深海超短基線定位系統(tǒng)現(xiàn)狀及展望

張同偉 王向鑫 唐嘉陵 秦升杰

（1.國家深?；毓芾碇行?青島 266237）

（2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室 青島 266061）

（3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室海洋觀測與探測聯(lián)合實驗室 青島 266237）

1 引言

潛水器是進入深海進行科學(xué)研究和調(diào)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(diào)查和科學(xué)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(zhì)環(huán)境決定了聲比光和電磁波更適合作為水下定位技術(shù)的傳播載體。

根據(jù)接收基陣基線長度來分類，水下聲學(xué)定位技術(shù)可以分為長基線定位系統(tǒng)、短基線定位系統(tǒng)和超短基線定位系統(tǒng)三種［5～6］。超短基線定位系統(tǒng)［7～8］通過全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、姿態(tài)傳感器將船載聲學(xué)換能器陣測得的相對位置轉(zhuǎn)換到地球大地坐標(biāo)系，以獲得潛水器的大地經(jīng)緯度坐標(biāo)。超短基線定位系統(tǒng)具有構(gòu)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(biāo)定位跟蹤、水下遙控作業(yè)等各種高精度作業(yè)提供技術(shù)支持，使得它在海洋資源調(diào)查和科學(xué)研究領(lǐng)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(tǒng)介紹了法國iXblue、挪威Kongsberg、英國Sonardyne、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(tǒng)，并以哈爾濱工程大學(xué)遠程超短基線定位系統(tǒng)為例分析了國內(nèi)發(fā)展情況，最后展望了深海遠程超短基線定位系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

2 超短基線定位系統(tǒng)

2.1 基本原理

根據(jù)工作頻率和作用距離的不同，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不等。超短基線定位系統(tǒng)有兩種工作方式：一種是聲學(xué)應(yīng)答模式，水面分別向各應(yīng)答器發(fā)送詢問信號，各應(yīng)答器接收到針對自己的詢問信號后發(fā)送應(yīng)答信號，通過計算發(fā)出詢問信號到收到應(yīng)答信號的時間差來計算距離。另一種是同步時鐘觸發(fā)模式，如果有纜則觸發(fā)脈沖通過電纜觸發(fā)應(yīng)答器，如果無纜則需要采用高精度的同步時鐘來同步觸發(fā)應(yīng)答器和水面系統(tǒng)，通過計算同步脈沖觸發(fā)時刻到收到應(yīng)答信號的時間差計算距離。

由時間差計算距離需要知道聲速，因此精確的聲速剖面數(shù)據(jù)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(tǒng)中。如果出現(xiàn)劇烈的氣象過程（如大風(fēng)、大雨），則需要重新測量聲速剖面并更新到定位系統(tǒng)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(tǒng)是通過分析船載聲學(xué)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(tǒng)相結(jié)合，能夠準(zhǔn)確判斷水下應(yīng)答器的精確位置。

2.2 系統(tǒng)組成

超短基線定位系統(tǒng)由水面船用設(shè)備和潛水器應(yīng)答器組成。水面船用設(shè)備包括信號處理單元、船載聲學(xué)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(xué)換能器陣安裝在船舶底部或側(cè)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(yīng)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(yīng)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(tǒng)都能夠正常工作。

2.3 工作頻段

超短基線定位系統(tǒng)工作頻段的選擇取決于兩點：定位精度和最大作用距離［9］。表1給出了工作頻段和最大作用距離的對應(yīng)關(guān)系。

深海遠程超短基線定位系統(tǒng)通常選擇低頻或中頻段，而對于全海深超短基線定位系統(tǒng)一般選擇低頻（8kHz～16kHz），或者更低頻段。

表1 工作頻段和最大作用距離的對應(yīng)關(guān)系

3 深海遠程超短基線定位系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

目前國外超短基線定位技術(shù)比較成熟，已經(jīng)實現(xiàn)超短基線定位系統(tǒng)的產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化、系列化。國際上主要的超短基線定位系統(tǒng)生產(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)，并于2010年完成產(chǎn)品定型，命名為 POSIDONIA II［10］（見圖 1）。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(shù)基礎(chǔ)和完整的研發(fā)團隊，POSIDONIA II最大的特點是組合兼容性強，數(shù)據(jù)融合技術(shù)獨特。當(dāng)它與該公司的其他導(dǎo)航設(shè)備，如OCTANS運動傳感器、PHINS慣導(dǎo)聯(lián)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(dǎo)構(gòu)成一套完整的模塊化水下導(dǎo)航系統(tǒng)，提供穩(wěn)健、高更新率的定位信息。

