基于四陣元基站的水下航行器自定位方法

翟京生，王曉健，錢治文，孫萬忠，李?杰

基于四陣元基站的水下航行器自定位方法

翟京生1, 2，王曉健1, 2，錢治文1, 2，孫萬忠1, 2，李?杰1, 2

(1. 天津大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300072；2. 自然資源部海洋觀測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

隨著智慧海洋理念的普及和人工智能技術(shù)的發(fā)展，自主水下機(jī)器人、水下滑翔機(jī)等水下航行器在海洋科學(xué)調(diào)查、資源勘測和信息獲取方面取得了重大進(jìn)展，為了滿足小型低成本水下航行器智能感知、自主作業(yè)的實(shí)際需求，同時降低其自主定位成本，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種基于海底四陣元基陣的自定位方法．首先，針對水聲信道的復(fù)雜性，設(shè)計了具有時頻特征明顯、高峰值功率的聲學(xué)頻率梳信號作為傳輸信號，仿真實(shí)驗(yàn)證明該信號具有可靠的穩(wěn)定性和抗噪性；其次，結(jié)合倒置的超短基線定位原理，設(shè)計了布放在已知參考點(diǎn)的四陣元基站，各陣元發(fā)出相互正交的聲頻梳信號，水下航行器在基陣聲學(xué)作用范圍內(nèi)接收各個陣元混疊的聲學(xué)頻率梳信號，利用匹配濾波法對各信號單程飛行時間進(jìn)行粗測；最后，針對聲學(xué)頻率梳的時域和頻域特性，推導(dǎo)了接收信號與飛行時間的關(guān)系，利用相關(guān)分析法對各信號單程飛行時間進(jìn)行精測，進(jìn)而獲取航行器與基站坐標(biāo)軸陣元的測距和測向結(jié)果，結(jié)合倒置的超短基線定位方法，實(shí)現(xiàn)航行器的位置實(shí)時解算．水下實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本方法復(fù)用率高、可操作性強(qiáng)，水下航行器只需攜帶單個接收信標(biāo)即可完成定位計算，進(jìn)一步降低了成本和系統(tǒng)復(fù)雜度．同時，也證明了聲頻梳信號的高可靠性，可在水下航行器端實(shí)現(xiàn)較高的自定位精度．

四陣元基站；水下航行器；倒置超短基線；自定位；聲學(xué)頻率梳

海洋中蘊(yùn)含著大量的礦產(chǎn)、生物、空間等資源.無論是海洋資源開發(fā)、海洋科學(xué)認(rèn)知還是海洋權(quán)益維護(hù)，都離不開水下航行器的參與[1]．精準(zhǔn)的定位系統(tǒng)是水下航行器完成這些任務(wù)的先決條件．

由于水介質(zhì)對無線電波具有強(qiáng)烈的吸收效應(yīng)，因此以衛(wèi)星導(dǎo)航為代表的無線電定位系統(tǒng)對大多數(shù)水下作業(yè)都不適用[2]．目前，常見的水下定位技術(shù)主要包括慣性導(dǎo)航技術(shù)、地球物理場導(dǎo)航技術(shù)以及水下聲學(xué)定位技術(shù)[3]．其中，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輔以多普勒測速儀可為大多數(shù)商用航行器提供定位[4]，但其定位誤差會隨時間累積，必須定期進(jìn)行位置校正；地球物理場導(dǎo)航通過匹配地形、地磁、重力場等特征確定當(dāng)前位置，有效提高了水下航行器的隱蔽性，前提是需要獲取地球物理場的先驗(yàn)信息，該信息易受到環(huán)境變化的影響[5]．聲波是獲取水下信息最有效的傳播載體，使用廉價的水聽器及其陣列是實(shí)現(xiàn)水下聲學(xué)定位的有效方式．

水聲定位根據(jù)基線長度分為長基線系統(tǒng)(long baseline positioning，LBL)、短基線系統(tǒng)(short baseline positioning，SBL)和超短基線系統(tǒng)(ultrashort baseline positioning，USBL)[6]．航行器通過長基線可以得到最精確的定位結(jié)果，但其需要獲取3個以上布放在海底且相距較遠(yuǎn)信標(biāo)的聲學(xué)信息，操作復(fù)雜且成本高昂．傳統(tǒng)的短基線和超短基線將水聲陣列布放到航行器上，很大程度上降低了定位成本，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[7]，但為每個航行器配備超短基線系統(tǒng)顯然不能滿足低成本的智能定位與組網(wǎng)的要求．

