金博楠，徐曉蘇，張 濤，孫曉俊

(1.微慣性儀表與先進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096;2.東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 210096)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和對(duì)自然的不斷探索，人類的足跡向著更深更遠(yuǎn)的方向延伸。在天空，人們不斷突破速度的極限，并且向著宇宙深處不斷進(jìn)發(fā)；在水下，人們不斷挑戰(zhàn)著下潛的極限，打開未知海洋世界的大門。但無論上天還是下海，都需要導(dǎo)航定位來提供位置、姿態(tài)信息。然而人們對(duì)海洋探索的步伐遠(yuǎn)不及對(duì)天空的認(rèn)知，最主要的原因就是電磁波信號(hào)在海水這種高導(dǎo)電介質(zhì)中衰減嚴(yán)重，而且頻率越高，衰減越嚴(yán)重。例如頻率為3～30kHz的甚長波在海水中傳輸?shù)纳疃纫矁H能達(dá)到20m。因此，盡管衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可為不限量的用戶全天候地提供三維定位、定時(shí)和速度測量，定位精度很高，但是水下航行器只有上浮接近水面才能獲取衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)或其他無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航信息，如果航行器在水面以下相當(dāng)深處航行，到水面就需要很多時(shí)間和能耗[1]。上述缺點(diǎn)限制了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)或其他無線電導(dǎo)航系統(tǒng)在水下航行器中的應(yīng)用。此外，盡管最新的研究表明，藍(lán)綠激光在水下吸收率低，穿透性強(qiáng)，美國也成功進(jìn)行了衛(wèi)星-潛艇激光通信試驗(yàn)，但激光通信單點(diǎn)傳輸，廣播效果差，對(duì)接難度高，因此在水下定位導(dǎo)航領(lǐng)域依舊以慣性導(dǎo)航、地球物理場導(dǎo)航和聲學(xué)導(dǎo)航為主[2]。

目前已有的定位技術(shù)中，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System，INS)因其隱蔽性強(qiáng)和自主性特點(diǎn)，在水下航行器中得到廣泛應(yīng)用。雖然慣導(dǎo)技術(shù)本身已日漸成熟，但慣導(dǎo)系統(tǒng)定位誤差隨時(shí)間積累需要定期重調(diào)的特性卻從未改變，因此，伴隨慣導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，世界各國都一直在探索慣導(dǎo)系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法。多普勒聲吶系統(tǒng)自主性好、反應(yīng)快、抗干擾性好、測速精度高，特別適合在水下航行器上應(yīng)用，然而目前的多普勒聲吶導(dǎo)航通常采用航位推算的方法確定機(jī)體位置，定位精度較低。地球物理導(dǎo)航是基于地球物理參數(shù)，如地磁、重力場、地形等在空間分布上的變化，并與先驗(yàn)的環(huán)境測繪圖進(jìn)行匹配，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航目的。這就帶來2個(gè)主要問題，生成先驗(yàn)測繪圖的難度以及隨維數(shù)增加匹配計(jì)算的復(fù)雜度。

聲波在水下傳播特性良好，作用范圍廣，一般的中高頻水聲信號(hào)的作用范圍都在千米級(jí)別，低頻水聲信號(hào)傳播距離可以高達(dá)10km以上。水聲定位導(dǎo)航系統(tǒng)因其簡單可靠、靈活多變等特點(diǎn)，是檢驗(yàn)和鑒定水下航行器性能的主要手段。聲學(xué)定位方法按照接收基陣的尺寸或應(yīng)答器基陣的基線長度來分類，水聲定位系統(tǒng)可以分為長基線(Long Base Line，LBL)、短基線(Short Base Line，SBL)和超短基線(Ultra-Short Base Line，USBL)三種。上述三種聲學(xué)基線定位系統(tǒng)具有各自的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，長基線和短基線水聲定位系統(tǒng)需要分別在海床和船體上安裝固定接收基陣，超短基線水聲定位系統(tǒng)則將水聽器組件裝在一個(gè)精密的容器里，并且基線長度

在厘米范圍。相對(duì)而言，超短基線定位技術(shù)更具有便攜性和獨(dú)立性，因此成為水聲定位設(shè)備發(fā)展的熱點(diǎn)。

本文將對(duì)水下聲學(xué)定位技術(shù)，尤其是超短基線定位技術(shù)進(jìn)行說明和比較，然后主要對(duì)超短基線定位系統(tǒng)當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行描述，再對(duì)超短基線定位技術(shù)在海洋工程中的應(yīng)用進(jìn)行介紹，最后對(duì)超短基線定位技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 水聲定位

水聲定位主要是通過水聲信號(hào)測量聲源與應(yīng)答器基陣間的距離進(jìn)行定位，基陣中基元間的距離稱為基線，因此根據(jù)基線長度不同，水聲定位主要分為長基線、短基線和超短基線三種(表1)。

表1 水聲定位系統(tǒng)分類

1.1 長基線定位系統(tǒng)

