超短基線定位技術及在海洋工程中的應用

金博楠，徐曉蘇，張 濤，孫曉俊

(1.微慣性儀表與先進導航技術教育部重點實驗室, 南京 210096;2.東南大學 儀器科學與工程學院, 南京 210096)

0 引言

隨著科學技術的飛速發(fā)展和對自然的不斷探索，人類的足跡向著更深更遠的方向延伸。在天空，人們不斷突破速度的極限，并且向著宇宙深處不斷進發(fā)；在水下，人們不斷挑戰(zhàn)著下潛的極限，打開未知海洋世界的大門。但無論上天還是下海，都需要導航定位來提供位置、姿態(tài)信息。然而人們對海洋探索的步伐遠不及對天空的認知，最主要的原因就是電磁波信號在海水這種高導電介質(zhì)中衰減嚴重，而且頻率越高，衰減越嚴重。例如頻率為3～30kHz的甚長波在海水中傳輸?shù)纳疃纫矁H能達到20m。因此，盡管衛(wèi)星導航系統(tǒng)可為不限量的用戶全天候地提供三維定位、定時和速度測量，定位精度很高，但是水下航行器只有上浮接近水面才能獲取衛(wèi)星導航系統(tǒng)或其他無線電導航系統(tǒng)的導航信息，如果航行器在水面以下相當深處航行，到水面就需要很多時間和能耗[1]。上述缺點限制了衛(wèi)星導航系統(tǒng)或其他無線電導航系統(tǒng)在水下航行器中的應用。此外，盡管最新的研究表明，藍綠激光在水下吸收率低，穿透性強，美國也成功進行了衛(wèi)星-潛艇激光通信試驗，但激光通信單點傳輸，廣播效果差，對接難度高，因此在水下定位導航領域依舊以慣性導航、地球物理場導航和聲學導航為主[2]。

目前已有的定位技術中，慣性導航系統(tǒng)(Inertial Navigation System，INS)因其隱蔽性強和自主性特點，在水下航行器中得到廣泛應用。雖然慣導技術本身已日漸成熟，但慣導系統(tǒng)定位誤差隨時間積累需要定期重調(diào)的特性卻從未改變，因此，伴隨慣導技術發(fā)展的同時，世界各國都一直在探索慣導系統(tǒng)的校準方法。多普勒聲吶系統(tǒng)自主性好、反應快、抗干擾性好、測速精度高，特別適合在水下航行器上應用，然而目前的多普勒聲吶導航通常采用航位推算的方法確定機體位置，定位精度較低。地球物理導航是基于地球物理參數(shù)，如地磁、重力場、地形等在空間分布上的變化，并與先驗的環(huán)境測繪圖進行匹配，從而實現(xiàn)導航目的。這就帶來2個主要問題，生成先驗測繪圖的難度以及隨維數(shù)增加匹配計算的復雜度。

聲波在水下傳播特性良好，作用范圍廣，一般的中高頻水聲信號的作用范圍都在千米級別，低頻水聲信號傳播距離可以高達10km以上。水聲定位導航系統(tǒng)因其簡單可靠、靈活多變等特點，是檢驗和鑒定水下航行器性能的主要手段。聲學定位方法按照接收基陣的尺寸或應答器基陣的基線長度來分類，水聲定位系統(tǒng)可以分為長基線(Long Base Line，LBL)、短基線(Short Base Line，SBL)和超短基線(Ultra-Short Base Line，USBL)三種。上述三種聲學基線定位系統(tǒng)具有各自的優(yōu)勢和特點，長基線和短基線水聲定位系統(tǒng)需要分別在海床和船體上安裝固定接收基陣，超短基線水聲定位系統(tǒng)則將水聽器組件裝在一個精密的容器里，并且基線長度

在厘米范圍。相對而言，超短基線定位技術更具有便攜性和獨立性，因此成為水聲定位設備發(fā)展的熱點。

本文將對水下聲學定位技術，尤其是超短基線定位技術進行說明和比較，然后主要對超短基線定位系統(tǒng)當前的發(fā)展狀況進行描述，再對超短基線定位技術在海洋工程中的應用進行介紹，最后對超短基線定位技術的發(fā)展方向進行展望。

1 水聲定位

水聲定位主要是通過水聲信號測量聲源與應答器基陣間的距離進行定位，基陣中基元間的距離稱為基線，因此根據(jù)基線長度不同，水聲定位主要分為長基線、短基線和超短基線三種(表1)。

