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單信標水聲定位技術研究現狀及應用展望0 引言 21世紀是海洋世紀，世界強國必然是海洋強國。中國海岸線長達 1.8 萬多千米，擁有油氣、礦產、生物等豐富的海洋資源，同時也面臨著嚴峻的海洋權益挑戰。各類以認識海洋、開發海洋為目的的海洋調查、地質勘測、工程建設及保障項目必然需要導航定位[1]，潛艇、水面艦艇的調遣、作戰航行等軍事活動，也離不開導航定位。然而，由于海水介質對電磁波的強吸收屏蔽效應影響，電磁波水 下 傳 播 距 離 十 分 有 限 ， 全 球 衛 星 導 航 系 統（ global navigation satellite system, GNSS）不再適用于水下導航，聲波成為水下信息傳遞的主要方式，水聲定位技術也成為水下導航定位的重要手段[2]。 傳 統 的 水 聲 定 位 系 統 主 要 包 括 超 短 基 線（ ultra-short baseline, USBL）系統和長基線（ longbaseline, LBL）系統。超短基線定位系統一般基線長度小于 1 m，系統構成簡單、體積小，便于基線布放和回收，但需做大量的校準工作，且定位精度與斜距相關[3]； 長基線定位系統多在海底布設 3 個以上的基點信標，基線長度為 100~6 000 m，其定位精度與深度無關，不需要連接外部設備，定位精度相對較高。由于在 1~10 kHz 的頻率范圍內，淺海的環境噪聲譜級基本上在 40~70 dB 之間，且隨著頻率的降低，環境噪聲隨之增大，1 kHz 以下的環境噪聲達到 70 dB 以上。 目前水聲定位系統工作頻率一般在 10~30 kHz，最大測距距離為 10 km 左右，定位精度不優于 0.15%×D（ D 為作用距離）。隨著海洋研究和開發的發展，未來要實現百萬米級以上遠距離隱蔽水聲導航定位，系統工作頻率需在 1 kHz 以下[4]，傳統的長基線和超短基線水聲定位系統存在結構相對復雜，信標數量要求多，覆蓋區域小，利用效率低等特點，無法滿足長時間遠距離定位需求；而基于單信標測距的定位技術，能簡化定位系統結構，減少信標的標校次數、數量及回收成本，節約母船同步跟蹤能耗， 提高信標節點的利用效率，是水下導航的發展趨勢，也是未來全海域聲學定位發展的一個新的研究方向[5-6]。 1 單信標水聲定位技術概述 根據定位原理的不同， 基于單信標的水聲定位方法主要分為兩大類： 1）基于距離及水下航行器運動速度及姿態等信息，建立定位方程解算目標位置。通過測量航行器在至少 3 個不同位置接收定位報文的時間，獲取不同位置時航行器與信標的距離信息，再聯合航行器運動姿態數據構建定位方程，解算航行器位置。單信標虛擬長基線定位方法即是利用斜距、速度及航向角等信息進行定位的。 2）基于濾波技術對水下載體位置進行跟蹤定位。將水下載體當前狀態量與之前狀態量輸入至設計的濾波器中，預測水下載體當前最優估計量，確保估計量與載體真實位置之間方差最小。 2 單信標虛擬長基線定位方法及研究現狀 根據水聲定位原理，單次距離測量只能得到水下載體所在的球體位置，必須聯合 AUV 等航位或姿態信息進行單信標定位。在單信標水聲定位系統中，初始位置已標定的聲信標被固定在水下或者海底。單信標虛擬長基線定位原理圖如圖 1 所示。
圖 1 單信標虛擬長基線定位原理圖 假設水下布放的單信標 Bs 在大地坐標系下的地理位置為 Xt =[ xt, yt zt ] 水下載體運動從 p1 位置至p4 位置時，其在大地坐標系下的地理位要解算水下載體 p4 位置，對應的聲學測距觀測方程為
