O 引言

      隨著海洋科學考察以及資源勘探的發(fā)展，水下調(diào)查設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛且重要。 在水下調(diào)查作業(yè)中，需要為水下設(shè)備進行定位，提供其地理坐標。 其中聲學定位是重要且有效的定位方法，主要包含長基線、短基線以及超短基線定位技術(shù)。 長基線系統(tǒng)構(gòu)成組件多，布放較為復(fù)雜，定位精度高； 短基線與超短基線基陣尺寸小， 安裝較方便，在水下設(shè)備定位中具有廣泛的應(yīng)用。 超短基線水聲定位系統(tǒng)確定水下目標位置是通過測量信號的到達方位和距離來定位的， 而測向任務(wù)是通過測量信號到達接收基陣陣元之間的相位差來實現(xiàn)的，這是超短基線定位系統(tǒng)的關(guān)鍵。 超短基線系統(tǒng)在水下作業(yè)過程中，由于背景噪聲以及水下目標的運動， 會出現(xiàn)無法跟蹤目標， 出現(xiàn)短暫定位失效問題，造成定位數(shù)據(jù)不連續(xù)，不能完整反映水下目標運動軌跡。本文以我國“向陽紅1O號”科考船裝備的超短基線為例，在介紹超短基線水下聲學定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)水下目標相對位。置在空間和時間上的分布來識別定位跳點，并采用合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法，實現(xiàn)對跳點的剔除， 對數(shù)據(jù)缺失點進行插值，得到可信 的連 續(xù) 水 下 聲 學定 位數(shù) 據(jù) ，基于 該 技 術(shù) 還 開 發(fā) 了 相 應(yīng) 的 數(shù) 據(jù) 處 理 軟 件 ， 并 在4 500 m 級 A U V 南海 海試 中得 到 了 良好 的應(yīng)用 。
1 超短基線水下聲學定位技術(shù)超短基線系統(tǒng) 

      由船載部分與水下應(yīng)答器構(gòu)成。船載部分包括電子控制單元和換能器基陣， 電子控制單元作為整個系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，負責系統(tǒng)的運行； 換能器基陣由一個發(fā)射換能器基元和4個接收換能器基元構(gòu)成，發(fā)射基元發(fā)射聲信號， 接收換能器基元接收來自水下應(yīng)答器的聲信號，當水下應(yīng)答器在接收到發(fā)射基元信號后，會 發(fā)射應(yīng)答信號，基 陣的4個接收基元接收應(yīng)答信號。 通過計算不同接收換能器基元接收信號的時間差和相位差，獲得水下應(yīng)答器的具體位置。

     超短基線基陣系統(tǒng)通常由一個位于中間的發(fā)射換能器2組兩兩相距約50cm的水聽器組成，通過測量水下應(yīng)答器的聲信號到達水聽器的時間差、 相位差和目標到接收陣之間的斜距進行定位。 其定位原理示意

圖 1 超短基線定位原理

超短基線系統(tǒng)通過測量水下應(yīng)答器到船底換能器基陣的聲波傳播時間來計算目標的斜距r ，通過測量從目標到達基陣各水聽器的聲波相位差來計算目標的俯仰角和方位角，從而確定目標相對基陣的相對位置 。

2 超短基線定位系統(tǒng)的校準和精度評估

      本文對安裝在“向陽紅 10 ”號船上的超短基線定位系統(tǒng)進行了校準分析，對采集的原始數(shù)據(jù)的異常值進行剔除、平滑等處理，對其定位精度進行評估。 最后將位置信息和深度信息融合，轉(zhuǎn)換到大地坐標下，生成目標體高精度的三維定位數(shù)據(jù) 。

2． 1 校準和精度評估方法

      超短基線定位系統(tǒng)在船上安裝好以后， 由于安裝在船底的超短基線換能器基陣的三維坐標系與船體的三維坐標系不一致，有所偏差， 因此需要通過對基陣的校準來求出基陣坐標系相對于船體坐標系在X 、y 和 z 三個方向上的偏差角， 確保超短基線定位的可靠性 ，提高其定位精度 。