長基線定位系統(tǒng)的基陣一般由多個(gè)應(yīng)答器分布于水下。從基線長度方面理解，認(rèn)為長基線定位系統(tǒng)(圖1)指的是基線長度可以與海深相比擬的定位系統(tǒng)。每個(gè)應(yīng)答器可以獲得一個(gè)斜距，在應(yīng)答器位置預(yù)先確定的條件下，根據(jù)球面交匯原理可以確定目標(biāo)的位置。此外，還有一種根據(jù)基元間時(shí)間差的方式也可以獲得目標(biāo)位置，這種方法突破了時(shí)間同步的限制。

長基線定位系統(tǒng)因其基線較長，所以定位精度很高。但是在深水使用時(shí)，位置數(shù)據(jù)更新率較低，僅達(dá)到分鐘量級(jí)。其次，布放、校準(zhǔn)以及回收需要較長時(shí)間，且作業(yè)過程較為復(fù)雜。

1.2 短基線定位系統(tǒng)

短基線定位系統(tǒng)(圖2)的基陣基元通常安放在整個(gè)船體上，基線長度不超過船體尺寸，由于基線長度不及長基線基陣，因此定位精度也遜色于長基線系統(tǒng)，但要優(yōu)于常規(guī)超短基線系統(tǒng)。相比于長基線復(fù)雜的應(yīng)答器校準(zhǔn)過程，短基線的基陣一旦安裝校正完成，定位導(dǎo)航作業(yè)就較為方便。然而短基線定位系統(tǒng)的缺點(diǎn)也比較突出，首先一般在艦船建造時(shí)就確定水聽器基元的安裝位置，一旦確定就不便于更改；其次，安裝位置難免會(huì)受到螺旋槳等機(jī)械噪聲的干擾，影響定位性能；最后，船體的形變對(duì)于高精度定位也會(huì)帶來一定的誤差。

1.3 超短基線定位系統(tǒng)

超短基線定位系統(tǒng)(圖3)提供的定位精度往往不及前兩種。這是因?yàn)樗挥幸粋€(gè)緊湊的尺寸很小的聲基陣安裝在載體上?；囎鳛橐粋€(gè)整體單元，可以使其處在流噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲均較弱的某個(gè)有利位置。此外，它也無需布放浮標(biāo)和應(yīng)答器陣。但是通過精細(xì)設(shè)計(jì)，超短基線系統(tǒng)的定位精度有望能夠接近長基線系統(tǒng)的定位精度。

上述各種定位系統(tǒng)既可單獨(dú)使用，也可以有機(jī)地組合，構(gòu)成組合系統(tǒng)。組合系統(tǒng)可提供可靠的位置冗余，并發(fā)揮各個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。例如，可組合成長/超短基線系統(tǒng)(L/USBL)、長/短基線系統(tǒng)(L/SBL)、以及長/短/超短基線系統(tǒng)(L/S/USBL)等。

2 超短基線定位技術(shù)

2.1 系統(tǒng)組成

超短基線定位系統(tǒng)要確定目標(biāo)的絕對(duì)位置，首先要知道聲基陣的位置、姿態(tài)以及船艏方向，這些參數(shù)可以由GPS、運(yùn)動(dòng)傳感器(Motion Reference Unit，MRU)和電羅經(jīng)提供(圖4)。然后是確定目標(biāo)在聲頭坐標(biāo)系中的位置。除了這些外部設(shè)備外，超短基線定位系統(tǒng)還由載體端的聲頭部分和水下的應(yīng)答器組成。聲頭包含一個(gè)收發(fā)換能器和水聽器基陣。水聽器基陣的尺寸非常小，只有幾厘米至幾十厘米。因此聲頭可以安裝在船體水面以下任何位置，較為方便靈活。聲頭和應(yīng)答器可以通過詢問和應(yīng)答方式測量往返時(shí)間，也可以由電纜連接測量單程時(shí)間。

在硬件結(jié)構(gòu)上，聲頭部分主要由收發(fā)模塊、控制模塊、計(jì)算模塊和顯示模塊組成[3]。應(yīng)答器部分只需要收發(fā)模塊和控制模塊即可，如圖5所示。

2.2 定位原理

組成超短基線最少需要3個(gè)水聽器，其中一個(gè)作為參考單元。若3個(gè)水聽器位于2個(gè)相互垂直的基線上(x和y軸上)，假設(shè)各方向上基元間距(基線)均為d，應(yīng)答器發(fā)出的信號(hào)到基陣原點(diǎn)的聲線與x軸及y軸的夾角分別為θmx和θmy(圖6)。以測量往返時(shí)間為例，斜距R為

R=0.5cT

(1)

其中，c為聲波在水中的速度，約為1500m/s，T為往返時(shí)間。

由于相對(duì)基元與應(yīng)答器的距離，基陣尺寸極小，可認(rèn)為入射到所有基元的聲線平行。當(dāng)信號(hào)頻率為f0，即波長λ=c/f0時(shí)，由圖7可知，2個(gè)水聽器接收信號(hào)的相位差φ與信號(hào)入射角θm的關(guān)系為

(2)

則應(yīng)答器S在聲頭坐標(biāo)系中的位置為

(3)