表1 水聲定位系統(tǒng)分類

1.1 長基線定位系統(tǒng)

長基線定位系統(tǒng)的基陣一般由多個應答器分布于水下。從基線長度方面理解，認為長基線定位系統(tǒng)(圖1)指的是基線長度可以與海深相比擬的定位系統(tǒng)。每個應答器可以獲得一個斜距，在應答器位置預先確定的條件下，根據(jù)球面交匯原理可以確定目標的位置。此外，還有一種根據(jù)基元間時間差的方式也可以獲得目標位置，這種方法突破了時間同步的限制。

長基線定位系統(tǒng)因其基線較長，所以定位精度很高。但是在深水使用時，位置數(shù)據(jù)更新率較低，僅達到分鐘量級。其次，布放、校準以及回收需要較長時間，且作業(yè)過程較為復雜。

1.2 短基線定位系統(tǒng)

短基線定位系統(tǒng)(圖2)的基陣基元通常安放在整個船體上，基線長度不超過船體尺寸，由于基線長度不及長基線基陣，因此定位精度也遜色于長基線系統(tǒng)，但要優(yōu)于常規(guī)超短基線系統(tǒng)。相比于長基線復雜的應答器校準過程，短基線的基陣一旦安裝校正完成，定位導航作業(yè)就較為方便。然而短基線定位系統(tǒng)的缺點也比較突出，首先一般在艦船建造時就確定水聽器基元的安裝位置，一旦確定就不便于更改；其次，安裝位置難免會受到螺旋槳等機械噪聲的干擾，影響定位性能；最后，船體的形變對于高精度定位也會帶來一定的誤差。

1.3 超短基線定位系統(tǒng)

超短基線定位系統(tǒng)(圖3)提供的定位精度往往不及前兩種。這是因為它只有一個緊湊的尺寸很小的聲基陣安裝在載體上?；囎鳛橐粋€整體單元，可以使其處在流噪聲和結構噪聲均較弱的某個有利位置。此外，它也無需布放浮標和應答器陣。但是通過精細設計，超短基線系統(tǒng)的定位精度有望能夠接近長基線系統(tǒng)的定位精度。

上述各種定位系統(tǒng)既可單獨使用，也可以有機地組合，構成組合系統(tǒng)。組合系統(tǒng)可提供可靠的位置冗余，并發(fā)揮各個系統(tǒng)的優(yōu)點。例如，可組合成長/超短基線系統(tǒng)(L/USBL)、長/短基線系統(tǒng)(L/SBL)、以及長/短/超短基線系統(tǒng)(L/S/USBL)等。

2 超短基線定位技術

2.1 系統(tǒng)組成

超短基線定位系統(tǒng)要確定目標的絕對位置，首先要知道聲基陣的位置、姿態(tài)以及船艏方向，這些參數(shù)可以由GPS、運動傳感器(Motion Reference Unit，MRU)和電羅經(jīng)提供(圖4)。然后是確定目標在聲頭坐標系中的位置。除了這些外部設備外，超短基線定位系統(tǒng)還由載體端的聲頭部分和水下的應答器組成。聲頭包含一個收發(fā)換能器和水聽器基陣。水聽器基陣的尺寸非常小，只有幾厘米至幾十厘米。因此聲頭可以安裝在船體水面以下任何位置，較為方便靈活。聲頭和應答器可以通過詢問和應答方式測量往返時間，也可以由電纜連接測量單程時間。

在硬件結構上，聲頭部分主要由收發(fā)模塊、控制模塊、計算模塊和顯示模塊組成[3]。應答器部分只需要收發(fā)模塊和控制模塊即可，如圖5所示。

2.2 定位原理

組成超短基線最少需要3個水聽器，其中一個作為參考單元。若3個水聽器位于2個相互垂直的基線上(x和y軸上)，假設各方向上基元間距(基線)均為d，應答器發(fā)出的信號到基陣原點的聲線與x軸及y軸的夾角分別為θmx和θmy(圖6)。以測量往返時間為例，斜距R為

R=0.5cT

(1)

其中，c為聲波在水中的速度，約為1500m/s，T為往返時間。

由于相對基元與應答器的距離，基陣尺寸極小，可認為入射到所有基元的聲線平行。當信號頻率為f0，即波長λ=c/f0時，由圖7可知，2個水聽器接收信號的相位差φ與信號入射角θm的關系為