根據(jù)船底安裝方式的不同，POSIDONIA II的聲學(xué)換能器陣可分為兩種，一種是可垂直收放型，通過垂直升降機構(gòu)可以將換能器陣下放至船底1.5 m，進一步避開船舶噪聲的干擾，其換能器尺寸和重量較??；另一種是平齊安裝型，聲學(xué)換能器陣與船底固定在一起，換能器尺寸和重量較大，相應(yīng)的發(fā)射聲源級更高。

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(biāo)定采用8字形方案。海上標(biāo)定通常選擇在深度為1000 m左右海域進行，首先將3×3的標(biāo)定矩陣初始化，完成8字形測量后，通過標(biāo)定軟件USBLCal可以計算生成標(biāo)定后的3×3標(biāo)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(xué)換能器陣位置噪聲低于60 dB；應(yīng)答器發(fā)射聲源級達到191 dB ref@1 m），經(jīng)過完好標(biāo)定的POSIDONIA II定位精度可達0.2%斜距（60°圓錐角內(nèi)）。

表2 典型遠程超短基線定位系統(tǒng)對比［10～14］

3.2 法國iXblue公司的GAPS

為了避免繁重的海上標(biāo)定試驗，法國iXblue公司率先將姿態(tài)傳感器（光纖羅經(jīng)）與超短基線聲學(xué)換能器陣固化在一起，實現(xiàn)一體化安裝，開發(fā)了世界上首款便攜式、即插即用、免標(biāo)定的超短基線定位系統(tǒng)，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(yù)先標(biāo)定，并固化在系統(tǒng)的內(nèi)部程序中，因此系統(tǒng)在海上作業(yè)現(xiàn)場無需標(biāo)定，不存在各傳感器之間的安裝、測量誤差問題，確保了系統(tǒng)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(shè)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(biāo)，甚至可以對水平面以上的目標(biāo)進行定位。此外，GAPS還增加了水聲通信功能，每個周期內(nèi)數(shù)據(jù)速率為160 bit，能夠傳輸一些簡單的指令或數(shù)據(jù)。

圖1 法國iXblue公司的POSIDONIA II

圖2 法國iXblue公司的GAPS

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(tǒng)均能獲得高精度的水下目標(biāo)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

為滿足淺水和深水水下目標(biāo)定位的不同需求，挪威Kongsberg公司是開發(fā)了HiPAP系列超短基線定位系統(tǒng)。HiPAP502/452/352/102型屬于第三代HiPAP系列產(chǎn)品［11］，采用了全新的收發(fā)單元和Cymbal技術(shù)。Cymbal是一種用于通信和定位的全新聲學(xué)協(xié)議，它采用基于相移鍵控的直序擴頻技術(shù)，可以有效抑制多途干擾，使得定位過程中的角度估計精度提高30%。

所有的HiPAP系列超短基線定位系統(tǒng)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10 kHz～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(yù)估方向（即獲得先驗信息），并結(jié)合姿態(tài)傳感器提供的姿態(tài)信息，構(gòu)建動態(tài)波束成形技術(shù)，可有效提高水平和垂直角度估計能力。特殊的換能器技術(shù)和先進的數(shù)字信號處理技術(shù)使得HiPAP102具有精度高、重復(fù)性好、可靠性高等特點。

HiPAP102的聲學(xué)換能器陣采用船底安裝方式，通過垂直升降機構(gòu)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(biāo)定采用4個方位基點和應(yīng)答器上方4個航向角的方案，通過APOS模擬器中的標(biāo)定模塊，可以計算標(biāo)定系數(shù)，完成海上標(biāo)定工作。

圖3 挪威Kongsberg公司的HiPAP102

3.4 英國Sonardyne公司的Ranger 2

英國Sonardyne公司在2005年成功推出了基于寬帶數(shù)字技術(shù)的WideBand全系列超短基線產(chǎn)品，2010年又推出了第二代寬帶數(shù)字技術(shù)的6G全新超短基線產(chǎn)品［12］。在獨立通道資源、測距精度、多途干擾抑制、提高信噪比以及高速數(shù)字通信等方面都取得了很大的提高。其數(shù)字通信速率達到1.5kbps～15kbps，真正實現(xiàn)了聲學(xué)定位和高速數(shù)字通信的無縫銜接。Ranger 2（見圖4）的工作頻帶為14kHz～18kHz，作用距離可達10000 m，定位精度可達0.1%斜距。

