超短基线水声定位仪不仅广泛应用于水运工程、港口航道保障及海洋工程调查等领域， 在水下救险、海上救援搜寻、沉船打捞等方面也展现出得天独厚的优势。为了准确评价超短基线定 位仪的测量性能，基于研发的多维运行控制机构，该文提出了超短基线水声定位仪斜距测量准确度 的计量校准方法，并分析了校准结果的测量不确定度,论证了校准方法的可行性。结果表明，在 100 m斜距条件下，测量不确定度, 满足测量不确定度合格判定的要求，为超短 基线水声定位仪量值溯源提供了技术保障。

0 引言

      超短基线水声定位仪(以下简称“水声定位 仪”是水运交通研究的基本设备，其工作原理是在水下被定位的目标上安装声信标,水上的船体安装 超短基线基阵,声信标发出声信号，水声定位仪换能 器接收到信号后测算出目标的距离，因为无线 电波在水中的快速衰减使GPS的定位手段无计可 施，声波是目前最有效的水下远距离传播的信息载 体,因而水声定位仪在海洋、水运领域有愈来愈 广泛的用途,例如海洋探测研究与资源开发、海上救援搜寻、沉船打捞、电缆布设等方面都离不开水声定位仪为其提供高精度、高质量的定位资料。然而,由于其使用环境复杂多变,仪器自身性能改变等 因素，往往造成测量结果的失效或缺失，给海洋、水运研究工作带来人力和财力上的巨大损失。在水声 定位仪的实际使用中，由于缺乏专业的计量校准系 统，国内外研究人员只能认可生产厂家“标称”的各项性能指标和探测能力，亦或是只能进行试验比对 或自行校准的方法，缺乏对水声定位仪测量性能的 准确评价。在这种情况下，水声定位仪测量结果的准确与否将对海洋工程及水运工程的建设质量、勘察、设计和模型试验的结果产生较大的影响。 因此，定期采用各种手段对仪器的计量性能、可靠 性、适用性等进行测试和评价就显得尤为重要。

      该文依托天津港的船闸水池，基于设计的多维 运行控制机构提出水声定位仪斜距的计量溯源方 法,将填补水下定位系统计量检测技术空白,为水下定位研究保驾护航。

1 水声定位仪结构组成及工作原理

      水声定位仪主要由水下声学测量设备和水上数据采集处理设备两大部分组成,其中水下声学 测量设备由安装在船体的换能器基阵和安装在水下移动载体的声信标组成，结构示意图如图1所示。声学换能器发射声波信号至声信标，声信标 在收到讯问信号后,发射区别于讯问信号的响应 信号回换能器，响应信号经由通讯电缆传输给甲 板处理单元。

图1水声定位仪结构示意图

2  校准装置及配套设施

选择计量标准器及配套设施应当遵循以下原则：

(1) 水声定位仪有相关计量检定规程和国家标 准时，选择的计量标准器应当满足或优于技术文件 中的要求；

(2) 对于测量结果有较大影响的仪器设备，例 如水声定位仪测量过程中用于声速校正的声速剖面 仪,应进行有效的溯源。

水声定位仪校准系统的设计参数要求如下：

(1)多维运行控制机构该文设计的多维运行控 制机构包括水平移位、升降、回转及转接法兰盘几个 部分，其中水平移位部分随试验行车在导轨上实现 远距离水平运动，运行速度为0.6 m/s；升降部分实 现水声定位仪换能器与声信标在水面垂直方向的精 确位置控制;回转部分实现水声定位仪水平旋转运 动;转接法兰盘用于多维运行控制机构与水声定位 仪的机械连接。多维运行控制机构实物图如图2 所示。

图2多维运行控制机构

(2)声速剖面仪最大允许误差为士0.2 m/s,为 水声定位仪提供标准声速值，实物图如图3所示。

图3声速剖面仪

(3)钢卷尺准确度等级为1级,型号选5 m型, 经检定的钢卷尺用于标定多维运行控制机构行驶轨 道的刻度。

3 校准方法

      使用钢卷尺标定多维运行控制机构轨道刻度, 分辨率为0.01m,距离为0~180 m；通过转接法兰 盘将水声定位仪换能器竖直固定于左侧多维运行控 制机构升降套筒下端,旋转水平杆折叠转轴使水声 定位仪换能器置于水面以下1 m处且离岸不小于 3 m;使用经检定的声速剖面仪测量不同水深点声 速,将标准声速值输入到水声定位仪换能器,修正水声定位仪的声速参量;同水声定位仪换能器一样，将 声信标通过右侧多维运行控制机构置于水面以下 1 m且保持声信标离水池边壁距离与换能器至水池 边壁的距离相同;保持左侧多维运行控制机构位于 轨道零刻度线处,缓慢移动右侧多维运行控制机构, 选择5 m,100 m,150 m作为水声定位仪斜距的校准 点;记录水声定位仪各斜距测得值Z = 10次,取平均值7作为斜距测量值，按式(1)计算斜距示值误差。 水声定位仪斜距校准原理如图4所示。