(2)

則應答器S在聲頭坐標系中的位置為

(3)

由于水平誤差累計在垂直角計算過程中，因此高度方向誤差較大，為了提高垂直角的測量，有些產(chǎn)品會在z軸方向也安裝水聽器，形成立體基陣，當然這樣做又會導致基陣體積有所增大。此外，垂直角的測定受聲速的影響特別大，因此更為直接的改善方法是在應答器中安裝深度傳感器獲取深度h。理論上，僅通過水平角和深度也可以計算應答器位置，而且觀測者并不需要知道發(fā)射時刻，而只需要被動接聽即可，這樣更容易工程實現(xiàn)，適用于某些無源定位的場合。其位置為

(4)

但為了保證精度，在沒有特別要求的情況下，水平角、斜距和深度被認為是需要同時具備的3個基本的測定參數(shù)。

2.3 誤差分析與精度提升

對式(3)進行全微分，以斜距相對均方誤差δ2=σ2/R2表示定位精度，可得

(5)

式(5)表明，應答器越靠近船正下方，定位精度越高。因此，超短基線定位系統(tǒng)的工作范圍一般在基陣下方一定的錐角區(qū)域內(nèi)。同時，定位精度還與斜距測定誤差、聲速測定誤差以及水聽器基陣接收信號的時間間隔測定誤差等有關[4]。

因此，提高超短基線定位系統(tǒng)精度的措施有：

1)采用較低頻率和寬帶信號，提高信噪比；

2)增加基元間距，優(yōu)化基陣結構；

3)對聲速變化和聲線彎曲進行有效的誤差建模估計和補償。

3 海洋工程中的應用

超短基線定位技術在民用和軍事兩大領域都有廣泛的應用。民用范圍內(nèi)，海底勘測、海洋調(diào)查、潛水員作業(yè)、水下打撈、水下工程等都需要水聲定位提供支持；軍事范圍內(nèi)則包含蛙人活動、潛艇航行、AUV回收、蛟龍?zhí)柹詈Ｌ綔y、協(xié)同定位、敵艦探測等應用[5]。

3.1 海洋勘探

隨著陸上油氣資源逐漸緊張，海洋油氣勘探日益成為國內(nèi)外油氣開發(fā)的重點領域。拖纜和海底電纜(OBC)地震勘探技術是海洋油氣勘探的重要技術手段。

拖纜和海底電纜廣泛使用水聲定位技術定位水聽器位置，提高勘探數(shù)據(jù)質(zhì)量。OBC地震勘探技術利用安裝有水聽器的海底電纜或拖纜接收地震波數(shù)據(jù)。在實際施工中，由于受到海流、潮汐等因素影響，水聽器實際位置相對水面實測位置將發(fā)生較大位移，最大位移可超過30m。海底地震勘探電纜漂移產(chǎn)生的時差，嚴重降低了地震資料的成像精度，因此OBC地震勘探必須對沉入海底位置相對穩(wěn)定的水聽器進行精確定位。水聲定位方法具有高速度、高精度、低成本的優(yōu)勢，成為OBC地震勘探水聽器二次定位的重要手段。

3.2 海洋科學

ROV/AUV等水下潛器被廣泛應用于生物、礦石的采樣，以及海底環(huán)境信息采集與地形掃面勘探之中。這些潛水器及水下平臺在釋放回收等升降過程和水下航行過程中都需要水聲定位保證位置信息[6]。著名的馬航失事飛機的搜索打撈作業(yè)也運用了很多水聲定位技術，水聲定位系統(tǒng)可檢測引導ROV/AUV的行進路線并進行探索，也可確定黑匣子的位置。

以遠程操作潛水器和蛟龍?zhí)枮榇淼妮d人潛水器更需要利用水聲定位系統(tǒng)進行精確定位和導航，從而引導這些作業(yè)工具安全到達指定位置，完成作業(yè)。我國蛟龍?zhí)栞d人潛水器的水下定位要依靠2套水聲定位系統(tǒng)，即超短基線和長基線定位系統(tǒng)[7]。

3.3 電纜管道鋪設

在20世紀70年代，隨著大型海洋油氣田的開發(fā)，建設了大型海洋油氣管道，把開采的油氣直接輸往陸上油氣庫站。海上風力發(fā)電也成為新能源中的一支新興力量。至2023年，全球海底電力電纜安裝量將達304條。隨著全球油氣工業(yè)和風力發(fā)電向海洋進軍，海底鋪設的油氣管道和海底電纜日益成為全球能源運輸動脈的重要組成部分。