式中： d1 、 d2 、 d3 、 d4 為水下載體運動至 p1 、 p2 、p3 、 p4 位置時與聲信標 Bs 的距離； T 為水下載體測距周期， 第 i 個測距周期時水下載體在大地坐標系。
式（2）相當于將水下載體的運動參數轉移給了實際布放的聲信標，從而構建出 3 個虛擬信標B1 、 B2 、 B3 ，此時測距方程與傳統長基線定位物理模型完全相同。理論上，若載體運動測量量沒有誤差， 則單信標虛擬長基線與 LBL 定位精度相同。 若要對水下載體任意位置進行定位解算， 可以利用任意前 i 個測距周期信息，則第 i 個測距周期對應的測距方程可以寫成 根據上述測距方程， 可以得到一組二次非線性方程，采用常規最小二乘法，即可解算得到水下載體的當前位置nX 的最優解[3]。 2.2 虛擬長基線定位技術研究現狀 1）基于純距離測量值組合模式，其運動模型復雜程度及非線性度一般較低。文獻[12]提出，當AUV 運動到不同位置時， 安裝在其底部的水聽器，可接收來自水下聲源周期性發出的信號，從而形成多個虛擬水聽器矩陣。 在每個虛擬 LBL 窗口中，通過頻域加權互相關的方法，獲得從聲源到每個虛擬水聽器的時間差。將 3 個以上虛擬水聽器的時間差轉化為距離值，即可建立類似 LBL 運動方程，迭代計算得到水下機器人當前位置。 3）基于距離+方位測量值組合模式，這類組合模式在水聲慣性組合導航系統使用廣泛。文獻[14]針對慣性導航系統的累積誤差問題，以單信標測距、速度和航向角信息為觀測對象，建立了一種基于間接測量的單信標輔助 AUV 導航模型，并分析得到位置的閉合表達式。 由于信標標定的初始位置、聲學測距、載體姿態角等測量誤差，載體運動速度、測距周期以及虛擬信標分布等都會影響到定位結果，不同位置、不同運動狀態的水下載體定位精度及其分布各異。針對定位誤差模型及影響方面，文獻[15]分析了單信標導航方式中的聲速測量、信標位置、慣性導航系統（ inertial navigation system, INS）以及 AUV接收信號的到達時間（ time of arrival, TOA）等幾類典型誤差；仿真結果表明，信標位置與 TOA 測量誤差的魯棒性較弱，對導航精度影響較大。文獻[16]較系統地分析了聲線彎曲、傳播時延、航行速度、收發異步，對單信標測距誤差的影響，測距誤差與時延估計誤差、載體航行速度成正比，聲信號發射接收異步引起的測距誤差比較大。仿真結果表明，水下載體航行速度為 1 m/s 時，水平定位誤差就達到幾米。文獻[17]通過建立靜基座捷聯式 慣 性 導 航 系 統 （ strapdown inertial navigationsystem, SINS）誤差方程，研究載體姿態角SINS位置誤差的影響；仿真實驗結果表明：在[0, 5°]范圍內，載體航向角對經度誤差漂移的影響最大，其次為橫滾角，俯仰角影響最小。針對定位精度提升方面，文獻[3]建立了單信標 VLBL 定位模型，解決虛擬信標幾何分布不理想情況下位置解算發散問題， 提出聲學雙精度差值最優化的航向角補償方法，并利用穩健卡爾曼濾波（ Kalman filter, KF）克服收發非共點影響；海試試驗驗證了虛擬測距信標的定位方法的可行性和有效性，單信標定位結果與組合導航的偏差為 (18.57 8.24) ± m，定位精度約為 1.4%。文獻[18]海試結果表明，通過廣義差 分 全 球 定位 系 統 （ global positioning system,GPS） （ GPS 的定位精度約 2 m）定位的測量船，采用等效平均聲速法，校準水下單信標位絕對位置，水平位置精度可達到 5 m 以內。文獻[19]分析了 AUV 水下單信標定位系統誤差來源，提出針對噪聲空間基于分布密度進行聚類的算法（ densitybased spatial clustering of applications with noise,DBSCAN）修正信標位置。