高精度超短基线在水下定位中的应用.doc

高精度超短基线定位系统在水下定位中的应用
张粤宁1 刘鹏2
（1.武汉长江航道救助打捞局，武汉430014；2.上海地海仪器有限公司，上海 200233）

摘要：声学定位系统（Acoustic Positioning System）的技术研究和应用开发在现代海洋科学调查和水下施工中起着重要作用。本文以某品牌超短基线定位系统为例，就超短基线（Ultra Short BaseLine）声学定位系统的原理、应用范围等几个方面展开讨论，同时介绍了高精度超短基线工程中的实际应用，对使用过程中影响定位性能的主要因素进行了简单分析。

关键词： 超短基线 水下定位

1 概述

20世纪90年代以来，世界先进国家的海洋调查技术手段逐步成熟与完善，其中超短基线（简称USBL）水下设备大地定位技术也获得了长足的发展。高精度水下定位系统具有广泛的用途，在海洋探测研究、海洋工程、水下建筑物施工、潜水员水下作业、水下考古、海洋国防建设等方面，都离不开水下定位系统为其提供高精度、高质量的定位资料，因此高精度水下定位技术对维护国家领土权益和国民经济建设都具有重要意义。

1．1关于水下声学定位系统

20世纪50～60 年代，在国际上，随着光、声、磁等技术的不断发展，在大力开发海洋自然资源和海洋工程的进程中，水下探测技术得到了较大发展，相继开发了一系列先进的高效能的水下探测设备：在各种水下检测的光、声、磁技术中，由于水下光波衰减很快，即使是波长最长、传播最远的红外光波在水中传播到了几米以后也衰减完了，而声波和电磁波在水中有良好的传播性，因而，声呐、磁探和超短基线成为水下检测的有效方法。

声学定位系统最初是在19世纪60年代的时候被开发出来用于支持水下调查研究。从那时起，这类系统便在为拖体，ROV等水下目标的定位中成为了重要角色。声学定位系统能够在有限的区域内提供非常高的位置可重复精度，甚至在远离海岸。对大多数用户来说，可重复性精度要比绝对精度重要。

在声学定位系统中，有3种主要的技术：长基线定位（LBL），短基线定位（SBL），和超短基线定位（SSBL/USBL），有些现代的定位系统能组合使用以上技术。

长基线（LBL）:长基线定位能在宽广的区域内提供高精度的位置，它需要至少3个应答器组成的阵列部署在海底上的已知点上，水面舰只安装一个换能器。换能器测量出到水底应答器的斜距，从而计算出自身的坐标位置。

短基线（SBL）：短基线定位需要在舰船上安装至少3个换能器阵，换能器之间的位置关系为已知，应答器安装在需要定位的目标上，舰船上的多个换能器测量出到同一个应答器的距离，从而计算出目标的位置。

超短基线（SSBL/USBL）:超短基线定位的船载换能器中，有至少3个单元，应答器安装在需要定位的目标上，换能器测量出到应答器的水平和垂直角度及斜距
“

这三种不同方式的声学定位系统中，长基线定位（LBL）定位精度最高，但是水底布设高精度定位已知点的施工难度大且费用较高，一般使用在石油平台监测、水下考古打捞等需要高精度定位的工程。短基线定位（SBL）需要对船体进行改造，才能放置换能器基阵，对船只的要求使短基线的应用受一定的限制。因此，超短基线声学定位系统（SSBL）的优势是很明显的：只需要在船舶上安装一个换能器及其电子单元，就可以提供高精度的声学定位。

1.2超短基线定位的基本工作原理

超短基线水下声学定位系统是根据声波在水中传播的速度往返时间测量距离和同时测量相位差的方法进行定位，即是在水下发射声波信号，依其水听器接收阵的多个单元，按等边三角形（或直角）布阵，水听器之间距离只有几厘米，将其设计装在一个部件中，按三角形所在平面，当做基准坐标系的平面，通过测量对比水听器单元接收的声波信号彼此之间的相位差确定应带其相对船艏的方位，同时测量斜距S=1/2vt,即可计算出水下应答器位置的坐标。以HPR410P为例，在SSBL中，船载换能器向应答器发射脉冲讯问信号，应答器接收到讯问脉冲信号后，发射不同于讯问信号的应答脉冲信号。系统内位置的计算依据测量应答器的距离和方位，解算出应答器相对于船载换能器三维空间海底位置的坐标