水聲定位系統(tǒng)主要用于海底管道連接定位、管道維修引導、電纜操作指導及海底電纜定位，在鉆井船和浮式平臺等海洋工程裝備中得到廣泛應用[8]。

深海海洋石油開采時，深水區(qū)域的管線測量一般使用水面支持船安裝超短基線對沿管線行進的ROV進行實時定位。

3.4 水下考古

水下考古發(fā)掘是對考古學由陸地田野考古向水域的延伸。由于自然災害和航運事故，一些航線下還保存著大量沉船和文物。沉船打撈、事故救援和水下考古常配備多種水聲器材，包括多波束水下聲吶、淺地層剖面儀、旁側聲吶、超短基線系統(tǒng)和水下機器人等。

工作時超短基線換能器采用法蘭盤剛性安裝并浸入水中，潛水員或水下機器人將應答器放置在目標上便可確定打撈目標位置。我國附近海域探明的水下遺址就有多處，2007年南海I號整體浮出水面，世界首創(chuàng)的整體打撈古沉船方式取得成功。GAPS超短基線定位系統(tǒng)成功應用于本次打撈工作中。

3.5 軍事活動

水下軍事活動對海軍裝備水下定位系統(tǒng)提出了較高的要求。以潛艇為例，在遠洋長時間執(zhí)行任務要求保持較高的定位精度，頻繁地上浮容易暴露自身的位置。此外，水下無人作戰(zhàn)平臺、蛙人作戰(zhàn)設備等也都需要水聲定位輔助導航。通過慣性/水聲的組合導航技術是當前的主要手段，而多普勒測速和聲吶計程儀也可以輔助進行校準。

利用水聲定位及慣性導航的組合定位系統(tǒng)可對水下各類有人或無人潛器進行定位及導航，配合多波束聲吶、側掃聲吶、合成孔徑聲吶等可探測敵方水下軍事基地的三維地圖和精確位置。組合導航無人潛器搭載探測及干擾聲吶還可以完成收集艦艇聲吶數(shù)據(jù)、探測港口軍事部署、監(jiān)控艦艇運行狀態(tài)和進行聲吶電子對抗等多種作業(yè)。

4 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

從20世紀70年代開始，隨著海洋勘探行業(yè)的興起，長基線、短基線和超短基線等水聲定位系統(tǒng)開始出現(xiàn)。20世紀80年代，軍事上對水下定位的需求更為迫切，水聲定位技術得到進一步發(fā)展。以歐洲為代表的西方國家在超短基線等水聲定位方面起步較早，其中挪威的Kongsberg、法國的IXBlue、英國的Sonardyne堪稱該領域的3只領頭羊，他們擁有20～40年的研發(fā)經(jīng)驗[9]。相比之下，國內(nèi)在水聲定位方面的研究基礎還較為薄弱。

涉及核心技術，國內(nèi)外有關超短基線公開的資料較少，下面對目前能夠已知的相關設備的資料進行一些整理和介紹。

4.1 國外研究現(xiàn)狀

挪威Kongsberg公司于1996年開始推出第一代超短基線，新近推出的HiPAP700，作用水深達到了10000m，測距精度優(yōu)于0.5m[10]。目前在售的主要有HiPAP和μPAP這2個系列，HiPAP主要用于深水和海底勘測領域，主要包括HiPAP502、HiPAP452、HiPAP352、HiPAP351P-Series、HiPAP102五款型號，性能參數(shù)如表2所示，表中D為斜距。多通道球面陣列是HiPAP系列的主要特征，其通道數(shù)量高達300個。這些探測通道選擇性地開啟，具有良好的波束指向性[11]。

表2 HiPAP 系列超短基線定位產(chǎn)品的部分參數(shù)

μPAP主要用于淺水領域，并且部分型號內(nèi)置有姿態(tài)傳感器，在售的換能器型號主要有μPAP200、μPAP200-NEL、μPAP201-2、μPAP201-3、μPAP201-3-NEL、μPAP201-H，性能參數(shù)如表3所示。

表3 μPAP 系列超短基線定位產(chǎn)品的部分參數(shù)

