圖。它采用聲學(xué)觸發(fā)模式，潛水器上的長基線換能器發(fā)射統(tǒng)一詢問信號，不同的應(yīng)答器收到詢問信號后，立即發(fā)射獨立應(yīng)答信號，即不同應(yīng)答器的應(yīng)答信號是不同的。

圖1　“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器長基線定位系統(tǒng)示意圖

2.2短基線定位系統(tǒng)

與長基線定位系統(tǒng)不同，短基線定位系統(tǒng)的定位基元布置在船底（如圖2所示），通常由3個以上換能器組成，換能器的陣形為三角形或四邊形，組成基陣。基陣長度一般在幾米到幾十米之間，各換能器之間的相互關(guān)系精確測定，組成基陣坐標系。

短基線系統(tǒng)的測量方式是由一個換能器發(fā)聲，所有換能器接收，通過測量聲波在應(yīng)答器與發(fā)射基元之間的傳播時間來確定斜距；通過各基元接收應(yīng)答器信號的時間差來解算目標的方位，進而推算出應(yīng)答器的相對坐標。系統(tǒng)根據(jù)基陣相對于船坐標系的固定關(guān)系，配以垂直參考單元（VRU）、羅經(jīng)（Gyro）、參考坐標系統(tǒng)（GPS）等外部傳感器，以獲取船的位置、姿態(tài)、船艏向等輔助信息，最終計算得到應(yīng)答器的大地坐標。

短基線定位系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)組成簡單，便于操作，不需要組建水下基線陣，測距精度較高；缺點是需要在船底布置3個以上的發(fā)射接收器，要求具有良好的幾何圖形，這對船只提出了更高的要求，在深水區(qū)為了達到更好的定位精度需要加大船底基線的長度，整個系統(tǒng)需要做大量的校準工作，系統(tǒng)的定位精度與水深和工作距離密切相關(guān)，水深越大，工作距離越大，則系統(tǒng)的定位精度越低。

圖2　短基線定位系統(tǒng)示意圖

2.3超短基線定位系統(tǒng)

與前兩種不同，超短基線定位系統(tǒng)的基陣長度一般在幾厘米到幾十厘米的量級，它利用各個基元接收信號間的相位差來解算目標的方位，通過測量聲波在應(yīng)答器與基陣之間的傳播時間來確定斜距。超短基線定位系統(tǒng)一般需要3個以上的換能器基元裝入一個部件中，組成基陣，并安裝在水面的船體上，基陣坐標系與船的坐標系之間的關(guān)系要在安裝時精確測定。系統(tǒng)也需要配有垂直參考單元（VRU）、羅經(jīng)（Gyro）、參考坐標系統(tǒng)（GPS）等外部傳感器。

水面基陣的一個換能器向水下應(yīng)答器發(fā)射詢問信號，通過測量對比不同換能器基元接收的同一個應(yīng)答信號之間的相位差確定應(yīng)答器的方位，從而可以確定應(yīng)答器相對于船體的方位。換能器與應(yīng)答器的距離通過測定聲波傳播的時間，再用聲速剖面修正確定距離，從而獲取應(yīng)答器的相對坐標。將水面船載GPS與超短基線定位系統(tǒng)相結(jié)合，能夠準確判斷水下應(yīng)答器的精確位置。

超短基線定位系統(tǒng)的構(gòu)成簡單，操作方便，不需要組建水下基線陣，便于大范圍機動作業(yè)；系統(tǒng)的主要缺點是需要做大量的校準工作，系統(tǒng)的定位精度與水深和工作距離密切相關(guān)，水深越大，工作距離越大，則系統(tǒng)的定位精度越低。

“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的超短基線定位系統(tǒng)采用法國IXBLUE公司的POSIDONIA II。其最大工作水深為7 000 m，最大作用距離8 000 m，測距精度約為0.3%×斜距（60°圓錐角內(nèi)）。

圖3給出了“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器超短基線定位系統(tǒng)示意圖。當對潛水器進行定位時，它采用了同步脈沖觸發(fā)模式。在水面母船和載人潛水器上都安裝了同步時鐘，在潛水器下水前兩臺同步時鐘對好鐘，在潛水器下水后，兩臺同步時鐘按相同的間隔同時觸發(fā)定位聲納的水面機箱和應(yīng)答器，應(yīng)答器發(fā)射應(yīng)答信號，水面機箱測量同步脈沖和應(yīng)答信號的時延并進行計算。當超短基線定位系統(tǒng)用于水下信標測量時，它工作于聲學(xué)觸發(fā)模式。水面母船的聲納陣發(fā)射單頻詢問信號，不同的頻率詢問不同的應(yīng)答器，應(yīng)答器接收到指定頻率的詢問信號后立即發(fā)射調(diào)頻的應(yīng)答信號，不同的應(yīng)答器的應(yīng)答信號是相同的。

圖3　“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器超短基線定位系統(tǒng)示意圖

3　總結(jié)