仿真結果表明，經該算法修正后，信標平均水平定位誤差從 3.662 1 m 減少到 2.101 9 m，減小了 42.6%。文獻[20]對比分析了單信標、雙信標、三信標輔助慣導系統時的性能差異。試驗結果表明，目標水平方初始位置誤差為[10 m,10 m]時，利用單信標距離信息輔助慣導系統之后，定位精度修正在 5 m 以內。文獻[21]提出利用 VLBL 技術輔助 SINS 定位的組合導航方式；仿真實驗表明，在純慣導作用下， AUV 定位誤差均值為 13.344 5 m，利用分層等梯度聲速跟蹤算法、加權互相關算法及周期移動時間窗 VLBL 修正后，定位誤差均值降低為 1.881 4 m。研究表明，信標標定誤差、 TOA 測量誤差以及 AUV 信號發射接收異步對定位誤差影響較大，利用 VLBL 定位技術輔助慣性系統導航，能有效修正位置誤差，提高AUV 水下組合導航定位精度。 3 單信標位置跟蹤定位方法及研究現狀 單信標虛擬長基線定位采用了球面交匯常規解算模式，具有較高的定位精度，但系統更新速率較低、穩定性較差。現代濾波算法及理論較為成熟，選取合適的濾波器進行改進可有效地提升定位精度。 KF 技術可分析 AUV 的運動狀態， 將 AUV運 動 航 向 姿態 數 據 和 聲學 測 距 數 據進 行 信 息 融合，構建載體運動跟蹤模型，更穩定、更高速率地更新定位結果，從而降低了目標運動對定位精度的影響。常規的卡爾曼濾波適用于觀測線性系統；擴展卡爾曼濾波（ extended Kalman filter, EKF）通過泰勒級數展開，同時忽略二階以上的高階非線性項，以實現函數線性化處理。由于 AUV 與單信 標 之間 的位 置 觀測 方程 為 非線 性模 型 ，且AUV 常做勻低速運動，機動性弱， EKF 算法應用最為廣泛。 在單信標水聲定位系統中， 初始位置已標定的聲信標被固定在水下或者海底，水下 AUV 深度可由壓力傳感器精確測得時，定位問題可簡化為平面求解問題[22]。 AUV 平面運動模型如圖 2 所示。
圖 2 AUV 平面運動模型 在使用濾波方法處理信息融合問題時， 先要建立能夠準確反應系統發展規律的數學模型，即目標系統準確的狀態方程和量測方程。考慮洋流速度（假設為常數）影響下，系統狀態方程[23]為
式（4）經離散化得到
給定 AUV 初始位置坐標和估計均方誤差，根據 k 時刻的量測值 Rk ，依據 EKF 計算公式，可推算得到 AUV 的位置估計值。 3.2 位置跟蹤定位研究現狀 單信標位置跟蹤定位方法中， 可采用不同的量測值進行組合建立運動模型，一般包括水下移動節點與信標之間的距離及自身速度信息，即可實現位置跟蹤。文獻[24]基于信標與航行器的距離值、航向角和相對水流速度，設計 EKF 跟蹤預測航行器當前位置及洋流速度。文獻[25]通過 GPS對海面單信標位置進行標定，以斜距和水下移動節點的航位信息作為測量量，建立移動節點運動模型，分析對比了基于 EKF 和粒子濾波的位置估計方法，并試驗驗證了該方法的可行性。文獻[26]中， AUV 需搭載慣性測量單元獲取航位信息，將AUV 航位推算結果與聲波的傳播時間作為輸入，建立包含偏差的 EKF， 實現位置跟蹤。 文獻[27]結合聲線軌跡推導出斜距和傳播時延，提出水下移動節點在異步條件下的被動定位模型，解算出與單信標的相對距離以及自身的航行速度、航向角等參數變量，利用 EKF 算法降低定位過程中的累積位置誤差。文獻[28]分析了不同輔助測量值下系統的可觀性，指出偏航角和距離值二者組合是系統可觀測的最簡量測組合。 