法國IXBlue公司主要有兩種型號的超短基線產(chǎn)品： Posidonia-USBL(圖8) 和 GAPS-USBL[12-13](圖9)。IXBlue 產(chǎn)品最鮮明的特點是立體性強的四腳外形，通過簡單的結構達到了高水準的性能。Posidonia-USBL是一款長程超短基線型號，最大作用距離10000m，工作深度可達到600m，在該水深處的最高定位精度能達到0.2%D，詢問頻段為8～14kHz，應答頻段為14～18kHz，該系統(tǒng)已經(jīng)成功推向市場。另外，據(jù)悉其中的一款型號也集成了慣性組件，形成一體化系統(tǒng)。

GAPS-USBL是IXBlue公司推出的新型超短基線系統(tǒng)，最大的特征是集成了聲學定位系統(tǒng)、高精度慣性導航系統(tǒng)和GPS定位系統(tǒng)，從而在使用前免去了超短基線設備和慣導器件之間進行安裝誤差的校準步驟，進一步降低了定位系統(tǒng)誤差源的影響。GAPS-USBL的作用距離為4000m，工作深度25m，覆蓋范圍160°，定位精度(在垂直條件下信噪比>40dB)達0.06%D，角度精度為0.01°，工作頻段為20～30kHz。

英國Sonardyne公司開發(fā)了2個系列的超短基線定位系統(tǒng)：Scout-USBL和Ranger-USBL(圖10)。Scout-USBL是該公司的高頻產(chǎn)品，適用于淺水工作，系統(tǒng)小巧易于使用，工作頻段為35～55kHz，覆蓋范圍為180°。采用內(nèi)部姿態(tài)傳感器的精度為2.75%D，使用內(nèi)置姿態(tài)傳感器和羅經(jīng)時定位精度可達到0.5%D。該系列又分為Scout、Scout Plus和Scout Pro三種型號，前2款的作用距離為500m，Pro的距離達到1000m，而跟蹤目標數(shù)量依次為4個、6個、10個。

Ranger-USBL是該公司主打的一款中頻系列，適用范圍從淺水到深水均可。一代Ranger工作頻段為18～36kHz，作用距離6000m。在使用單頻信號的情況下斜距測量精度為0.2m，而在寬帶信號工作條件下斜距測量精度可達到0.03m，定位精度為0.1%D。一代目前已退出市場，取而代之的是新一代的Ranger2和Mini-Ranger2，前者作用距離超過7000m，后者主要服務于1000m內(nèi)的近海區(qū)域。Ranger2系列中還有多款型號集成了內(nèi)置姿態(tài)/慣性傳感器，能夠免校準輸出高精度定位結果。此外， Ranger-USBL還使用了寬帶技術,可以提供傳輸速率高達1500bit/s的水聲通信服務。表4所示為Ranger2系列的多款聲頭性能參數(shù)[14]。

表4 Ranger2系列超短基線聲頭的部分參數(shù)

英國Nautronix公司的NASDrill-USBL是針對近岸鉆井等需要在高噪聲的惡劣環(huán)境下的海洋資源開發(fā)推出的聲學定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)的作用距離為4500m，精度可達0.5%D，刷新率為1Hz，工作開角為60°～120°。

英國AAE公司生產(chǎn)的EasyTrak超短基線水下定位系統(tǒng)(圖11)采用中頻波段，內(nèi)置了Pitch/Roll/Heading等運動傳感器，支持接收GPS數(shù)據(jù)，同步跟蹤多個水下目標。根據(jù)不同的系統(tǒng)精度，系統(tǒng)包含3個型號：Easytrak Alpha、Easytrak Lite、Easytrak Nexus，其斜距分辨率為0.1m，覆蓋范圍160°，定位精度分別為：3.5%D(2°)、2.5%D(1.4°)、1.0%D(0.6°)。

英國的Blueprint公司推出了一款Subsea超短基線產(chǎn)品(圖12)，只有16cm高，是目前世界上尺寸最小的超短基線設備，該設備工作頻率為24～32kHz，作用距離1000m，定位精度1.5%D，并且內(nèi)置有MEMS陀螺儀和加速度計[15-16]。

美國的EdgeTech前身為ORE Offshore公司，生產(chǎn)高精度聲學定位、導航、控制產(chǎn)品。其推出的BATS (Broadband Acoustic Tracking System) (圖13)絕對水平精度為0.5%D(RMS)，可重復精度為0.3%(RMS)，測距精度為0.3m(RMS)。工作頻率16～30kHz，可追蹤4個目標，最大作用距離3300m[17]。 ORE時代的產(chǎn)品為TrackPoint3，其性能指標與BATS差不多。