由于水平誤差累計(jì)在垂直角計(jì)算過程中，因此高度方向誤差較大，為了提高垂直角的測量，有些產(chǎn)品會(huì)在z軸方向也安裝水聽器，形成立體基陣，當(dāng)然這樣做又會(huì)導(dǎo)致基陣體積有所增大。此外，垂直角的測定受聲速的影響特別大，因此更為直接的改善方法是在應(yīng)答器中安裝深度傳感器獲取深度h。理論上，僅通過水平角和深度也可以計(jì)算應(yīng)答器位置，而且觀測者并不需要知道發(fā)射時(shí)刻，而只需要被動(dòng)接聽即可，這樣更容易工程實(shí)現(xiàn)，適用于某些無源定位的場合。其位置為

(4)

但為了保證精度，在沒有特別要求的情況下，水平角、斜距和深度被認(rèn)為是需要同時(shí)具備的3個(gè)基本的測定參數(shù)。

2.3 誤差分析與精度提升

對(duì)式(3)進(jìn)行全微分，以斜距相對(duì)均方誤差δ2=σ2/R2表示定位精度，可得

(5)

式(5)表明，應(yīng)答器越靠近船正下方，定位精度越高。因此，超短基線定位系統(tǒng)的工作范圍一般在基陣下方一定的錐角區(qū)域內(nèi)。同時(shí)，定位精度還與斜距測定誤差、聲速測定誤差以及水聽器基陣接收信號(hào)的時(shí)間間隔測定誤差等有關(guān)[4]。

因此，提高超短基線定位系統(tǒng)精度的措施有：

1)采用較低頻率和寬帶信號(hào)，提高信噪比；

2)增加基元間距，優(yōu)化基陣結(jié)構(gòu)；

3)對(duì)聲速變化和聲線彎曲進(jìn)行有效的誤差建模估計(jì)和補(bǔ)償。

3 海洋工程中的應(yīng)用

超短基線定位技術(shù)在民用和軍事兩大領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。民用范圍內(nèi)，海底勘測、海洋調(diào)查、潛水員作業(yè)、水下打撈、水下工程等都需要水聲定位提供支持；軍事范圍內(nèi)則包含蛙人活動(dòng)、潛艇航行、AUV回收、蛟龍?zhí)柹詈Ｌ綔y、協(xié)同定位、敵艦探測等應(yīng)用[5]。

3.1 海洋勘探

隨著陸上油氣資源逐漸緊張，海洋油氣勘探日益成為國內(nèi)外油氣開發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域。拖纜和海底電纜(OBC)地震勘探技術(shù)是海洋油氣勘探的重要技術(shù)手段。

拖纜和海底電纜廣泛使用水聲定位技術(shù)定位水聽器位置，提高勘探數(shù)據(jù)質(zhì)量。OBC地震勘探技術(shù)利用安裝有水聽器的海底電纜或拖纜接收地震波數(shù)據(jù)。在實(shí)際施工中，由于受到海流、潮汐等因素影響，水聽器實(shí)際位置相對(duì)水面實(shí)測位置將發(fā)生較大位移，最大位移可超過30m。海底地震勘探電纜漂移產(chǎn)生的時(shí)差，嚴(yán)重降低了地震資料的成像精度，因此OBC地震勘探必須對(duì)沉入海底位置相對(duì)穩(wěn)定的水聽器進(jìn)行精確定位。水聲定位方法具有高速度、高精度、低成本的優(yōu)勢(shì)，成為OBC地震勘探水聽器二次定位的重要手段。

3.2 海洋科學(xué)

ROV/AUV等水下潛器被廣泛應(yīng)用于生物、礦石的采樣，以及海底環(huán)境信息采集與地形掃面勘探之中。這些潛水器及水下平臺(tái)在釋放回收等升降過程和水下航行過程中都需要水聲定位保證位置信息[6]。著名的馬航失事飛機(jī)的搜索打撈作業(yè)也運(yùn)用了很多水聲定位技術(shù)，水聲定位系統(tǒng)可檢測引導(dǎo)ROV/AUV的行進(jìn)路線并進(jìn)行探索，也可確定黑匣子的位置。

以遠(yuǎn)程操作潛水器和蛟龍?zhí)枮榇淼妮d人潛水器更需要利用水聲定位系統(tǒng)進(jìn)行精確定位和導(dǎo)航，從而引導(dǎo)這些作業(yè)工具安全到達(dá)指定位置，完成作業(yè)。我國蛟龍?zhí)栞d人潛水器的水下定位要依靠2套水聲定位系統(tǒng)，即超短基線和長基線定位系統(tǒng)[7]。

3.3 電纜管道鋪設(shè)

在20世紀(jì)70年代，隨著大型海洋油氣田的開發(fā)，建設(shè)了大型海洋油氣管道，把開采的油氣直接輸往陸上油氣庫站。海上風(fēng)力發(fā)電也成為新能源中的一支新興力量。至2023年，全球海底電力電纜安裝量將達(dá)304條。隨著全球油氣工業(yè)和風(fēng)力發(fā)電向海洋進(jìn)軍，海底鋪設(shè)的油氣管道和海底電纜日益成為全球能源運(yùn)輸動(dòng)脈的重要組成部分。