4 單信標定位技術分析與應用展望 前文介紹的不論是單信標虛擬長基線， 還是位置跟蹤定位方法，研究學者大多是在聲學范疇內，圍繞系統可觀測性、定位建模、誤差分析及定位精度、組合導航系統中數據融合等內容展開了一系列研究，仿真驗證了單信標水聲定位技術的可行性及算法的有效性；在單信標距離信息輔助慣導定位方面，主要采用擴展卡爾曼濾波算法進行位置跟蹤，取得了一定成果，但開展實驗較少，實驗距離短，且缺乏長航時、大范圍的水下航行器實驗數據支撐，定位精度比 LBL 定位技術約低 1 個數量級。 基于單信標水聲定位的部分關鍵技術仍需進一步在以下 3 個方面進行深入研究： 1）在定位方法上，目前單信標定位技術研究的多是基于固定布放于海底的單信標，未來可以向移動單信標水聲定位或多運動載體協同定位方向拓展。 2）在定位精度上，航行器與信標時間同步、信號傳播時延、聲線彎曲、非共點測距等問題值得深入；信標標定位置、 TOA 測量誤差、信號發射接收異步情況對定位誤差影響較大，信標位置、TOA、 航行速度與運動姿態等多信息聯合跟蹤定位方法也值得進一步研究。 3）在數據融合方法上，可以建立水下載體不同機動狀態的運動模型，研究分析不同運動狀態下系統自適應跟蹤性能。當測量方程的非線性程度較為嚴重時，嘗試運用更多如無跡卡爾曼濾波和粒子濾波等不受非線性影響的濾波方法[29]。 4.2 單信標定位技術應用展望 1）單信標定位與水下授時技術協同發展。在單信標水聲定位系統中，常假定信標與 AUV 時間同步，但 TOA 測量誤差是影響定位精度的主要因素。水聲信號傳播速度低，時間延遲大，國內水下授時相關技術能達到的精度約為亞毫秒級，與衛星授時精度更是相差約 6~7 個數量級，水下授時能力嚴重不足。要建立重點海域甚至是全球海域統一的時空基準，高精度的單信標授時技術必然是水下 PNT 體系重要支撐。鑒于水下測距精度與時間精度二者息息相關，聯合開展水下單信標定位與水下授時技術研究，對于提升單信標定位精度，實現水下 PNT 體系建設具有現實意義。 2）單信標定位與超短基線定位系統一體設計。隨著深海勘探任務從錳、鈷結核發展到尋找熱液等，深海作業領域需要更為精確的定位結果，長基線定位系統精度高，但信標陣列投放和回收成本高，使用單信標定位能有效減少作業成本。基于單信標與超短基線的組合定位系統，定位精度即獨立于工作水深，又兼具超短基線機動靈活的特點，可以對水下載體實現遠近不同區域連續高精度導航定位[37]。英國聲吶達因（ Sonardyne）公司推出的組合定位系統 AvTrak 6 Nano，將 LBL 和 USBL 技術組合在一起，利用海底應答器陣列為 AUV 提供高精度參考位置， 并通過 USBL 技術進行水面跟蹤，系統工作深度達 7 000 m， 測距精度優于 15 mm[38]。 單信標水聲定位技術集成慣導， 可作為遠程引導測量的一種重要手段，提升慣導定位性能。如法國愛科斯布魯（ iXblue）公司推出的 RAMSES 型長基線定位系統，能夠與慣性導航系統和 DVL 組合使用，在 1 個應答器的情況下，將聲波距離與慣導導航方程融合，得到 LBL 的稀疏位置，作用距離可達 4 000 m，定位精度可達分米級別[41]。 4）單信標定位系統與海洋傳感器模塊集成。各類海洋環境要素是人類認識海洋、開發海洋必不可少的重要數據源，海洋傳感器在長期的觀測中，傳感器穩定性、漂移、準確度以及采集的數據信息，需要利用水下通信手段進行傳遞。單信標水聲定位系統與傳感器集成化、一體化設計，可以有效提高系統使用便捷性及作業效率。挪威康斯博格（ Kongsberg）集團推出的 cNODE 系列聲學應答器，頂端是收發換能器，并可以根據實際需求選擇壓力、聲速、溫度、傾角等傳感器模塊靈活裝配 [42]。 5 結束語 班寧產品匯總 |