美國LinkQuest公司的TrackLink1500系列產(chǎn)品(圖14)集成了超短基線聲學定位系統(tǒng)和高速水聲通信系統(tǒng)。TrackLink1500 系列中使用了LinkQuest公司極力推廣的BASS寬帶聲學擴譜技術。TrackLink1500系列工作頻率為31～43.2kHz，其定位精度按照高頻至低頻分為三檔：0.5%D(0.25°)、2%D(1°)和5%D(3°)，斜距測量精度為0.2m[18]。該系列產(chǎn)品最大的作用距離為1000m，而且還能夠同時追蹤8～16個目標。

此外，美國的AUSS先進無人搜索系統(tǒng)、韓國的OKPL-6000設有長基線水聲定位系統(tǒng)，美國的Odyssey、REMUS-100航行器設有長基線和超短基線水聲定位系統(tǒng)，挪威的Hugin3000、法國的Alister3000設有短基線水聲定位系統(tǒng)。加拿大ISE公司的AUV應用了TrackLink5000超短基線水聲定位系統(tǒng)，美國克洛希德·馬丁公司應用了TrackLink1500超短基線水聲定位系統(tǒng)導引和回收AUV。

4.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)在長基線、短基線和超短基線水聲定位技術方面雖然起步較晚，但近年來也取得了很大的進步。哈爾濱工程大學研制的GRAT系統(tǒng)是比較典型的長基線定位系統(tǒng)之一。東南大學研制的YTM魚雷彈道測量系統(tǒng)、哈爾濱工程大學研制的MDT系統(tǒng)等均是典型的短基線定位系統(tǒng)。中國科學院聲學研究所、廈門大學等在聲學定位技術領域也都進行了一定的研究。

中國的水下DGPS高精度定位系統(tǒng)是一套集成GPS、長基線定位系統(tǒng)的高精度水下定位系統(tǒng)[19]。這是繼美國、法國之后我國率先利用GPS技術實現(xiàn)了水下高精度的自主導航。超短基線定位技術同樣已經(jīng)達到了應用階段，可以推廣進行產(chǎn)業(yè)化，目前已裝備了大洋一號船、科學號船和向陽紅09號船，在執(zhí)行科考任務中發(fā)揮了重要的作用。長基線技術方面開展了海洋 6號船上的應用性研究，預計近期可進行自有技術的驗證。綜合定位系統(tǒng)技術的關鍵技術攻關已完成，未來將會應用于4500m 國產(chǎn)化載人潛水器。

哈爾濱工程大學從2002年開始進行相關研究，2006年成功研發(fā)國內(nèi)首臺深海超短基線定位系統(tǒng)樣機，2012年成功研發(fā)國內(nèi)首臺工程樣機，2013年成功研發(fā)國內(nèi)首臺定位系統(tǒng)產(chǎn)品。其中共研制出四種超短基線定位系統(tǒng)：深水重潛裝潛水員超短基線定位系統(tǒng)、探索者號水下機器人超短基線定位系統(tǒng)、滅雷具配套水聲跟蹤定位裝置和長程超短基線定位系統(tǒng)。前兩種均是簡易系統(tǒng)，僅用于近程的特殊使用場合。第三種是型號產(chǎn)品，其顯著優(yōu)點是淺海定位性能優(yōu)良，即使對于水平方向(目標俯仰角為0°)的目標，定位精度仍優(yōu)于3%D，淺海作用距離達到3000m，可實時給出3個目標的軌跡。長程超短機械定位系統(tǒng)如圖15所示，其作用距離達到8000m，應答器工作水深達到7000m，最高定位精度達到0.2%D(基陣下方±15°開角)，測距精度0.15m，綜合定位精度1m[20-21]。相關設備在蛟龍?zhí)柡拖蜿柤t09號船上進行了試驗。

中國科學院聲學研究所東海研究站又名上海聲學實驗室，始建于1960年，隸屬于中國科學院聲學研究所。東海研究站主要從事水聲導航技術、水聲定位技術、水聲探測技術、超聲應用技術、數(shù)字通信及信息處理技術和醫(yī)療聲學技術等領域的研究和開發(fā)。其研究的超短基線定位設備分為低頻、中頻和高頻3個頻段，可以同時對多個信標進行跟蹤定位。作用距離為6000m，測距精度優(yōu)于0.1m+0.1%D，定位精度為0.1m+0.5%D。