水聲定位系統(tǒng)主要用于海底管道連接定位、管道維修引導(dǎo)、電纜操作指導(dǎo)及海底電纜定位，在鉆井船和浮式平臺(tái)等海洋工程裝備中得到廣泛應(yīng)用[8]。

深海海洋石油開采時(shí)，深水區(qū)域的管線測量一般使用水面支持船安裝超短基線對(duì)沿管線行進(jìn)的ROV進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。

3.4 水下考古

水下考古發(fā)掘是對(duì)考古學(xué)由陸地田野考古向水域的延伸。由于自然災(zāi)害和航運(yùn)事故，一些航線下還保存著大量沉船和文物。沉船打撈、事故救援和水下考古常配備多種水聲器材，包括多波束水下聲吶、淺地層剖面儀、旁側(cè)聲吶、超短基線系統(tǒng)和水下機(jī)器人等。

工作時(shí)超短基線換能器采用法蘭盤剛性安裝并浸入水中，潛水員或水下機(jī)器人將應(yīng)答器放置在目標(biāo)上便可確定打撈目標(biāo)位置。我國附近海域探明的水下遺址就有多處，2007年南海I號(hào)整體浮出水面，世界首創(chuàng)的整體打撈古沉船方式取得成功。GAPS超短基線定位系統(tǒng)成功應(yīng)用于本次打撈工作中。

3.5 軍事活動(dòng)

水下軍事活動(dòng)對(duì)海軍裝備水下定位系統(tǒng)提出了較高的要求。以潛艇為例，在遠(yuǎn)洋長時(shí)間執(zhí)行任務(wù)要求保持較高的定位精度，頻繁地上浮容易暴露自身的位置。此外，水下無人作戰(zhàn)平臺(tái)、蛙人作戰(zhàn)設(shè)備等也都需要水聲定位輔助導(dǎo)航。通過慣性/水聲的組合導(dǎo)航技術(shù)是當(dāng)前的主要手段，而多普勒測速和聲吶計(jì)程儀也可以輔助進(jìn)行校準(zhǔn)。

利用水聲定位及慣性導(dǎo)航的組合定位系統(tǒng)可對(duì)水下各類有人或無人潛器進(jìn)行定位及導(dǎo)航，配合多波束聲吶、側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶等可探測敵方水下軍事基地的三維地圖和精確位置。組合導(dǎo)航無人潛器搭載探測及干擾聲吶還可以完成收集艦艇聲吶數(shù)據(jù)、探測港口軍事部署、監(jiān)控艦艇運(yùn)行狀態(tài)和進(jìn)行聲吶電子對(duì)抗等多種作業(yè)。

4 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

從20世紀(jì)70年代開始，隨著海洋勘探行業(yè)的興起，長基線、短基線和超短基線等水聲定位系統(tǒng)開始出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代，軍事上對(duì)水下定位的需求更為迫切，水聲定位技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。以歐洲為代表的西方國家在超短基線等水聲定位方面起步較早，其中挪威的Kongsberg、法國的IXBlue、英國的Sonardyne堪稱該領(lǐng)域的3只領(lǐng)頭羊，他們擁有20～40年的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)[9]。相比之下，國內(nèi)在水聲定位方面的研究基礎(chǔ)還較為薄弱。

涉及核心技術(shù)，國內(nèi)外有關(guān)超短基線公開的資料較少，下面對(duì)目前能夠已知的相關(guān)設(shè)備的資料進(jìn)行一些整理和介紹。

4.1 國外研究現(xiàn)狀

挪威Kongsberg公司于1996年開始推出第一代超短基線，新近推出的HiPAP700，作用水深達(dá)到了10000m，測距精度優(yōu)于0.5m[10]。目前在售的主要有HiPAP和μPAP這2個(gè)系列，HiPAP主要用于深水和海底勘測領(lǐng)域，主要包括HiPAP502、HiPAP452、HiPAP352、HiPAP351P-Series、HiPAP102五款型號(hào)，性能參數(shù)如表2所示，表中D為斜距。多通道球面陣列是HiPAP系列的主要特征，其通道數(shù)量高達(dá)300個(gè)。這些探測通道選擇性地開啟，具有良好的波束指向性[11]。

表2 HiPAP 系列超短基線定位產(chǎn)品的部分參數(shù)

μPAP主要用于淺水領(lǐng)域，并且部分型號(hào)內(nèi)置有姿態(tài)傳感器，在售的換能器型號(hào)主要有μPAP200、μPAP200-NEL、μPAP201-2、μPAP201-3、μPAP201-3-NEL、μPAP201-H，性能參數(shù)如表3所示。

表3 μPAP 系列超短基線定位產(chǎn)品的部分參數(shù)