Vickery[8]提出水聲定位系統(tǒng)的發(fā)展趨勢將是傳統(tǒng)系統(tǒng)的倒置，并首次提出倒置超短基線的概念，使得信噪比得到一定改善進(jìn)而允許更長的聲學(xué)跟蹤范圍．Jakuba等[9]對基于單向傳播時間的倒置超短基線系統(tǒng)進(jìn)行了可行性分析，結(jié)果表明使用該系統(tǒng)的深海滑翔機(jī)可以獲取更多的近底數(shù)據(jù)和更好的定位精度．Fischell等[10]首次實(shí)現(xiàn)了上述系統(tǒng)，證明了倒置超短基線的有效性，并進(jìn)一步對該系統(tǒng)精度進(jìn)行了評估，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以為微型低成本水下機(jī)器人提供高精度低功耗的導(dǎo)航解決方案．Sun等[11]基于主從式無人水下機(jī)器人集群提出了一種基于倒置超短基線的定位系統(tǒng)，降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，同時具有更多的用戶容量以及更廣的工作范疇．

為進(jìn)一步滿足低成本水下航行器的定位需求，本文基于海底多元基陣，實(shí)現(xiàn)了一種新的倒置超短基線自定位方法，該方法允許水下航行器攜帶較少的聲學(xué)設(shè)備，在低功耗、低成本的前提下實(shí)現(xiàn)自主定位．在海底多元基陣的信號覆蓋范圍內(nèi)，水下航行器利用匹配濾波器檢測所接收的信號中來自各陣元廣播的混疊信號，得到各個陣元信號的飛行時間信息以實(shí)現(xiàn)距離粗測；然后，利用設(shè)計的廣播信號特性和相關(guān)分析法在一個脈沖相關(guān)周期內(nèi)對距離進(jìn)行精測；最后，結(jié)合倒置超短基線定位原理，實(shí)現(xiàn)水下航行器自主定位功能．

為進(jìn)一步提高聲學(xué)定位系統(tǒng)的精度，本文設(shè)計了高度可檢測的聲學(xué)脈沖信號．借鑒飛秒光學(xué)的研究成果，諾貝爾獎獲得者Hall[12]和H?nsch[13]發(fā)明了一種具有脈沖寬度窄、峰值功率高、重復(fù)頻率穩(wěn)定等特點(diǎn)的光學(xué)頻率梳信號，被廣泛應(yīng)用于與絕對距離測量相關(guān)的衛(wèi)星編隊飛行、行星空間定位、深空探測等領(lǐng)域[14]．在前期工作中，本團(tuán)隊類比光頻梳，首次在水下產(chǎn)生了穩(wěn)定的聲頻梳信號，并在水下距離測量中達(dá)到了微米級別的性能[15]，實(shí)現(xiàn)了高精度水下測距實(shí)驗(yàn)．在此基礎(chǔ)上，本文為每個陣元設(shè)計了具有獨(dú)特時頻特性且相互正交的聲學(xué)頻率梳信號，并首次將其運(yùn)用到水下定位領(lǐng)域．大量仿真結(jié)果表明多路聲頻梳信號的頻率穩(wěn)定性和高抗噪性，水池實(shí)驗(yàn)表明本方法利用高可檢測性的多路聲頻梳信號能夠?qū)崿F(xiàn)對水下航行器位置的高精度自主估計．

1?基于海底四元基陣的定位原理

本節(jié)介紹基于海底四元基陣的水下航行器自定位原理，圖1所示為該系統(tǒng)示意圖．假設(shè)四元基陣布放在已知位置(可通過水面聲學(xué)定位或慣導(dǎo)實(shí)現(xiàn))[16]，每個陣元周期性發(fā)射各自特征的聲頻梳廣播信號，水下航行器與基陣時間同步，并使用單個水聽器捕獲4路混疊廣播信號，通過匹配濾波得到各信號的單程飛行時間，利用聲頻梳特性獲得指向基陣的方位角，進(jìn)而解算與基陣的相對位置，通過超短基線定位原理和基陣絕對位置，可得到航行器自身的絕對位置，實(shí)現(xiàn)實(shí)時自定位功能．