嘉興中科聲學科技有限公司(中科院聲學所嘉興工程中心)成立于2007年9月，由中國科學院聲學研究所嘉興工程中心核心技術團隊與嘉興科技城投資公司共同出資創(chuàng)建[22]。其生產(chǎn)的超短基線系統(tǒng)可兼容多種國外同類產(chǎn)品信號體制，主要有PS138、PS117、PS113和PS155這4個型號，并可按要求內(nèi)置姿態(tài)傳感器(圖16)。其中PS138為與中船重工707所聯(lián)合研制，集成了慣性導航設備，具體性能如表5所示。

型號PS138PS117PS113PS155工作頻率LF(8～16kHz)MF(18～30kH)HF(35～55kH)MF(20～30kH)信號形式CW、FM、可編程CW、FM、可編程HPR 400(兼容RANGER)CW、FM、可編程兼容SCOUT系統(tǒng)CW、FM、可編程作用距離3000m2000m1000m2000m聲頭深度200m50m50m300m測向精度0.3°1°0.6°0.3°定位精度1m±0.5%D(RMS,不含航姿和GPS誤差)1m±1%D(RMS,使用基陣內(nèi)置慣導,外接RTK GPS)1m±1.5%D(RMS,不含航姿和GPS誤差)1m±2%D(RMS,使用基陣內(nèi)置磁羅盤,不含GPS誤差)1m±1%D(RMS,不含航姿和GPS誤差)1m±1.5%D(RMS,使用基陣內(nèi)置磁羅盤,不含GPS誤差)1m±0.5%D(RMS,不含航姿和GPS誤差)1m±1%D(RMS,使用基陣內(nèi)置磁羅盤,不含GPS誤差)航姿傳感器內(nèi)置慣導內(nèi)部/外部(可選配)內(nèi)部/外部(可選配)內(nèi)部/外部(可選配)目標個數(shù)5工作方式同步觸發(fā)方式(外同步/內(nèi)同步)、應答方式(詢問)

嘉興易聲電子科技有限公司核心研發(fā)人員出自于嘉興中科聲學科技有限公司，主要研發(fā)小型100m以內(nèi)淺水超短基線水下定位系統(tǒng)，目前已經(jīng)與國內(nèi)主流生產(chǎn)ROV的廠家建立了聯(lián)系。最大優(yōu)勢是體積小巧、價格低。其eSTS系列產(chǎn)品的作用距離為800m，精度為1.0%D。

中海達下屬的海洋信息技術有限公司推出的基于水聲寬帶擴頻技術和高精度時間同步技術的便攜式超短基線水下定位系統(tǒng)，目前有2款型號：iTrack-UB1000(圖17)和iTrack-UB3000。該系統(tǒng)融入了高精度差分RTK-GPS定位技術，可滿足各種高精度的水下定位導航應用的需求，可同時對5個水下目標進行精確定位[23]，具體性能如表6所示。

型號iTrack-UB1000iTrack-UB3000量程1500m3000m定位精度0.5m+1.2%D0.5m+1%D工作頻率20～28kHz15～25kHz質(zhì)量30kg12kg定位間隔1.5s1.5s

綜上所述，本領域中國內(nèi)和國外目前還存在較大差距，通過同類產(chǎn)品比較可以發(fā)現(xiàn)，國外大多已是成熟產(chǎn)品推廣市場，標志著其技術已相對成熟，而國內(nèi)多為科研樣機。性能參數(shù)上，國外產(chǎn)品作用距離更大，定位精度更高，并且都能夠內(nèi)置姿態(tài)儀羅經(jīng)或者慣性導航系統(tǒng)，已實現(xiàn)慣性/水聲一體化。而國內(nèi)在長距離、高精度定位方面還有待加強，面對水下環(huán)境中的諸多實際問題，還有很多技術難點需要攻克。