法國IXBlue公司主要有兩種型號(hào)的超短基線產(chǎn)品： Posidonia-USBL(圖8) 和 GAPS-USBL[12-13](圖9)。IXBlue 產(chǎn)品最鮮明的特點(diǎn)是立體性強(qiáng)的四腳外形，通過簡單的結(jié)構(gòu)達(dá)到了高水準(zhǔn)的性能。Posidonia-USBL是一款長程超短基線型號(hào)，最大作用距離10000m，工作深度可達(dá)到600m，在該水深處的最高定位精度能達(dá)到0.2%D，詢問頻段為8～14kHz，應(yīng)答頻段為14～18kHz，該系統(tǒng)已經(jīng)成功推向市場。另外，據(jù)悉其中的一款型號(hào)也集成了慣性組件，形成一體化系統(tǒng)。

GAPS-USBL是IXBlue公司推出的新型超短基線系統(tǒng)，最大的特征是集成了聲學(xué)定位系統(tǒng)、高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS定位系統(tǒng)，從而在使用前免去了超短基線設(shè)備和慣導(dǎo)器件之間進(jìn)行安裝誤差的校準(zhǔn)步驟，進(jìn)一步降低了定位系統(tǒng)誤差源的影響。GAPS-USBL的作用距離為4000m，工作深度25m，覆蓋范圍160°，定位精度(在垂直條件下信噪比>40dB)達(dá)0.06%D，角度精度為0.01°，工作頻段為20～30kHz。

英國Sonardyne公司開發(fā)了2個(gè)系列的超短基線定位系統(tǒng)：Scout-USBL和Ranger-USBL(圖10)。Scout-USBL是該公司的高頻產(chǎn)品，適用于淺水工作，系統(tǒng)小巧易于使用，工作頻段為35～55kHz，覆蓋范圍為180°。采用內(nèi)部姿態(tài)傳感器的精度為2.75%D，使用內(nèi)置姿態(tài)傳感器和羅經(jīng)時(shí)定位精度可達(dá)到0.5%D。該系列又分為Scout、Scout Plus和Scout Pro三種型號(hào)，前2款的作用距離為500m，Pro的距離達(dá)到1000m，而跟蹤目標(biāo)數(shù)量依次為4個(gè)、6個(gè)、10個(gè)。

Ranger-USBL是該公司主打的一款中頻系列，適用范圍從淺水到深水均可。一代Ranger工作頻段為18～36kHz，作用距離6000m。在使用單頻信號(hào)的情況下斜距測量精度為0.2m，而在寬帶信號(hào)工作條件下斜距測量精度可達(dá)到0.03m，定位精度為0.1%D。一代目前已退出市場，取而代之的是新一代的Ranger2和Mini-Ranger2，前者作用距離超過7000m，后者主要服務(wù)于1000m內(nèi)的近海區(qū)域。Ranger2系列中還有多款型號(hào)集成了內(nèi)置姿態(tài)/慣性傳感器，能夠免校準(zhǔn)輸出高精度定位結(jié)果。此外， Ranger-USBL還使用了寬帶技術(shù),可以提供傳輸速率高達(dá)1500bit/s的水聲通信服務(wù)。表4所示為Ranger2系列的多款聲頭性能參數(shù)[14]。

表4 Ranger2系列超短基線聲頭的部分參數(shù)

英國Nautronix公司的NASDrill-USBL是針對(duì)近岸鉆井等需要在高噪聲的惡劣環(huán)境下的海洋資源開發(fā)推出的聲學(xué)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)的作用距離為4500m，精度可達(dá)0.5%D，刷新率為1Hz，工作開角為60°～120°。

英國AAE公司生產(chǎn)的EasyTrak超短基線水下定位系統(tǒng)(圖11)采用中頻波段，內(nèi)置了Pitch/Roll/Heading等運(yùn)動(dòng)傳感器，支持接收GPS數(shù)據(jù)，同步跟蹤多個(gè)水下目標(biāo)。根據(jù)不同的系統(tǒng)精度，系統(tǒng)包含3個(gè)型號(hào)：Easytrak Alpha、Easytrak Lite、Easytrak Nexus，其斜距分辨率為0.1m，覆蓋范圍160°，定位精度分別為：3.5%D(2°)、2.5%D(1.4°)、1.0%D(0.6°)。

英國的Blueprint公司推出了一款Subsea超短基線產(chǎn)品(圖12)，只有16cm高，是目前世界上尺寸最小的超短基線設(shè)備，該設(shè)備工作頻率為24～32kHz，作用距離1000m，定位精度1.5%D，并且內(nèi)置有MEMS陀螺儀和加速度計(jì)[15-16]。

美國的EdgeTech前身為ORE Offshore公司，生產(chǎn)高精度聲學(xué)定位、導(dǎo)航、控制產(chǎn)品。其推出的BATS (Broadband Acoustic Tracking System) (圖13)絕對(duì)水平精度為0.5%D(RMS)，可重復(fù)精度為0.3%(RMS)，測距精度為0.3m(RMS)。工作頻率16～30kHz，可追蹤4個(gè)目標(biāo)，最大作用距離3300m[17]。 ORE時(shí)代的產(chǎn)品為TrackPoint3，其性能指標(biāo)與BATS差不多。

