|
深海超短基線定位系統(tǒng)現(xiàn)狀及展望 水聲定位技術(shù)具備穩(wěn)定的高精度定位能力，能夠?yàn)楦黝惿詈Ｌ綔y裝備直接提供絕對位置信息。超短基線定位系統(tǒng)的聲學(xué)換能器陣安裝在船底，便于大范圍機(jī)動作業(yè)，成為現(xiàn)代遠(yuǎn)洋科考船必不可少的水聲定位設(shè)備。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等公司的深海遠(yuǎn)程超短基線定位系統(tǒng)，并以哈爾濱工程大學(xué)遠(yuǎn)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(yuǎn)程超短基線定位系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。 1 引言 潛水器是進(jìn)入深海進(jìn)行科學(xué)研究和調(diào)查作業(yè)必不可少的運(yùn)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(jī)動作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，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So⁃nardyne、美國 LinkQuest 和德國 Evologics 等公司的6款典型深海遠(yuǎn)程超短基線定位系統(tǒng)，并以哈爾濱工程大學(xué)遠(yuǎn)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(yuǎn)程超短基線定位系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。 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(diǎn)，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 深海遠(yuǎn)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。 3 深海遠(yuǎn)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(shí)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(yuǎn)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(yuǎn)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］。POSIDONIA II的最大定位深度可達(dá) 7000 m，最遠(yuǎn)定位斜距可達(dá)8000 m~10000 m。得益于 iXblue 公司強(qiáng)大的技術(shù)基礎(chǔ)和完整的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，POSIDONIA II 最大的特點(diǎn)是組合兼容性強(qiáng)，數(shù)據(jù)融合技術(shù)獨(dú)特。當(dāng)它與該公司的其他導(dǎo)航設(shè)備，如 OCTANS 運(yùn)動傳感器、PHINS 慣導(dǎo)聯(lián)合使用時，性能可達(dá)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。 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(jìn)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(bǔ)償；聲學(xué)換能器陣位置噪聲低于 60dB；應(yīng)答器發(fā)射聲源級達(dá)到191 dB ref @1 m），經(jīng)過完好標(biāo)定的POSIDONIA II定位精度可達(dá)0.2%斜距（60°圓錐角內(nèi)）。 3.2 法國iXblue公司的GAPS 為了避免繁重的海上標(biāo)定試驗(yàn)，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(shí)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(dá)4000 m，定位精度可達(dá)0.2%斜距。 GAPS 換能器陣進(jìn)行了獨(dú)特的 3 維設(shè)計，覆蓋角達(dá)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(jìn)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)。 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 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 10kHz~15.5 kHz，在 HiPAP 系列家族中屬于低頻成員，作用距離可達(dá) 10000 m，定位精度可達(dá) 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(yàn)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(jìn)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(diǎn)。 HiPAP102 的聲學(xué)換能器陣采用船底安裝方式，通過垂直升降機(jī)構(gòu)可以將換能器陣下放至船底2.0m，進(jìn) 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(diǎn)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。 3.4 英國Sonardyne公司的Ranger 2 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(jī)構(gòu)可以將換能器陣下放至船底3.7 m，進(jìn)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(diǎn)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。 3.5 美國LinkQuest公司的TrackLink 10000 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(jī)基礎(chǔ)上研發(fā)的超短基線定位系統(tǒng)。它無需進(jìn)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(jìn)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(bǔ)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(yuǎn)程成員［14］，其工作頻帶為 7kHz~17kHz，作用距離可達(dá)11000 m，角度估計精度為 0.1°，測距精度為 0.01m。Evologics 公司基于仿生學(xué)研究的擴(kuò)頻技術(shù)開發(fā)了S2C掃描擴(kuò)頻載波專利技術(shù)，實(shí)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(dá)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(yùn)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 4.1 超短基線與長基線相結(jié)合 4.2 超短基線與姿態(tài)傳感器一體化 4.3 超短基線與高速數(shù)字水聲通信相結(jié)合 4.4 更高的定位數(shù)據(jù)更新率 5 結(jié)語 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(jìn)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(yuǎn)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(shí)際需求，可以得出深海遠(yuǎn)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。 參考文獻(xiàn)
|