“蛟龍?zhí)枴倍ㄎ幌到y(tǒng)的最初設(shè)計只包含超短基線定位系統(tǒng)，水面支持母船通過它可以實時監(jiān)控潛水器相對于水面支持母船的位置和相對于大地的坐標，及時采取措施，例如水面支持母船跟隨潛水器運動，通過水聲通信機命令潛水器調(diào)整航線等。潛水器也可通過水聲通信機獲得定位信息，幫助駕駛員操作。然而，在“蛟龍?zhí)枴焙Ｔ囘^程中發(fā)現(xiàn)，超短基線定位系統(tǒng)POSIDONIA II在定位精度、數(shù)據(jù)有效率等方面均與理想有一定差距（需要說明的是，在大洋35航次第一航段前更換了超短基線換能器陣，并進行了重新標定，其定位精度和數(shù)據(jù)有效率等均有了很大提高，很好地滿足設(shè)計要求）；同時，考慮到單純依靠超短基線定位系統(tǒng)缺乏必要的冗余。為此，在“蛟龍?zhí)枴? 000 m級海試前增加了長基線定位系統(tǒng)，它是超短基線定位系統(tǒng)的重要補充。長基線定位系統(tǒng)為潛水器提供更精確的獨立定位保障平臺，為載人潛水器在較大范圍和在較深海水環(huán)境下提供高精度的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)，并保障深潛作業(yè)安全性。

總之，以上三種聲學(xué)基線定位系統(tǒng)具有各自的優(yōu)勢和特點，根據(jù)不同的定位要求，可以采用不同的定位系統(tǒng)。隨著人類對海洋探測、研究、開發(fā)工作的進一步深入，人類所采用的海底勘測手段越來越多，涉及的海底科研和生產(chǎn)內(nèi)容越來越豐富，對水下導(dǎo)航定位提出了更高的要求，這些都促使水下聲學(xué)定位技術(shù)不斷的向前發(fā)展。

［1］Urick R J.Principles ofUnderwater Sound［M］.NewYork:MaGraw-Hill，1975:1-5.

［2］田坦.聲吶技術(shù)［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2010:1-8.

［3］李啟虎.數(shù)字式聲納設(shè)計原理［M］.合肥:安徽教育出版社，2002:1-10.

［4］楊坤德.水聲陣列信號的匹配場處理［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2008:1-10.

［5］陽凡林，康志忠，獨知行，等.海洋導(dǎo)航定位技術(shù)及其應(yīng)用與展望［J］.海洋測繪，2006，26（1）:71-74.

［6］孫大軍，鄭翠娥.水聲導(dǎo)航、定位技術(shù)發(fā)展趨勢探討［J］.海洋技術(shù)學(xué)報，2015，34（3）:64-68.

［7］孫思萍.水聲定位技術(shù)的應(yīng)用［J］.海洋技術(shù)，1993，12（4）:30-34.

［8］丁士圻，徐新盛，王智元，等.船載式遠程高精度水聲定位系統(tǒng)［J］.海洋工程，1996，14（4）:16-21.

［9］孫大軍，鄭翠娥，錢洪寶，等.水聲定位系統(tǒng)在海洋工程中的應(yīng)用［J］.聲學(xué)技術(shù)，2012，31（2）:125-132.

［10］吳永亭，周興華，龍楊.水下聲學(xué)定位系統(tǒng)及其應(yīng)用［J］.海洋測繪，2003，23（4）:18-21.

［11］劉曉東，王磊，楊娟，等.我國海洋聲學(xué)探測技術(shù)競爭力分析［J］.海洋技術(shù)學(xué)報，2015，34（3）:80-85.

［12］崔維成，徐芑南，劉濤，等.7000m載人潛水器研發(fā)簡介［J］.上海造船，2008，73:14-17

［13］朱敏，楊波，張東升，等.7000米載人潛水器培訓(xùn)教材：聲學(xué)系統(tǒng)（內(nèi)部資料）.2008:155-180.

［14］崔維成，劉峰，胡震，等.蛟龍?zhí)栞d人潛水器的7000米級海上試驗［J］.船舶力學(xué)，2012，16:1131-1143.

［15］劉峰，崔維成，李向陽.中國首臺深海載人潛水器——蛟龍?zhí)枺跩］.地球科學(xué)，2011，40:1617-1620.

Study on the Active Underwater Acoustic Positioning Technology and Its Application in Manned Submersibles

ZHANG Tong-wei1，LIU Ye-yao2，YANG Bo2，ZHAO Sheng-ya1，LI Zheng-guang1
1.National Deep Sea Center，Qingdao 266061，Shandong Province，China；
2.Institute of Acoustics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China

The active underwater acoustic positioning technology can achieve underwater target positioning by the means of sound response.It can be mainly divided into 3 kinds of positioning systems:the long baseline（LBL），short baseline（SBL）and ultra-short baseline（USBL）.As a significant technology in the field of marine development，it provides technical support for various high-precision tasks，such as underwater target detection，positioning and tracking，seabed topographic survey and underwater remotely controlled operations.This paper discusses the 3 kinds of active underwater acoustic positioning technologies，and takes the"JiaoLong"as an example to analyze their applications in manned submersibles.

ultra-short baseline（USBL）；long baseline（LBL）；JiaoLong；manned submersible；acoustic positioning

O427.9

A

1003-2029（2016）02-0056-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.010

2015-09-10

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（SS2014AA091801）；山東省自然科學(xué)基金面上項目資助（2015ZRF01013）；青島市自主創(chuàng)新計劃資助項目（15-9-1-90-JCH）

張同偉（1983-），男，博士，副研究員，主要研究方向為水下導(dǎo)航與定位。E-mail:walternwpu@outlook.com