美國LinkQuest公司的TrackLink1500系列產(chǎn)品(圖14)集成了超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)和高速水聲通信系統(tǒng)。TrackLink1500 系列中使用了LinkQuest公司極力推廣的BASS寬帶聲學(xué)擴(kuò)譜技術(shù)。TrackLink1500系列工作頻率為31～43.2kHz，其定位精度按照高頻至低頻分為三檔：0.5%D(0.25°)、2%D(1°)和5%D(3°)，斜距測量精度為0.2m[18]。該系列產(chǎn)品最大的作用距離為1000m，而且還能夠同時(shí)追蹤8～16個(gè)目標(biāo)。

此外，美國的AUSS先進(jìn)無人搜索系統(tǒng)、韓國的OKPL-6000設(shè)有長基線水聲定位系統(tǒng)，美國的Odyssey、REMUS-100航行器設(shè)有長基線和超短基線水聲定位系統(tǒng)，挪威的Hugin3000、法國的Alister3000設(shè)有短基線水聲定位系統(tǒng)。加拿大ISE公司的AUV應(yīng)用了TrackLink5000超短基線水聲定位系統(tǒng)，美國克洛希德·馬丁公司應(yīng)用了TrackLink1500超短基線水聲定位系統(tǒng)導(dǎo)引和回收AUV。

4.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)在長基線、短基線和超短基線水聲定位技術(shù)方面雖然起步較晚，但近年來也取得了很大的進(jìn)步。哈爾濱工程大學(xué)研制的GRAT系統(tǒng)是比較典型的長基線定位系統(tǒng)之一。東南大學(xué)研制的YTM魚雷彈道測量系統(tǒng)、哈爾濱工程大學(xué)研制的MDT系統(tǒng)等均是典型的短基線定位系統(tǒng)。中國科學(xué)院聲學(xué)研究所、廈門大學(xué)等在聲學(xué)定位技術(shù)領(lǐng)域也都進(jìn)行了一定的研究。

中國的水下DGPS高精度定位系統(tǒng)是一套集成GPS、長基線定位系統(tǒng)的高精度水下定位系統(tǒng)[19]。這是繼美國、法國之后我國率先利用GPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水下高精度的自主導(dǎo)航。超短基線定位技術(shù)同樣已經(jīng)達(dá)到了應(yīng)用階段，可以推廣進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，目前已裝備了大洋一號(hào)船、科學(xué)號(hào)船和向陽紅09號(hào)船，在執(zhí)行科考任務(wù)中發(fā)揮了重要的作用。長基線技術(shù)方面開展了海洋 6號(hào)船上的應(yīng)用性研究，預(yù)計(jì)近期可進(jìn)行自有技術(shù)的驗(yàn)證。綜合定位系統(tǒng)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)已完成，未來將會(huì)應(yīng)用于4500m 國產(chǎn)化載人潛水器。

哈爾濱工程大學(xué)從2002年開始進(jìn)行相關(guān)研究，2006年成功研發(fā)國內(nèi)首臺(tái)深海超短基線定位系統(tǒng)樣機(jī)，2012年成功研發(fā)國內(nèi)首臺(tái)工程樣機(jī)，2013年成功研發(fā)國內(nèi)首臺(tái)定位系統(tǒng)產(chǎn)品。其中共研制出四種超短基線定位系統(tǒng)：深水重潛裝潛水員超短基線定位系統(tǒng)、探索者號(hào)水下機(jī)器人超短基線定位系統(tǒng)、滅雷具配套水聲跟蹤定位裝置和長程超短基線定位系統(tǒng)。前兩種均是簡易系統(tǒng)，僅用于近程的特殊使用場合。第三種是型號(hào)產(chǎn)品，其顯著優(yōu)點(diǎn)是淺海定位性能優(yōu)良，即使對(duì)于水平方向(目標(biāo)俯仰角為0°)的目標(biāo)，定位精度仍優(yōu)于3%D，淺海作用距離達(dá)到3000m，可實(shí)時(shí)給出3個(gè)目標(biāo)的軌跡。長程超短機(jī)械定位系統(tǒng)如圖15所示，其作用距離達(dá)到8000m，應(yīng)答器工作水深達(dá)到7000m，最高定位精度達(dá)到0.2%D(基陣下方±15°開角)，測距精度0.15m，綜合定位精度1m[20-21]。相關(guān)設(shè)備在蛟龍?zhí)柡拖蜿柤t09號(hào)船上進(jìn)行了試驗(yàn)。

中國科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站又名上海聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室，始建于1960年，隸屬于中國科學(xué)院聲學(xué)研究所。東海研究站主要從事水聲導(dǎo)航技術(shù)、水聲定位技術(shù)、水聲探測技術(shù)、超聲應(yīng)用技術(shù)、數(shù)字通信及信息處理技術(shù)和醫(yī)療聲學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域的研究和開發(fā)。其研究的超短基線定位設(shè)備分為低頻、中頻和高頻3個(gè)頻段，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)信標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位。作用距離為6000m，測距精度優(yōu)于0.1m+0.1%D，定位精度為0.1m+0.5%D。