Ranger 2集成了Sonardyne公司最初針對深水鉆井應(yīng)用開發(fā)的、獨創(chuàng)的多脈沖堆棧技術(shù)。該技術(shù)使得Ranger 2可以在上一個應(yīng)答信號接收前，向應(yīng)答器發(fā)射多個詢問脈沖。通過多脈沖堆棧技術(shù)，Ranger 2可以在任何水深環(huán)境下獲得高達1s的數(shù)據(jù)更新率。

Ranger 2的聲學(xué)換能器陣采用船底安裝方式，通過垂直升降機構(gòu)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(biāo)定圍繞應(yīng)答器或在固定偏移點操縱船只，采集海底應(yīng)答器距離和船只DGPS位置。Sonardyne公司開發(fā)的CASIUS標(biāo)定軟件使用一個海底應(yīng)答器的距離和船只DGPS位置，通過最小二乘法調(diào)整來確定應(yīng)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(biāo)定工作。

圖4 英國Sonardyne公司的Ranger 2

3.5 美國LinkQuest公司的TrackLink 10000

美國LinkQuest公司自2002年推出其首款淺水超短基線定位系統(tǒng)TrackLink 1500以來，迅速成為最暢銷的超短基線定位系統(tǒng)。近年來開發(fā)的TrackLink 10000系列產(chǎn)品屬于低頻遠程超短基線定位系統(tǒng)?；谄洫毺氐穆晫W(xué)寬帶擴頻技術(shù)（BASS），LinkQuest為用戶提供超遠程深水通信和跟蹤定位解決方案。

TrackLink 10000HA是TrackLink 10000系列中的高精度型號［13］，其工作頻帶為7.5kHz～12.5kHz，作用距離可達11000 m，角度估計精度為0.25°，測距精度為0.4 m，數(shù)字通信速率達到2400 baud。其主要特點包括：得益于現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)和最新DSP處理器的廣泛應(yīng)用，大大降低了用戶費用，其價格較同類產(chǎn)品至少降低40%以上。

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(tǒng)是在該公司S2CR型水聲通信機基礎(chǔ)上研發(fā)的超短基線定位系統(tǒng)。它無需進行定位和通訊模式轉(zhuǎn)換，定位數(shù)據(jù)在聲學(xué)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(tǒng)中相互補充，開創(chuàng)了新的廣泛海底應(yīng)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0.01 m。Evologics公司基于仿生學(xué)研究的擴頻技術(shù)開發(fā)了S2C掃描擴頻載波專利技術(shù)，實現(xiàn)了水下全雙工數(shù)字水聲通信。在低頻段，S2CR 7/17D的數(shù)字通信速率達到了6.9 kbps。此外，S2CR 7/17D系統(tǒng)的耐壓殼體內(nèi)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(shù)據(jù)。

3.7 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

自2001年起，在國家863計劃持續(xù)支持下，哈爾濱工程大學(xué)研制成功了遠程超短基線定位系統(tǒng)，打破了國外技術(shù)長期壟斷的格局。該系統(tǒng)自2012年起正式裝備于我國系列遠洋科考船上，如大洋一號、科學(xué)號、向陽紅09和探索一號等，并已經(jīng)執(zhí)行了多次科考任務(wù)。

4 深海遠程超短基線發(fā)展趨勢

通過對國內(nèi)外典型遠程超短基線定位系統(tǒng)的比較分析，以及參考其他一些系統(tǒng)，可以得出深海遠程超短基線定位系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

4.1 超短基線與長基線相結(jié)合

超短基線定位系統(tǒng)的缺點是定位精度與距離/深度有關(guān)。在深海作業(yè)支持領(lǐng)域，一些作業(yè)需要更精確的定位，這就需要長基線定位系統(tǒng)。長基線定位系統(tǒng)的優(yōu)點是定位精度高，且與深度無關(guān)，缺點是需要投放信標(biāo)陣列，設(shè)備和時間成本高。如果將長基線定系統(tǒng)與超短基線定位系統(tǒng)相結(jié)合，研發(fā)長/超短基線組合定位系統(tǒng)，既可以保證定位精度獨立于工作水深，又兼具超短基線機動靈活的特點，實現(xiàn)對水下載體的連續(xù)高精度導(dǎo)航定位。在這方面，英國Sonardyne公司是先行者，它們已推出LUSBL組合定位系統(tǒng)。