5 未來的發(fā)展趨勢與展望

隨著水聲技術的提高，一些超短基線定位系統(tǒng)的性能向著長基線、短基線定位系統(tǒng)靠近，在許多指標要求并不苛刻的場合，超短基線定位系統(tǒng)的便利優(yōu)勢更加凸顯。水聲技術的發(fā)展很大程度上依賴著數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的積累，國外諸多老牌企業(yè)都具有幾十年的行業(yè)背景，相關產(chǎn)品經(jīng)歷了幾代升級，不僅產(chǎn)品性能可靠超前，而且具有一系列型號，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，占據(jù)著全球水下定位導航行業(yè)的市場。我國超短基線定位研究起步晚，同國外還存在較大的差距，不僅性能和可靠性落后，國內(nèi)相關研究單位和型號寥寥可數(shù)，且未能實現(xiàn)完全國產(chǎn)化。針對我國超短基線定位技術發(fā)展，主要可以從如下4個方向進行研究[24]。

5.1 提高水聲定位性能

目前國內(nèi)水聲定位的短板主要存在于傳感器部分，如質(zhì)量、尺寸、耐壓性、量程、信噪比、器件測量精度等方面[25]。一方面需要突破材料，選用更輕更耐壓的材料，在保護聲頭傳感器的同時具有較高的聲波穿透性和環(huán)境噪聲的抑制性；另一方面，采用更低頻的信號才能達到更遠的傳播距離，衰減后的低頻信號更容易被海洋背景噪聲干擾，因此增大信噪比、量程和精度要求更高的器件工藝，是有效的降噪濾波手段。水下環(huán)境復雜多變，其中多徑效應和聲線彎曲是最大的干擾，如何克服其帶來的影響是關鍵[26]。此外，寬帶擴頻信號具有作用范圍廣、抗干擾強等優(yōu)點，非常適合水聲通信與定位，國外已成功應用并廣泛推廣，因此未來水聲定位是必然的發(fā)展方向。

5.2 慣導結合的一體化設備

超短基線定位系統(tǒng)需要MRU和電羅經(jīng)提供姿態(tài)和船艏方向。由于在載體上的安裝位置不同，這就需要在每次使用前對安裝誤差角進行標定，不僅復雜而且增加了外設數(shù)量。以挪威、法國和英國的三家巨頭企業(yè)為代表生產(chǎn)的一體化產(chǎn)品成為該方向的發(fā)展走勢。將高精度慣性組件集成到超短基線中，不僅可以為超短基線定位實時提供高精度姿態(tài)，還可以輸出慣性導航結果，高速率的慣導輸出結果彌補了水聲較低的刷新率，超短基線的定位結果又可以周期性地對慣導的累積誤差進行重調(diào)。從整體上看，一體化系統(tǒng)省去了外部設備，能夠獨立完成水下定位任務。安裝誤差在出廠時就進行了精確校正，使用時不需再進行相關工作，進一步提高了系統(tǒng)的精度、便捷性和操作性[27-29]。

5.3 多種方式的混合基線定位

長基線、短基線和超短基線隨著在定義中有著各自的特點，但影響在使用過程中的相互融合。當超短基線聲頭在布有基陣的海域分別與多個應答器配合工作時，既可以由超短基線原理來定位也可以由長基線原理來定位，冗余信息將會在各自的基礎上進一步提升效果，這就是L/USBL[30]。當超短基線聲頭在多個位置對單個應答器進行測量時，如果各位置已知，則也可以構成L/USBL[31-32]。同理，若多臺超短基線設備固定于船體前后同時工作，則可構成S/USBL，而L/S/USBL也是可以實現(xiàn)的。此外，在一些特定的應用條件下，結合GPS、慣導、深度計、多普勒儀或是拖曳電纜等設備，超短基線還可以在有源和無源模式之間選擇，使用方式更加靈活多變。

5.4 高速水聲通信服務

水聲定位由最初的單頻信號朝著寬帶擴頻信號發(fā)展，水聲通信技術發(fā)展了幾十年，如今也在寬帶擴頻領域中找到了和定位技術結合的契機。未來水聲定位技術和水聲通信技術將日趨成熟，兩者的結合天衣無縫，也是大勢所趨。水聲信號中將包含一段報文信息，同時又將被用于測時定位，這就涉及信號檢測、時延精確提取、報文解析以及高速傳輸?shù)汝P鍵技術。目前國外生產(chǎn)商新一代的升級方向更加注重高速水聲通信，水下節(jié)點間的水文位置等信息在高速通信技術的支持下可以相互傳輸，有利于進一步提高性能，并使得系統(tǒng)的工作方式也更加的靈活方便。寬帶信號體制還允許接入更多的目標，以滿足水下大區(qū)域密集任務小區(qū)協(xié)同工作。