圖1?海底四元基陣定位系統(tǒng)

1.1?系統(tǒng)硬件組成

1.1.1?四元基陣部分

如圖2所示，海底多元基陣包括電源部分、工控機(jī)部分和信號發(fā)射部分．工控機(jī)每秒控制4聲卡發(fā)射預(yù)先存儲的聲頻梳信號，經(jīng)放大電路后由4個WBT45換能器發(fā)出．

圖2?海底四元基陣部分硬件組成

1.1.2?水下航行器部分

水下航行器配置單個水聽器，在到達(dá)基陣工作范圍后接收信號，并傳輸至工控機(jī)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其硬件組成如圖3所示．

1.2?聲頻梳信號設(shè)計

光頻梳是一種特殊的飛秒激光光源(即脈沖寬度為飛秒量級)，在時間域?yàn)槊}沖信號，在頻率域?yàn)榈阮l率間隔分布的光頻率梳齒，在其他物理量的精密測量中有著重要應(yīng)用．在前期工作中，筆者類比光頻梳，描述了一種基于水聲換能器的聲頻梳的產(chǎn)生方法，可生成完全穩(wěn)定的聲頻梳信號[15]，在寬頻段內(nèi)各個頻率成分可精確鎖定到參考頻率上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高峰值功率的時域信號．且其參數(shù)(脈沖重復(fù)頻率和偏差頻率)可靈活調(diào)整，方便實(shí)現(xiàn)正交信號設(shè)計．

圖3?水下航行器自定位部分硬件組成

在此基礎(chǔ)上，本自定位系統(tǒng)產(chǎn)生了4路正交的聲頻梳信號作為海底四元基陣的廣播信號，以提高脈沖信號的信噪比和系統(tǒng)的定位精度．這里，每路聲頻梳信號為一組聲信號的相干和，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

筆者使用杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所研發(fā)的WBT45換能器，它的工作頻率范圍為30～60kHz，選取4段帶寬相同且互不重疊的頻率帶，分別設(shè)置rep[i]和ceo[i]，為了保證廣播信號的正交性，4路聲頻梳信號的重復(fù)頻率要互異，保證其在頻率特性的高檢測性．

圖4　　頻帶為30～32kHz、frep為5Hz、fceo為30kHz、φ0為0時的聲頻梳信號

按照表1所示參數(shù)，產(chǎn)生4路正交的聲頻梳信號并將其存儲在多元基陣的工控機(jī)，定期廣播．

表1?4路正交聲頻梳信號參數(shù)

Tab.1　　Quadruple orthogonal acoustic frequency comb signal parameters

1.3?匹配濾波

式中s為水下航行器的ADC采樣頻率．

1.4?相關(guān)分析法

類比光頻梳基于時間飛行法和相關(guān)分析法的測量原理[17]，提出聲頻梳的高分辨率絕對距離測量方法．由式(4)可以得到4路聲頻梳的飛行時間，可對基陣各陣元到水下航行器的距離進(jìn)行粗測，再利用相關(guān)分析法在一個聲頻梳脈沖周期內(nèi)進(jìn)行距離精測．

海底多元基陣周期性廣播如式(1)所表示的聲頻梳信號，則其到達(dá)水下航行器接收端時可以表達(dá)為

1.5?定位方法

式中

式中：和分別表示航行器接收到的來自x軸上兩陣元的應(yīng)答信號的時間差以及來自y軸上兩陣元的應(yīng)答信號的時間差；2d為同軸陣元的間距．

水下航行器接收信號過程中具有系統(tǒng)時延，會影響飛行時間測量．因此在系統(tǒng)定位作業(yè)前使水聽器與海底基陣端換能器緊挨，記錄接收時延，將其用于后續(xù)的定位解算過程來消除系統(tǒng)誤差．