4.2 超短基線與姿態(tài)傳感器一體化

超短基線各測量設(shè)備的分離式安裝導(dǎo)致船載聲學(xué)換能器陣與外圍輔助傳感器之間不可避免地存在安裝偏差。雖然通過海上標(biāo)定試驗可以對偏差進行有效校正，但是隨著時間的推移，又會引入新的偏差，導(dǎo)致定位性能下降。而每次校正都需要選擇合適的海域，并耗費大量的時間、人力、物力。如果將姿態(tài)傳感器與聲學(xué)換能器陣一體化安裝，在實驗室完成標(biāo)定，開發(fā)便攜式、即插即用、免標(biāo)定的超短基線定位系統(tǒng)無疑是未來的發(fā)展趨勢。在這方面，法國iXblue公司是先行者，它們推出的GAPS超短基線定位系統(tǒng)受到廣泛歡迎。

4.3 超短基線與高速數(shù)字水聲通信相結(jié)合

超短基線定位系統(tǒng)可以實現(xiàn)水下目標(biāo)定位跟蹤；數(shù)字水聲通信則是水下無線信息獲取、傳輸和控制的首要技術(shù)手段。大多數(shù)海洋調(diào)查裝備都需要數(shù)字水聲通信進行數(shù)據(jù)傳輸，或者指令交互。如果能夠?qū)⒊袒€和高速數(shù)字水聲通信相結(jié)合，在超短基線上增加通信功能，或者在數(shù)字通信系統(tǒng)上增加定位功能，開發(fā)無需定位和通信模式轉(zhuǎn)換的水下綜合通信定位系統(tǒng)，實現(xiàn)定位數(shù)據(jù)在聲學(xué)通信傳輸時同步解算。在這方面，德國Evologics公司和英國Sonardyne公司是先行者，它們推出的超短基線定位系統(tǒng)都具備高速數(shù)字水聲通信功能。

4.4 更高的定位數(shù)據(jù)更新率

當(dāng)采用聲學(xué)應(yīng)答模式，超短基線通常是在收到上一個應(yīng)答信號后，才能進行下一次詢問。當(dāng)采用同步觸發(fā)模式，只需要單程聲傳播，數(shù)據(jù)更新率可以提高一倍。但是，在深海綜合應(yīng)用中，無論哪種工作模式，其定位數(shù)據(jù)更新率都比較低。如果對定位脈沖進行編碼，超短基線定位系統(tǒng)能夠?qū)κ盏降膽?yīng)答信號進行正確解碼，并確定其對應(yīng)的定位輪次，則可以在上一個應(yīng)答信號接收前，連續(xù)向應(yīng)答器發(fā)射多個詢問脈沖，則可以大大提高超短基線定位系統(tǒng)的定位數(shù)據(jù)更新率。在這方面，英國Sonardyne公司是先行者，它們推出的超短基線在任何水深環(huán)境下都可獲得高達1s的數(shù)據(jù)更新率。

5 結(jié)語

隨著深海開發(fā)技術(shù)的不斷完善，人們所采用的研究手段也越來越多，如載人潛水器、ROV、AUV、水下滑翔機、深拖系統(tǒng)、電視抓斗以及其他探測設(shè)備。水聲定位技術(shù)中的超短基線具有其他導(dǎo)航定位系統(tǒng)所不具備的優(yōu)勢，它能夠為各類探測裝備直接提供絕對位置信息，成為深海探測中必不可少的一種定位手段。

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(tǒng)，但是隨著科學(xué)與技術(shù)的不斷進步，人類對深海水下定位技術(shù)也提出了越來越高的要求。通過對國內(nèi)外典型深海遠程超短基線定位系統(tǒng)的比較分析，并結(jié)合深海調(diào)查的實際需求，可以得出深海遠程超短基線定位系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是：1）超短基線與長基線相結(jié)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(shù)字水聲通信相結(jié)合；4）更高的定位數(shù)據(jù)更新率。