超短基線定位系統(tǒng)應(yīng)用及其誤差分析

楊正請 高陽 劉振宇

摘要：聲學(xué)定位系統(tǒng)技術(shù)的研究和應(yīng)用開發(fā)在現(xiàn)代海洋科學(xué)調(diào)查中起著重要作用。本文以超短基線定位系統(tǒng)為例，討論了超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)的原理、應(yīng)用范圍、定位誤差；通過最大程度地減少誤差來提高系統(tǒng)的定位精度，從而獲取高質(zhì)量的海洋科研調(diào)查資料。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)定位系統(tǒng)；超短基線；誤差

1 引言

水下聲學(xué)定位技術(shù)是隨著聲納的發(fā)明開始出現(xiàn)的。聲波在水中能夠傳播幾百公里而沒有明顯的損失，因此水下主要采用聲學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行定位和導(dǎo)航。聲學(xué)定位是海洋科學(xué)考察、海洋資源勘探、海洋資源開發(fā)等工程的必備手段，它能夠提供海底勘查設(shè)備如ROV的定位和導(dǎo)航。從20世紀(jì)70年代開始，國際上逐漸形成了超短基線定位系統(tǒng)（USBL/SSBL）、短基線定位系統(tǒng)（SBL）和長基線定位系統(tǒng)（LBL）。

定位系統(tǒng)由聲學(xué)測量設(shè)備和數(shù)據(jù)采集與處理設(shè)備兩大部分組成。聲學(xué)測量設(shè)備由水下拖體的聲學(xué)應(yīng)答器和安裝在船體水下的換能器及聲學(xué)信號處理機(jī)所組成，以設(shè)定的時間間隔連續(xù)測量目標(biāo)的相對方位和距離，數(shù)據(jù)處理設(shè)備實(shí)時完成數(shù)據(jù)采集和定位坐標(biāo)計算。聲學(xué)設(shè)備的換能器發(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，經(jīng)測量設(shè)備的軟件處理后得到水下目標(biāo)的相對方位和距離。這些測量數(shù)據(jù)經(jīng)由通訊電纜傳輸給數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備，做進(jìn)一步加工處理和計算，最后得到目標(biāo)的大地坐標(biāo)數(shù)據(jù)或相對位置數(shù)據(jù)。

2超短基線定位系統(tǒng)原理及誤差分析

基于基線的水下定位系統(tǒng)主要是通過基線構(gòu)成一個相對的測量參考基準(zhǔn)，在此參考基準(zhǔn)下，測量各個水聲信號傳播的延遲或延遲差，依據(jù)聲音信號在水中的傳播速度，間接測量聲源到達(dá)基線水聽器的距離或者距離差。

2.1超短基線定位誤差

超短基線定位系統(tǒng)由聲基陣、聲標(biāo)、主控系統(tǒng)和外部設(shè)備等組成。聲基陣一般由兩對相互正交的水聽器和一個發(fā)射換能器組成，基陣孔徑為幾厘米至幾十厘米，置于船底或船舷；聲標(biāo)內(nèi)置電源、收發(fā)電路、換能器和壓力傳感器等，通過測定與聲基陣不同水聽器之間的距離和聲脈沖到達(dá)的相位差來確定聲標(biāo)相對于聲基陣的位置；外部設(shè)備主要包括高精度航向、縱橫搖改正的運(yùn)動傳感器（MRU）和聲速剖面測量儀等。

圖1 超短極限定位原理

如圖A、B、C、D為四個相互垂直分布的水聽器，M為目標(biāo)發(fā)射聲源。在AMC平面中，由于AC之間的距離d很小，聲源M到基線陣的距離L >>d，則可以近似將聲源信號看成平面波信號，即到達(dá)兩點(diǎn)的聲線近似平行。設(shè)M點(diǎn)發(fā)射的聲信號到達(dá)A點(diǎn)和C點(diǎn)的入射角為β，則聲信號到達(dá)A點(diǎn)和C點(diǎn)時存在行程差ΔR，它與聲脈沖信號入射角β之間存在下列關(guān)系：

水聽器A、C存在相位差：

同理，對另外一組與A、C垂直的水聽器B、D則：

在超短基線陣所構(gòu)成的坐標(biāo)系中

對上式分別求微分得：

由于該方法中包含了距離比例因子D/L，定位精度將隨著聲源距離的變化而變化，當(dāng)距離增大，定位精度顯著惡化，當(dāng)測相存在誤差時，坐標(biāo)的誤差將以距離相關(guān)的系數(shù)變化，所以超短基線只適合短距離的定位。

2.2 船只姿態(tài)對測量影響

船只航行時航行軌跡的瞬間變化是與氣候和海況好壞有著直接關(guān)系，超短基線定位計算的瞬間起算大地坐標(biāo)是通過GPS提供的，換能器安裝在搖擺不定的調(diào)查船上，隨著船只擺幅的大小變化，定位航跡與實(shí)際航跡并不完全一致。如不考慮GPS自身定位誤差的影響，依其接收天線安裝高度，船只姿態(tài)對GPS的影響亦是不可忽視的因素，所以，這樣的瞬間位置變化直接傳遞給超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)確定計算拖體位置的大地坐標(biāo)，顯然有較大的誤差影響。因此，平滑航行軌跡和瞬間位置改正計算是完全必要的。一般來說，數(shù)據(jù)平滑適合于平直測線，瞬間位置改正計算才是比較理想的，但需要在船上安裝姿態(tài)運(yùn)動垂直參考傳感器，如MRU，TSS等設(shè)備，用來測定船只瞬間橫搖，縱搖和起伏值的變化，由計算機(jī)進(jìn)行修正，以將誤差減少到最小并求得準(zhǔn)確位置。

圖2 船體搖擺引起的定位誤差

船縱傾角為A，橫搖角為B，GPS天線至水平面高度為R， 和 為船只姿態(tài)的待改正坐標(biāo)，即以船艏向?yàn)樽鴺?biāo)軸的修正量 ， 為：

計算時可先求得以船艏向?yàn)樽鴺?biāo)軸的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo) ， 量 ， 其計算式為：

超短基線系統(tǒng)的測量誤差包括超短基線基陣測距誤差、超短基線基陣姿態(tài)測量誤差、測角誤差、測距交會求解造成的誤差、超短基線基陣陣元的相位差引起的誤差、聲傳播引起的誤差、聲學(xué)噪聲引起的誤差、超短基線基陣和應(yīng)答器安裝引起的誤差、校準(zhǔn)誤差、水下工作環(huán)境引起的誤差、載體運(yùn)動速度變化引起的誤差、超短基線數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)融合是的誤差等。

其中， 為超短基線系統(tǒng)的總誤差， 為水平角測量誤差， 為仰角測量誤差， 為姿態(tài)傳感器測角誤差， 為系統(tǒng)測距誤差，R為測量斜距。

3小結(jié)

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)查中起著重要作用。本文以超短短基線定位系統(tǒng)為例討論了超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)的原理、應(yīng)用范圍、超短基線定位誤差，過最大程度地降低減少誤差，高系統(tǒng)的定位精度，而獲取高質(zhì)量海洋科研調(diào)查成果。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：楊正清（1987-），男，山西晉中人，工程師，從事海洋測繪技術(shù)研究工作。

（作者單位：1.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計院；

2.青島光電工程技術(shù)研究院

3.天津市水運(yùn)工程測繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）