嘉興中科聲學(xué)科技有限公司(中科院聲學(xué)所嘉興工程中心)成立于2007年9月，由中國科學(xué)院聲學(xué)研究所嘉興工程中心核心技術(shù)團(tuán)隊(duì)與嘉興科技城投資公司共同出資創(chuàng)建[22]。其生產(chǎn)的超短基線系統(tǒng)可兼容多種國外同類產(chǎn)品信號(hào)體制，主要有PS138、PS117、PS113和PS155這4個(gè)型號(hào)，并可按要求內(nèi)置姿態(tài)傳感器(圖16)。其中PS138為與中船重工707所聯(lián)合研制，集成了慣性導(dǎo)航設(shè)備，具體性能如表5所示。

型號(hào)PS138PS117PS113PS155工作頻率LF(8～16kHz)MF(18～30kH)HF(35～55kH)MF(20～30kH)信號(hào)形式CW、FM、可編程CW、FM、可編程HPR 400(兼容RANGER)CW、FM、可編程兼容SCOUT系統(tǒng)CW、FM、可編程作用距離3000m2000m1000m2000m聲頭深度200m50m50m300m測向精度0.3°1°0.6°0.3°定位精度1m±0.5%D(RMS,不含航姿和GPS誤差)1m±1%D(RMS,使用基陣內(nèi)置慣導(dǎo),外接RTK GPS)1m±1.5%D(RMS,不含航姿和GPS誤差)1m±2%D(RMS,使用基陣內(nèi)置磁羅盤,不含GPS誤差)1m±1%D(RMS,不含航姿和GPS誤差)1m±1.5%D(RMS,使用基陣內(nèi)置磁羅盤,不含GPS誤差)1m±0.5%D(RMS,不含航姿和GPS誤差)1m±1%D(RMS,使用基陣內(nèi)置磁羅盤,不含GPS誤差)航姿傳感器內(nèi)置慣導(dǎo)內(nèi)部/外部(可選配)內(nèi)部/外部(可選配)內(nèi)部/外部(可選配)目標(biāo)個(gè)數(shù)5工作方式同步觸發(fā)方式(外同步/內(nèi)同步)、應(yīng)答方式(詢問)

嘉興易聲電子科技有限公司核心研發(fā)人員出自于嘉興中科聲學(xué)科技有限公司，主要研發(fā)小型100m以內(nèi)淺水超短基線水下定位系統(tǒng)，目前已經(jīng)與國內(nèi)主流生產(chǎn)ROV的廠家建立了聯(lián)系。最大優(yōu)勢(shì)是體積小巧、價(jià)格低。其eSTS系列產(chǎn)品的作用距離為800m，精度為1.0%D。

中海達(dá)下屬的海洋信息技術(shù)有限公司推出的基于水聲寬帶擴(kuò)頻技術(shù)和高精度時(shí)間同步技術(shù)的便攜式超短基線水下定位系統(tǒng)，目前有2款型號(hào)：iTrack-UB1000(圖17)和iTrack-UB3000。該系統(tǒng)融入了高精度差分RTK-GPS定位技術(shù)，可滿足各種高精度的水下定位導(dǎo)航應(yīng)用的需求，可同時(shí)對(duì)5個(gè)水下目標(biāo)進(jìn)行精確定位[23]，具體性能如表6所示。

型號(hào)iTrack-UB1000iTrack-UB3000量程1500m3000m定位精度0.5m+1.2%D0.5m+1%D工作頻率20～28kHz15～25kHz質(zhì)量30kg12kg定位間隔1.5s1.5s

綜上所述，本領(lǐng)域中國內(nèi)和國外目前還存在較大差距，通過同類產(chǎn)品比較可以發(fā)現(xiàn)，國外大多已是成熟產(chǎn)品推廣市場，標(biāo)志著其技術(shù)已相對(duì)成熟，而國內(nèi)多為科研樣機(jī)。性能參數(shù)上，國外產(chǎn)品作用距離更大，定位精度更高，并且都能夠內(nèi)置姿態(tài)儀羅經(jīng)或者慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，已實(shí)現(xiàn)慣性/水聲一體化。而國內(nèi)在長距離、高精度定位方面還有待加強(qiáng)，面對(duì)水下環(huán)境中的諸多實(shí)際問題，還有很多技術(shù)難點(diǎn)需要攻克。

5 未來的發(fā)展趨勢(shì)與展望

隨著水聲技術(shù)的提高，一些超短基線定位系統(tǒng)的性能向著長基線、短基線定位系統(tǒng)靠近，在許多指標(biāo)要求并不苛刻的場合，超短基線定位系統(tǒng)的便利優(yōu)勢(shì)更加凸顯。水聲技術(shù)的發(fā)展很大程度上依賴著數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)的積累，國外諸多老牌企業(yè)都具有幾十年的行業(yè)背景，相關(guān)產(chǎn)品經(jīng)歷了幾代升級(jí)，不僅產(chǎn)品性能可靠超前，而且具有一系列型號(hào)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，占據(jù)著全球水下定位導(dǎo)航行業(yè)的市場。我國超短基線定位研究起步晚，同國外還存在較大的差距，不僅性能和可靠性落后，國內(nèi)相關(guān)研究單位和型號(hào)寥寥可數(shù)，且未能實(shí)現(xiàn)完全國產(chǎn)化。針對(duì)我國超短基線定位技術(shù)發(fā)展，主要可以從如下4個(gè)方向進(jìn)行研究[24]。