1.6?聲頻梳信號仿真分析

水下噪聲環(huán)境復(fù)雜，會對時延估計產(chǎn)生影響從而導(dǎo)致定位誤差，需研究聲頻梳信號的抗噪性．取圖4中信號為參考信號，為其添加固定時延以及不同信噪比的噪聲作為接收信號，分別與參考信號做匹配濾波，得到時延估計，圖6給出不同信噪比下做1000次蒙特卡洛仿真后的時延估計結(jié)果．可看出，信噪比越高時延估計誤差越小，精度越高，在信噪比大于?-24dB時，聲頻梳信號的時延估計誤差小于3μs，可以認(rèn)為其有很可靠的時延估計結(jié)果，說明聲頻梳信號具有極好的抗噪性和高檢測性．

圖6　　不同信噪比下聲頻梳信號時延估計誤差仿真結(jié)果

2?實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

為了驗(yàn)證基于聲頻梳信號的多元基陣水下航行器自定位方法，筆者在國家海洋技術(shù)中心實(shí)驗(yàn)水池搭建了圖7所示的實(shí)驗(yàn)平臺，平臺主要包括周期性發(fā)射聲頻梳信號的多元基陣和同步接收信號的水下航行器單個水聽器．多元基陣使用第1.1.1節(jié)介紹的硬件設(shè)備；水聽器(B&K 8104)將接收到的水聲信號轉(zhuǎn)換為電信號經(jīng)放大(B&K 2692)和濾波后，傳輸至示波器、頻譜儀和處理器來進(jìn)行信號的分析和解算；利用一個銣原子鐘(Microsemi 8040C)實(shí)現(xiàn)聲頻梳的頻率參考以及收發(fā)兩端的時間同步．

實(shí)驗(yàn)時，發(fā)射單元的多元基陣和接收單元的水聽器分別布放在消聲水池的水下7m和4m處，且處在基陣軸正上方，與基陣原點(diǎn)的水平距離為7m，基陣陣元間隔2為40cm，水聽器接收端采樣率s設(shè)為500kHz．

在定位實(shí)驗(yàn)過程中，多元基陣每個陣元周期性地廣播聲頻梳信號，各聲頻梳信號的信息由表1給出，參數(shù)不同且相互正交；水聽器端與基陣端保持同步，基陣每發(fā)射一次信號都同步觸發(fā)水聽器端的一次信號采集，水聽器將采集到的信號傳輸至處理器，處理器根據(jù)上述定位原理對聲信號進(jìn)行處理完成一次定位解算．

圖7?實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖8(a)和圖8(b)為一次定位過程中的多元基陣發(fā)射信號和水聽器接收信號在時域上的對比圖，發(fā)射端的4路聲頻梳組成一個混疊信號，用不同顏色區(qū)分；接收信號包含了4路聲頻梳以及水下噪聲，其頻譜如圖8(c)所示．

聲頻梳經(jīng)過傳輸?shù)竭_(dá)接收端后，4路聲頻梳信號的相位發(fā)生變化，其相頻特性如圖9(a)所示，可見在4路聲頻梳的頻率范圍內(nèi)相位呈規(guī)律性變化，平移相位角后得到圖9(b)，發(fā)現(xiàn)頻率和相位呈線性相關(guān)，符合前期對聲頻梳信號相關(guān)分析的結(jié)果，可以利用相位與頻率之比完成基于聲頻梳的定位解算．

（a）發(fā)射信號結(jié)構(gòu)（b）接收信號結(jié)構(gòu)（c）接收信號頻譜

（a）接收信號在4路聲頻梳的頻率范圍內(nèi)的相頻圖（b）接收信號平移相位角后的相頻圖

對接收信號進(jìn)行參數(shù)(時域、頻域、相位)分析初步驗(yàn)證聲頻梳信號的性能后，將水聽器端的接收信號依次與原4路聲頻梳信號進(jìn)行匹配濾波，圖10給出了匹配濾波結(jié)果，可以看到4路信號的濾波結(jié)果分布特征明顯，都可以快速找到峰值點(diǎn)，即時間偏移量，進(jìn)而粗測各信號的飛行時間，濾波結(jié)果分布特征明顯也說明聲頻梳信號與水聲噪聲的相關(guān)性很小，具有很好的可檢測性能．

