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基于长基线交汇的超短基线对水下运动目标定位技术研究水下运动目标位置是海洋调查、工程探测、海上实验等科研活动的重要参数，特别是在海上靶场的装备试验中，需要实时精确地获得水下运动目标的位置信息。水声定位技术是获得这一信息的有效手段，近年来，水声定位技术不断发展，水声定位系统也由传统的长基线系统 （Long Baseline System，LBL）、短基线系统 （Short Baseline System，SBL）、超短基线系统 （Ultra-short Baseline System，USBL）向声学多基线组合与惯导、GPS（Global PositioningSystem） 等联合定位的模式转变。相关研究表明[1-4]，长基线具有基线长、定位精度高的特点，但是长基线定位是以精确时延进行测量，对由于目标运动使得同步信标需要高帧率发射所带来的抗距离模糊解算能力不强；超短基线定位系统则是由多元声基阵与声信标组成，通过测量距离和方位定位，其优点是尺寸小、使用方便，其方位参量的测量不受距离模糊的影响，缺点是跟踪数据不连续，无法连续跟踪水下目标的运动轨迹，且其定位精度受到载体安装形变误差、位姿组件测量误差和声速误差等因素影响，每次安装后需进行校准，系统定位精度不高，仅适用于大范围作业区域跟踪 [5]。鉴于此，本文提出一种采用浮标方式基于长基线交汇的超短基线定位技术实现对水下低速运动目标的高精度定位测量。 1 系统组成及关键技术 1.1 系统组成 1.2 系统关键技术 为满足对水下运动目标的连续定位，同时也为了克服船载超短基线定位使用上的不足，系统采用了浮标方式，浮标采用了高浮力低重心的结构设计，经抗冲击结构设计后，可以满足爆炸试验抗冲击要求；同步式信标安装于水下航行体或运动爆源上，为满足不同速度运动目标的测量需要，水声同步信标采用了信号发射周期可调 （0.5~5 s） 的高增益宽带多址调频双脉冲信号体制，相比分频段的线性调频或跳频信号可获得更大的处理增益，在相同作用距离下，可降低发射声源级，减小系统的功耗，提高系统灵敏度，提高定位精度。其系统设计中所涉及的关键技术如下。 （1） 基于长基线和超短基线数据融合的定位 长基线与超短基线结合使用可以构成组合声学定位系统，组合定位系统通常可以获得目标信号的多种特征参量，合理地融合多参量信息有利于提高定位系统的精度及可靠性。考虑到长基线定位系统作用范围广且阵内定位精度较高，超短基线定位系统集成度高且具备良好的近程定位优势，本文构建了基于长基线交汇的超短基线定位系统，并采用合作信标模式对其进行广域精确可靠定位，系统各个节点均由十字型超短基线阵构成。提出时延/相位差参量融合组合基线信息融合定位方法，通过基于最小均方误差和最大似然估计准则下的定位优化模型有效融合两种参量的观测信息，以实现对整个测量区域的高精度定位。 （2） 高同步速率下的运动目标定位抗距离模糊技术 对水下运动目标进行定位时，为了获得足够的轨迹采样点数来描绘其运动过程，定位系统需要采用较短的同步周期。声速和系统同步周期的乘积称为最大非模糊距离，以信号发射周期为 0.2 s为例，若声速取 1 500 m/s，则系统最大非模糊距离为300 m。当目标距离定位阵元超过 300 m时，信号传播时延大于 0.2 s，而接收系统记录的时延值仍在0.2 s以内，即时延测量值与真实的时延值相差周期的整数倍，相应地，距离估计值与实际值相差最大非模糊距离的整数倍，称为距离模糊问题，该倍数称为模糊周期数，求解模糊周期数以获得实际距离估计值称为解距离模糊。距离模糊问题直接导致运动目标定位结果具有多值性。 针对上述问题，考虑到方位参量的测量不受距离模糊的影响，采用最大似然准则下时延/方位融合定位优化模型，将解距离模糊问题转化为方位参量约束条件下非线性优化问题，并采用差分进化算法求解。利用方位信息对目标所在区域进行限定，降低了差分进化算法陷入局部最优解的危险。无需目标初始就位点，即可实现对大范围测量区域内运动目标的无模糊定位。 （3） 浅海复杂环境下精确时延估计 （4） 浮标方式下超短基线基阵误差的减小与消除 超短基线阵是利用相位差进行定位的，声基阵的设计和校准直接影响信号间的相位差。声基阵阵元间的初始相位及安装位置偏差是直接影响定位精度的关键因素。声基阵阵元间的初始相位会直接带来相位测量误差，属于系统误差，需要出厂前在消声水池或开阔水域进行校准获得，然后修正到基阵测量的相位差，以减少对整个系统定位精度的影响；声基阵坐标与大地坐标间的旋转角度误差很难直接测量，此误差主要由安装误差引起，可通过文献[8]介绍的方法进行校准，系统采用浮标方式，超短基线阵固定安装浮标下部，经过一次校准即可，避免船载基阵每次安装后均需进行适应性校准，试验效率低的弊端。 