1-行驶轨道；2-轨道刻度；3-左侧多维运行控制机构；4-右侧多维运行控制机构；5-水池边壁；6-斜距测量值

图4斜距校准原理图

4 校准结果

选用Ranger-2型水声定位仪作为试验样机, 按前述校准方法开展斜距校准试验。图5是换能器 距离声信标5 m处数据采集软件实测效果,校准结果如表1所示。由表1可知,Ranger -2的斜距示值 误差随斜距的增加而增大，各校准点的示值误差均 小于JJG(交通)152—2020(超短线水声定位仪》中 规定的斜距最大允许误差±(0.5+Rx3%),其中R表示斜距测量值。

表1试验样机校准结果

5 测量不确定度评定

对上述试验方法和试验结果开展测量不确定度 评定,以验证该文提出的校准方法是否合理。

5.1数学模型

5.2合成灵敏度系数

5.3计算分量不确定度

(1) 测量重复性引入的标准不确定度

此测量不确定度为被校准设备所引入的测量不 确定度，主要影响因素为测量重复性所引入的测量 不确定度分量。在测量不确定度评价的过程中，采 用标准斜距为100 m时水声定位仪采集的数据，作 为代表性数据开展测量不确定度的评价，重复测量 10次,测量数据见表1。采用测量不确定度的A类 评定方法计算标准不确定度,使用贝塞尔公式计算 标准偏差，计算平均值的测量不确定度。

(2) 钢卷尺测量弓I入的测量不确定度分量

(3) 声速剖面仪引入的标准不确定度

声速是水声定位仪进行几何测量的重要量，在 水声定位仪工作的过程中,应当进行声速修正。采 用测量不确定度的B类评定方法进行评定。

(4) 由安装误差引入的标准不确定度

仪器安装位置误差引入的不确定度分量，来源于水声定位仪换能器的安装偏差,安装偏差由测深钢卷尺引起。测深钢卷尺的最大允许误差为 ±0.5 mm,由此引起的测距不^定度分量划.3 mm。

5.4合成标准不确定度

6结论

      随着水声定位仪的应用日益广泛,其校准需求不断增加，亟需开展相应仪器的计量研究工作。该 文介绍了水声定位仪的结构组成及工作原理，提出 了水声定位仪的校准方法,并选取样机进行了试验 测量，得到被测仪器的斜距示值误差。测量结果与 测量不确定度符合规定指标，验证了该校准方法的 可行性及合理性。

参考文献：

[1]程谦，王英民,诸国磊.多子阵组合的短基线声学定位系 统数据优化方法[J].应用声学,2019,38(4) ：742 -749.

[2] SUN, DAJUN, DING, et al. Angular misalignment calibration method for ultra - short baseline positioning system based on matrix decomposition [ J ]. IET Radar, Sonar & Navigation, 2019, 13(3) ：456 -463. 

[3] 金博楠，徐晓苏，张涛，等.超短基线定位技术及在海洋工 程中的应用[J] •导航定位与授时,2018,5⑷：8-20. 

[4] 杨元喜，徐天河,薛树强•我国海洋大地测量基准与海洋导 航技术®]究赧与展望[口测绘報,2017,46(1) ：1 _& 

[5] TAN H P, DIAMAJNT R, SEAH WKG, et al. A survey of techniques and challenges in underwater localization [J]. Ocean Engineering, 2011, 38(14 -15) : 1663 -1676. 

[6] 杨保国•超短基线系统安装校准技术研究[D].哈尔 滨:哈尔滨工程大学，2013. 

[7] 罗宇，施剑，王熙赢•基于最大似然估计的超短基线定 位方法研究[A]//2019年全国声学大会论文集[C]. 中国声学学会，2019. 

[8] 刘长友•超短基线升降装置设计与研究[D].烟台：烟 台大学,2013. 

[9] 牛清正•超短基线定位系统检测装置设计实现[D].哈 尔滨:哈尔滨工程大学,2017. 

[10] 全国水运专用计量器具计量技术委员会•超短基线水 声定位仪检定规程:JJG(交通)152 -2020 [訂.2020.