圖10　　接收信號與4路聲頻梳信號匹配濾波的結(jié)果

表2?定位誤差統(tǒng)計結(jié)果

Tab.2?Statistical results of the positioning errors

通過上述統(tǒng)計結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放大倍數(shù)越高即信號功率變大信噪比增強(qiáng)的時候，定位誤差越小，且與傳統(tǒng)的匹配濾波時延估計法相比，聲頻梳信號的相關(guān)分析可以很大程度上提升定位精度，聲頻梳信號在水下定位上體現(xiàn)出了良好的工作性能．

圖11?系統(tǒng)定位誤差與定位距離的關(guān)系

3?結(jié)?語

水下航行器在水文信息收集、海底資源開發(fā)、水下防御等方面起到重要作用，為了滿足水下航行器低成本、智能化自主定位的需求，本文提出了一種基于海底四元基陣的水下航行器自主定位方法．在該系統(tǒng)中，水下基陣各陣元周期性地廣播具有明顯時頻特征和高抗噪性的聲頻梳脈沖信號；然后，水下航行器接收、分解4路混疊信號，并利用匹配濾波和相關(guān)分析法提取各路信號的時延信息；最后，結(jié)合超短基線定位原理，進(jìn)行水下航行器單水聽器配置下的低成本定位解算．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明聲頻梳信號能進(jìn)一步提高水下定位精度．在實(shí)際工程使用時可以根據(jù)定位需求沿航線部署少量的四元基陣，既可以提高有效定位距離，還可以獲取冗余信息以減小定位誤差．今后，可在不改變聲頻梳信號的時頻特性的情況下，在廣播信號中加入編碼信息，為實(shí)現(xiàn)水下通信-定位一體化設(shè)計提供新思路．

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Self-Positioning Method for Underwater Vehicles Based on Subsea Four-Element Array

Zhai Jingsheng1, 2，Wang Xiaojian1, 2，Qian Zhiwen1, 2，Sun Wanzhong1, 2，Li Jie1, 2

(1. School of Marine Science and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Laboratory of Ocean Observation Technology，Ministry of Nature Resources，Tianjin 300072，China)

With the advancement of smart ocean technologies and artificial intelligence，underwater vehicles (UVs)，such as gliders，have made remarkable progress in marine scientific investigation，resource survey and information acquisition. To meet the needs for intelligent sensing of small and low-cost UVs and reduce positioning costs，this study implemented a self-positioning method based on a subsea four-element array. An acoustic frequency comb(AFC)with unique time-frequency characteristics and high peak power as the transmission signal was designed for the complexity of a hydroacoustic channel. The simulation results proved that AFC has reliable stability and noise immunity. Next，Combined with the principle of inverted ultra-short baseline positioning，an array placed at a reference point was developed，with elements emitting orthogonal AFCs. UVs received signals within the operating range of the array and utilized matched filtering to obtain an approximate measurement of the one-way flight time(OWFT)for each AFC. Finally，the relationship between the received signal and the OWFT for the time-frequency characteristics of each AFC was determined，correlation analysis was utilized to accurately measure the OWFT，then the range and direction measurements with each beacon element were obtained，and positioning was determined based on the principle of inverted ultrashort baseline. The results of underwater experiments showed that this method is reusable and operable，and UVs only need a single receiving beacon to complete localization，which reduces the cost and system complexity. Thus，this study shows the reliability of AFC，which can achieve high self-positioning accuracy on the UV side.

four-element array；underwater vehicle；inverted ultrashort baseline；self-positioning；acoustic frequency comb

10.11784/tdxbz202112015

TB56

A

0493-2137(2023)03-0252-08

2021-12-10；

2022-03-04.

翟京生（1959—??），男，博士，教授，jingsheng@tju.edu.cn.

錢治文，zhiwenqian@tju.edu.cn.

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2016YFC1401203)；國家自然科學(xué)基金資助項目(42006168，11404079).

Supported by the National Key Basic Research Program of China(No. 2016YFC1401203)，the National Natural Science Foundation of China (No.42006168，No. 11404079).

(責(zé)任編輯：王曉燕)