图 2长基线和超短基线组合定位模型 （2） 当使用两个浮标，采用长基线方式求解，超短基线利用相位差参量信息判断双解； （3） 当单浮标接收目标信号时，直接利用超短基线求解，根据已测得历史位置信息判别真解，提出模糊解； 本文假设两个系统同时工作，一共能得到 5组定位结果，包括 1组长基线结果和 4组超短基线定位结果。定位结果融合的关键是如何将 5组信息进行有效的组合，使融合的定位结果优于单个系统的定位结果。 2.1 最小均方误差估计与最大似然估计 在已知 X和 Z是两个随机矢量，且二者存在联合概率密度函数的条件下，使各估计分量的均方误差之和最小的估计，被称为最小均方误差估计X赞 V。各估计分量的均方误差之和可以表示如下。
最大似然估计是建立在最大似然原理基础上的一个统计方法，是概率论在数理统计中的一个应用。最大似然估计提供了一种“模型已定，参数未知”的方法，通过若干次试验，观察其结果，利用试验结果得到某个参数值能够使样本出现的概率为最大。 2.2 基于最小均方误差准则的时延/相位差参量融合定位优化模型 可知融合结果的定位精度不低于各系统单独定位精度，基于最小均方误差准则的融合方法是可行的。 2.3 最大似然准则下的时延/相位差参量融合定位优化模型 时延/相位差参量融合组合基线定位方法是通过构建最大似然准则下的优化定位模型，有效融合两种参量的观测信息，以实现整个测量区域的高精度定位。 3 系统定位精度分析 为了验证组合定位测量的定位精度，本文分别对长基线、超短基线和长基线/超短基线组合定位的定位精度进行仿真，并在组合定位方式下分别对基于最小均方误差准则和最大似然准则这两种时延/相位差参量融合算法进行仿真。具体仿真条件如下。 （1） 浮标 （阵元） 位置精度 （北斗/GPS定位精度：3 m）； 图 3至图 6分别为长基线、超短基线、组合定位下两种融合算法的定位精度。 由仿真结果可知，长基线的定位精度由于可以获得精确的时延估计，对于位于阵中心的定位精度较高；超短基线远距定位精度较低，但是局域定位精度较高，长基线/超短基线组合定位的定位精度在距离阵元较近位置比长基线要高，在较远距离位置定位精度高于超短基线，采用两种准则进行数据融合处理后的定位精度，在阵中心远距精度几乎相同，在距离阵元较近位置上基于最小均值误差准则的组合定位精度较最大似然估计准则的要高。在总体上，采用组合定位方法可将长基线作用距离远和超短基线局部区域精度高的优势充分结合起来，这种方式的定位精度整体上要高于单一方式的定位精度。 水下运动目标是具有一定速度的动态目标，其对信号检测的影响体现在接收端接收到的信号具有多普勒效应，频率会发生一定程度的偏移，导致时延检测有偏差，仿真计算分析表明对于信号频段20~30 kHz，脉宽 10 ms的水声信号，在目标速度为
图 3 长基线定位精度
图 4 超短基线定位精度
图 5 基于最小均方误差准则的组合定位精度
图 6 基于最大似然估计准则的组合定位精度 2 kn时，时延测量误差约为 200 滋s；目标速度为4 kn时，时延测量误差约为 400 滋s；目标速度为6 kn时，时延测量误差约为 600 滋s；目标速度为8 kn时，时延测量误差约为 800 滋s；据此，本文进一步仿真验证了该组合定位方式下航速 0 kn的静止目标 （图 7） 和航速 8 kn下运动目标的定位精度（图 8）。具体仿真条件为：除了航速 8 kn运动目标时延测量误差为 800 滋s以外，其余仿真条件不变。
图 7 水下静止目标 （航速 0 kn） 的定位精度
图 8水下低速运动目标 （航速 8 kn） 的定位精度 仿真结果表明，在2km的作用范围内，静态目标水平定位精度不大于 2译R（R为测量斜距），考虑动态目标的多普勒偏移及时延测量误差，动态目标水平定位精度不大于 4译R，可满足系统的测量要求。 4 结 论 本文提出一种基于浮标方式的长基线/超短基线组合定位系统实现对水下运动目标定位，采用浮标方式克服了船载超短基线组合安装误差大，避免安装后每次均需进行姿态适应性校准的弊端，提高了测量精度；同时采用组合定位方式又可以有效减少长基线阵元数量，提高试验效率。在组合定位解算中采用时延/相位差参量信息，依托基于最小均方误差准则和最大似然估计准则的融合方法解决了同步信标高帧率、跨周期所带来的距离模糊问题，提高了系统对运动目标的定位精度；文章最后仿真分析了各种方法的定位精度空间分布规律，验证了这种定位方法要优于单个系统的定位精度。该方法无需每次试前都对基阵进行校准，具有使用效率高、试验准备简单、测量质效高等优点。目前，该系统已经在靶场得到成功应用。 |