5.1 提高水聲定位性能

目前國內(nèi)水聲定位的短板主要存在于傳感器部分，如質(zhì)量、尺寸、耐壓性、量程、信噪比、器件測量精度等方面[25]。一方面需要突破材料，選用更輕更耐壓的材料，在保護(hù)聲頭傳感器的同時(shí)具有較高的聲波穿透性和環(huán)境噪聲的抑制性；另一方面，采用更低頻的信號(hào)才能達(dá)到更遠(yuǎn)的傳播距離，衰減后的低頻信號(hào)更容易被海洋背景噪聲干擾，因此增大信噪比、量程和精度要求更高的器件工藝，是有效的降噪濾波手段。水下環(huán)境復(fù)雜多變，其中多徑效應(yīng)和聲線彎曲是最大的干擾，如何克服其帶來的影響是關(guān)鍵[26]。此外，寬帶擴(kuò)頻信號(hào)具有作用范圍廣、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合水聲通信與定位，國外已成功應(yīng)用并廣泛推廣，因此未來水聲定位是必然的發(fā)展方向。

5.2 慣導(dǎo)結(jié)合的一體化設(shè)備

超短基線定位系統(tǒng)需要MRU和電羅經(jīng)提供姿態(tài)和船艏方向。由于在載體上的安裝位置不同，這就需要在每次使用前對(duì)安裝誤差角進(jìn)行標(biāo)定，不僅復(fù)雜而且增加了外設(shè)數(shù)量。以挪威、法國和英國的三家巨頭企業(yè)為代表生產(chǎn)的一體化產(chǎn)品成為該方向的發(fā)展走勢(shì)。將高精度慣性組件集成到超短基線中，不僅可以為超短基線定位實(shí)時(shí)提供高精度姿態(tài)，還可以輸出慣性導(dǎo)航結(jié)果，高速率的慣導(dǎo)輸出結(jié)果彌補(bǔ)了水聲較低的刷新率，超短基線的定位結(jié)果又可以周期性地對(duì)慣導(dǎo)的累積誤差進(jìn)行重調(diào)。從整體上看，一體化系統(tǒng)省去了外部設(shè)備，能夠獨(dú)立完成水下定位任務(wù)。安裝誤差在出廠時(shí)就進(jìn)行了精確校正，使用時(shí)不需再進(jìn)行相關(guān)工作，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的精度、便捷性和操作性[27-29]。

5.3 多種方式的混合基線定位

長基線、短基線和超短基線隨著在定義中有著各自的特點(diǎn)，但影響在使用過程中的相互融合。當(dāng)超短基線聲頭在布有基陣的海域分別與多個(gè)應(yīng)答器配合工作時(shí)，既可以由超短基線原理來定位也可以由長基線原理來定位，冗余信息將會(huì)在各自的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升效果，這就是L/USBL[30]。當(dāng)超短基線聲頭在多個(gè)位置對(duì)單個(gè)應(yīng)答器進(jìn)行測量時(shí)，如果各位置已知，則也可以構(gòu)成L/USBL[31-32]。同理，若多臺(tái)超短基線設(shè)備固定于船體前后同時(shí)工作，則可構(gòu)成S/USBL，而L/S/USBL也是可以實(shí)現(xiàn)的。此外，在一些特定的應(yīng)用條件下，結(jié)合GPS、慣導(dǎo)、深度計(jì)、多普勒儀或是拖曳電纜等設(shè)備，超短基線還可以在有源和無源模式之間選擇，使用方式更加靈活多變。

5.4 高速水聲通信服務(wù)

水聲定位由最初的單頻信號(hào)朝著寬帶擴(kuò)頻信號(hào)發(fā)展，水聲通信技術(shù)發(fā)展了幾十年，如今也在寬帶擴(kuò)頻領(lǐng)域中找到了和定位技術(shù)結(jié)合的契機(jī)。未來水聲定位技術(shù)和水聲通信技術(shù)將日趨成熟，兩者的結(jié)合天衣無縫，也是大勢(shì)所趨。水聲信號(hào)中將包含一段報(bào)文信息，同時(shí)又將被用于測時(shí)定位，這就涉及信號(hào)檢測、時(shí)延精確提取、報(bào)文解析以及高速傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)。目前國外生產(chǎn)商新一代的升級(jí)方向更加注重高速水聲通信，水下節(jié)點(diǎn)間的水文位置等信息在高速通信技術(shù)的支持下可以相互傳輸，有利于進(jìn)一步提高性能，并使得系統(tǒng)的工作方式也更加的靈活方便。寬帶信號(hào)體制還允許接入更多的目標(biāo)，以滿足水下大區(qū)域密集任務(wù)小區(qū)協(xié)同工作。