      習慣上認為基陣的X軸相對船體的偏差角為艏向偏差角、基陣的y軸相對船體的偏差角為縱搖偏差角、基陣的z軸相對船體的偏差角為橫搖偏差角 。

      超短基線基陣進行校準前，先在試驗海域進行CTD聲速剖面測量，給超短基線定位系統(tǒng)提供聲速剖面數(shù)據(jù)； 超短基線基陣的校準地點選擇海底較為平坦、水深約1500 1TI左右的區(qū)域 。 開始校準時 ，將投放于海底的超短基線聲學應(yīng)答器作為校準應(yīng)答器，保證羅經(jīng)信號中艏向偏差角的精度在0. 1。 以內(nèi) 、縱搖偏差角和橫搖偏差角的精度在0.01。以內(nèi)。 然后通過升降桿將超短基線基陣放至船底以下2m ，在系統(tǒng)調(diào)試正常后，為確保工作母船船底聲學基陣工作的安全穩(wěn)定，工作母船在應(yīng)答器的上方以2～ 3 kn的速度 按照“8”字形的軌跡運動2個周期，第1個周期的數(shù)據(jù)用于計算船底聲學基陣相對于船體坐標系的偏差矩陣，第2個周期的數(shù)據(jù)用于計算船底聲學基陣坐標系相對于船體坐標系在3 個坐標軸方向上每個夾角的偏差。

2． 2 校準和精度評估數(shù)據(jù)分析

      2015年7月， 選擇在南海進行超短基線基陣的校準及精度評估試驗，在良好的海況下，取得2組“8 ”字數(shù)據(jù) ，列為A、B兩組，應(yīng)答器的定位數(shù)據(jù)分布情況如圖3和圖4 所示。 從圖中可以看出，第 1 次校準的數(shù)據(jù)較為分散， 主要分布在200 m × 200 m 的矩形范圍內(nèi)；第2次校準的數(shù)據(jù)較為集中，主要分布在2Om X2Om的矩形范圍內(nèi)。 數(shù)據(jù)情況分析如表1所示 ，兩組數(shù)據(jù)的有效數(shù)據(jù)比例都在80以上，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

圖 3聲 學應(yīng)答器校準的第1次定位數(shù)據(jù)分布圖

圖 4 聲學應(yīng)答器校準的第2次定位數(shù)據(jù)分布圖

表 1 基陣的校準數(shù)據(jù)情況分析表

2.3 超短基線定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件在海上的應(yīng)用

      為方便科考隊員在海上進行超短基線數(shù)據(jù)的快速處理，基于M atlab程序開發(fā)了一 款超短基線數(shù)據(jù)后處理軟件，該軟件先對聲學應(yīng)答器定位跳點數(shù)據(jù)進行剔除，然后對剔除后的數(shù)據(jù)進行平滑濾波， 并可以保存處理后的數(shù)據(jù)，并成圖 。 圖5是目標體定位的原始數(shù)據(jù)，圖6是經(jīng)該軟件處理后的數(shù)據(jù)。

圖 5 聲學應(yīng)答器的原始定位數(shù)據(jù)

圖 6 經(jīng)過軟件處理后的數(shù)據(jù)

      從圖5和圖6的對比中可以看出， 經(jīng)過軟件處理后的數(shù)據(jù)，跳點明顯減少，數(shù)據(jù)曲線也光滑許多， 提高了超短基線定位數(shù)據(jù)的處理效率。

3 小 結(jié)

       超短基線定位系統(tǒng)能方便快速地對水下目標進行定位，經(jīng)超短基線基陣的海上校準試驗，驗證了該基陣的測量精度能滿足海上設(shè)備的水下定位要求，超短基線的數(shù)據(jù)后處理軟件也能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理。由于受海況、船舶噪聲、 GPS 信號、 羅經(jīng)信號等的影響 ，導致2次校準的差值較大，另可能因基陣安裝位置的原因?qū)е驴v搖偏差 角也較大，需要后期在基陣維護上注意。目前，數(shù) 據(jù)后處理軟件只能進行簡單的處理，未能做進一 步的差值處理、 誤差分析以及精度評估等，有待進一 步的改進。

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