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超短基线定位的海上应用及精度评估O 引言 随着海洋科学考察以及资源勘探的发展，水下调查设备的应用越来越广泛且重要。 在水下调查作业中，需要为水下设备进行定位，提供其地理坐标。 其中声学定位是重要且有效的定位方法，主要包含长基线、短基线以及超短基线定位技术。 长基线系统构成组件多，布放较为复杂，定位精度高； 短基线与超短基线基阵尺寸小， 安装较方便，在水下设备定位中具有广泛的应用。 超短基线水声定位系统确定水下目标位置是通过测量信号的到达方位和距离来定位的， 而测向任务是通过测量信号到达接收基阵阵元之间的相位差来实现的，这是超短基线定位系统的关键。 超短基线系统在水下作业过程中，由于背景噪声以及水下目标的运动， 会出现无法跟踪目标， 出现短暂定位失效问题，造成定位数据不连续，不能完整反映水下目标运动轨迹。本文以我国“向阳红1O号”科考船装备的超短基线为例，在介绍超短基线水下声学定位技术的基础上，依据水下目标相对位。置在空间和时间上的分布来识别定位跳点，并采用合理的数据结构与算法，实现对跳点的剔除， 对数据缺失点进行插值，得到可信 的连 续 水 下 声 学定 位数 据 ，基于 该 技 术 还 开 发 了 相 应 的 数 据 处 理 软 件 ， 并 在4 500 m 级 A U V 南海 海试 中得 到 了 良好 的应用 。 由船载部分与水下应答器构成。船载部分包括电子控制单元和换能器基阵， 电子控制单元作为整个系统的控制系统，负责系统的运行； 换能器基阵由一个发射换能器基元和4个接收换能器基元构成，发射基元发射声信号， 接收换能器基元接收来自水下应答器的声信号，当水下应答器在接收到发射基元信号后，会 发射应答信号，基 阵的4个接收基元接收应答信号。 通过计算不同接收换能器基元接收信号的时间差和相位差，获得水下应答器的具体位置。 超短基线基阵系统通常由一个位于中间的发射换能器2组两两相距约50cm的水听器组成，通过测量水下应答器的声信号到达水听器的时间差、 相位差和目标到接收阵之间的斜距进行定位。 其定位原理示意
图 1 超短基线定位原理 超短基线系统通过测量水下应答器到船底换能器基阵的声波传播时间来计算目标的斜距r ，通过测量从目标到达基阵各水听器的声波相位差来计算目标的俯仰角和方位角，从而确定目标相对基阵的相对位置 。 2 超短基线定位系统的校准和精度评估 本文对安装在“向阳红 10 ”号船上的超短基线定位系统进行了校准分析，对采集的原始数据的异常值进行剔除、平滑等处理，对其定位精度进行评估。 最后将位置信息和深度信息融合，转换到大地坐标下，生成目标体高精度的三维定位数据 。 2． 1 校准和精度评估方法 超短基线定位系统在船上安装好以后， 由于安装在船底的超短基线换能器基阵的三维坐标系与船体的三维坐标系不一致，有所偏差， 因此需要通过对基阵的校准来求出基阵坐标系相对于船体坐标系在X 、y 和 z 三个方向上的偏差角， 确保超短基线定位的可靠性 ，提高其定位精度 。 习惯上认为基阵的X轴相对船体的偏差角为艏向偏差角、基阵的y轴相对船体的偏差角为纵摇偏差角、基阵的z轴相对船体的偏差角为横摇偏差角 。 超短基线基阵进行校准前，先在试验海域进行CTD声速剖面测量，给超短基线定位系统提供声速剖面数据； 超短基线基阵的校准地点选择海底较为平坦、水深约1500 1TI左右的区域 。 开始校准时 ，将投放于海底的超短基线声学应答器作为校准应答器，保证罗经信号中艏向偏差角的精度在0. 1。 以内 、纵摇偏差角和横摇偏差角的精度在0.01。以内。 然后通过升降杆将超短基线基阵放至船底以下2m ，在系统调试正常后，为确保工作母船船底声学基阵工作的安全稳定，工作母船在应答器的上方以2～ 3 kn的速度 按照“8”字形的轨迹运动2个周期，第1个周期的数据用于计算船底声学基阵相对于船体坐标系的偏差矩阵，第2个周期的数据用于计算船底声学基阵坐标系相对于船体坐标系在3 个坐标轴方向上每个夹角的偏差。
2015年7月， 选择在南海进行超短基线基阵的校准及精度评估试验，在良好的海况下，取得2组“8 ”字数据 ，列为A、B两组，应答器的定位数据分布情况如图3和图4 所示。 从图中可以看出，第 1 次校准的数据较为分散， 主要分布在200 m × 200 m 的矩形范围内；第2次校准的数据较为集中，主要分布在2Om X2Om的矩形范围内。 数据情况分析如表1所示 ，两组数据的有效数据比例都在80以上，数据质量良好。
图 3声 学应答器校准的第1次定位数据分布图
图 4 声学应答器校准的第2次定位数据分布图
表 1 基阵的校准数据情况分析表 2.3 超短基线定位系统数据处理软件在海上的应用 为方便科考队员在海上进行超短基线数据的快速处理，基于M atlab程序开发了一 款超短基线数据后处理软件，该软件先对声学应答器定位跳点数据进行剔除，然后对剔除后的数据进行平滑滤波， 并可以保存处理后的数据，并成图 。 图5是目标体定位的原始数据，图6是经该软件处理后的数据。
图 5 声学应答器的原始定位数据
图 6 经过软件处理后的数据 从图5和图6的对比中可以看出， 经过软件处理后的数据，跳点明显减少，数据曲线也光滑许多， 提高了超短基线定位数据的处理效率。 3 小 结 超短基线定位系统能方便快速地对水下目标进行定位，经超短基线基阵的海上校准试验，验证了该基阵的测量精度能满足海上设备的水下定位要求，超短基线的数据后处理软件也能实现数据的快速处理。由于受海况、船舶噪声、 GPS 信号、 罗经信号等的影响 ，导致2次校准的差值较大，另可能因基阵安装位置的原因导致纵摇偏差 角也较大，需要后期在基阵维护上注意。目前，数 据后处理软件只能进行简单的处理，未能做进一 步的差值处理、 误差分析以及精度评估等，有待进一 步的改进。 |