超短基线定位系统一般由声学测量设备和数据采集处理设备两大部分组成。声学测量设备由安装在船体的声学换能器和安装在水下的声学应答器组成，声学换能器发射声波信号至应答器，应答器接在收到讯问信号后，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数据采集处理设备，做进一步加工处理和计算，得到应答器相对于换能器的空间位置和深度。

超短基线声学定位原理

2 超短基线定位的应用范围

2.1为潜水员水下作业提供高精度定位信息，确保潜水员的安全。

对在建和已建长江干线航道整治工程的水下检测目前还处于起步阶段。在以往的航道施工中，水下建筑物的施工质量检测，主要是靠施工过程中的施工管理和水下地形测量图及人工探摸来进行控制。尤其潜水员人工探摸，危险性大、效率低，水底环境复杂，对潜水员的位置确定就非常关键。目前国外对水下建筑物的检测多用水下机器人（ROV），ROV自身带光学的水下相机，在长江三峡库区清澈的水域可以直接进行观测提供清晰图像。ROV还可以携带声学成像设备，针对我国江河和海洋比较浑浊的情况，ROV还可以通过携带声学成像设备，用声学的方式进行水下建筑物的检测。

2.2 为使用深拖设备，如遥控及其人、无人潜水器或自主潜水器（ROV）等进行水下建筑物检测，获取勘测的精确位置资料。

3 影响定位性能的因素

水下导航定位系统要实现精确导航定位，必然受到GPS导航定位系统的稳定性和可靠性、船载（集成）辅助传感器的稳定性和可靠性、超短基线导航定位系统的稳定性和可靠性、水上定位和水下定位数据融合方法等的影响和制约。在工作应用中，应合理进行误差分配，控制显著误差，求得最佳测量成果。
水下定位的主要误差来源，包括超短基线基阵测距误差、超短基线基阵姿态测量误差、测角误差、测距交会求解造成的误差、超短基线基阵阵元相位差引起的误差、声传播引起的误差、声学噪声引起的误差、超短基线基阵和应答器安装引起的误差、校准误差、水下工作环境引起的误差、载体运动速度变化引起的误差、超短基线数据和GPS数据融合时的误差等。但总的来说，误差来源可以综合到三个方面：校准误差、测距误差和测角误差。
3.1 校准误差
船只航行时航行轨迹的瞬间变化是于气候和海况好坏有着直接关系，超短基线定位计算的瞬间起算大地坐标是通过GPS提供的，换能器安装在摇摆不定的船上，随着船只摆幅的大小变化，定位航迹于实际航迹并不完全一致。如不考虑GPS自身定位误差的影响，依其接收天线安装高度，船只姿态对GPS和超短基线的校准的影响亦是不可忽视的因素。
3.2 测距误差
测距误差主要是由测时误差引起的，而测时误差又与信噪比和声速息息相关。声波在水下传播过程中，声速、声线弯曲、水面反射等都会影响测时准确度，而声波的扩散、吸收和环境中的噪声会影响信噪比大小，因此测距误差主要是由水声学因素引起的，水下定位时的工作条件和工作方法直接影响定位精度。
3.3测角误差
测角误差主要是由阵元间相位测量误差、姿态角度误差和罗经角度误差引起。姿态角度误差和罗经角度误差主要由安装技术引起，而相位误差与基阵和应答器的位置关系有关。当应答器在基阵正下方时，阵元间相位差很小，从而使定位误差保持在一个较小的数值上，因此超短基线只在基阵下方一个椎度范围内定位精度较高。

4 小结

高精度超短基线HPR410P的便携式安装，大大减轻了工作人员野外操作和安装的繁琐性，提高了工作效率；为实现水下高精度、高要求的工程定位作业提供了可能性。通过工程中的应用，其灵活性、方便性、高精度的特点，使其应用前景非常广阔。

The Application of Ultra Short Baseline Named HPR410P in Underwater Positioning
Zhang Yue-ning1, ,Liu Peng2
(1. Wuhan Changjiang Waterway Rescue & Salvage Bureau, Wuhan 430014, China;
2.Shanghai Geo Marine Instrement Company, Shanghai 200233China)

Abstract: The technological research of the acoustic positioning system and its application fulfills an important role in the oceanic scientific investigation and the underwater engineering in the present age. Taking a brand of the ultra-short baseline positioning system as a sample, this paper would discuss the principle of the USBL acoustic system as well as the scope of its application. In the same time, the application of this USBL of high accuracy in the engineerings is also discussed. The paper analyses also the main elements that would affect its performance of the positioning in the application. 

Key words: USBL, underwater positioning,