溫韶娟，李雨桐，張國恒，查品德

（北京長城電子裝備有限責任公司，北京 100082）

0 引言

深海空間站可利用站載（物理、化學、生物檢測系統(tǒng)及光、聲學）觀察系統(tǒng)，直接操控所攜帶的無纜自治潛器、水下吊車、有纜遙控作業(yè)潛器及其配套的作業(yè)工具，可滿足不同應用對象的具體作業(yè)要求，長周期、高效率開發(fā)深海資源，開展深海原位科學研究等作業(yè)任務。研究確定包括水下定位導航系統(tǒng)服務保障在內的深?？臻g站服務保障模式，是確保深海空間站國家重大科技項目實施的重要基礎，也是確保未來深?？臻g站工程應用可靠、高效開展的關鍵所在。傳統(tǒng)單一的保障船模式僅依靠超短基線等水下定位方法，水下平臺定位速度慢、誤差大、相互感知協(xié)作困難，已無法滿足要求，需要探索水下多平臺協(xié)同作業(yè)保障方案。

深?？臻g站在母船伴隨保障時面對惡劣天氣存在安全風險及水下多平臺作業(yè)低效的問題，構建深海環(huán)境中百平方千米級的水下定位、導航和通信一體化組網(wǎng)系統(tǒng)，研究其對“深?？臻g站”的服務保障模式，服務國家深海戰(zhàn)略、填補深海一體化水下通信導航產品空白。

深海水聲定位[1-3]一直以來都是各國研究的重點和難點。隨著水聲通信在軍事上、戰(zhàn)略上越來越普遍的應用，對深海水聲定位穩(wěn)定性、準確性、實時性也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的水聲定位系統(tǒng)采用的是CW脈沖測時，測時誤差為脈寬長度。擴頻測時采用偽隨機碼測時算法，偽隨機碼抗干擾、抗多途和抗多普勒的能力強，尤其是在低信噪比下測時精度好。當采用 1個周期的偽隨機碼序列作為發(fā)射信號，接收機接收到偽隨機碼后獲取發(fā)射時間和讀取本地時間，這個時間差就是發(fā)射端與接收端的時間。不難看出把碼片選得很窄，就可以實現(xiàn)高精度的測時，時間的分辨率即為1個碼片[4-5]。

海洋環(huán)境特性中海水聲速度是不均勻分布的，由射線聲學可知，聲音在海洋信道中的傳播聲線是彎曲行進的，且聲速沿垂直深度變化越快，聲線就越彎曲。聲線彎曲意味著聲信號從發(fā)射點到接收點的傳播時延大于聲信號直線傳播的傳播時延，而且在空間中不同位置聲線彎曲影響的程度也是不一樣的。聲線彎曲使得水聲定位解算時不能選用某個恒定聲速，而應該是與各點對應的等效聲速。因此在定位解算中采用等效聲速代替恒定聲速對彎曲的聲線進行聲線修正計算，提升水下定位精度[6-9]。

1 水聲定位原理

深海水聲定位系統(tǒng)在水中布放4個信標，信標定位系統(tǒng)模型如圖1所示。每個信標完成自身差分GPS定位和計算目標到信標的時間信息，并通過無線擴頻通信鏈加密傳輸?shù)酱d分系統(tǒng)，再解算出目標的位置[2]。

距離測量水聲定位系統(tǒng)是通過測量水下聲源（目標）所發(fā)射的聲信號從發(fā)射到接收所經歷的時延來確定聲源到各接收點的距離，從而實現(xiàn)對目標進行定位的。每一組時間測量確定聲源所在的一個球面，即

式中：（xi, yi, zi）和ti分別是第i個基元的空間位置和接收到信號時刻相對于接收機時鐘的時間；和 ts為聲源（目標）空間坐標和信號發(fā)射時刻相對于接收機時鐘的時間；c為聲波在水中的傳播速度。

深海水聲定位系統(tǒng)的有效作用范圍如圖2所示。

當通信信標和目標的深度已知時，只需要3個獨立的方程即可得到目標位置信息。水下聲源（目標）所發(fā)射的聲信號，利用最先接收到聲信號的3個通信信標對目標進行水下定位。

2 基于擴頻的時延估計技術

深海水聲定位系統(tǒng)采用脈沖測距方式，通過測量目標到達通信信標的時間延遲計算出距離，進而解算出目標的位置。水聲換能器所接收到的水聲信號的時延估計精度直接影響系統(tǒng)的定位精度，因此采用寬帶擴頻信號來進行精準的時延估計。

在對寬帶擴頻信號起始位置的測量中采用了初步粗估和精細搜索相結合的方法。首先用本地的同步信號和接收信號進行相關，估計多普勒的同時確定信號的起始位置；在對信號進行多普勒補償后，利用和本地同步信號的相關，通過時間戳再次進行位置的精確估計。

圖3 時間戳估計時間時域圖Fig. 3 Time-domain diagram of timestamp estimated time

在接收的時候為每個信號段依次打上時間戳Tick0、Tick1、…、Tick4，相鄰時間戳點數(shù)為Np。初步粗估計時判斷的信號到達位置為 P0，所在時間戳為Tick，經過多普勒補償和信道均衡后，再次精細估計得到的位置為P1，其中P0、P1代表緩存中位置的點數(shù)。此時信號真正抵達的時間T為

在信號處理中，寬帶擴頻信號能夠有效地衰減系統(tǒng)中的非相關噪聲，如水聲環(huán)境噪聲、系統(tǒng)電噪聲等，抗多徑干擾能力強，可以在復雜聲學環(huán)境下完成對水下目標到聲通信信標間精確測時，測時精度為1個碼片的寬度。

圖4給出隨著目標運動距離的變化的時延估計的曲線，擴頻信號的中心頻率為7 kHz，節(jié)拍為3，碼元個數(shù)是1 023，1個碼片的寬度為0.426 ms。由圖可知沒有多徑時最大時延估計誤差為 0.050 ms；簡單多徑時最大時延估計誤差為 0.124 ms；中等多徑時最大時延估計誤差為 0.198 ms；復雜多徑時最大時延估計誤差為0.366 ms，小于0.426 ms。由此可見，時延誤差受多徑影響大，多徑越復雜時延誤差越大，小于1個碼片的寬度。

圖4 時延估計誤差曲線Fig. 4 Curve of time delay estimation error

3 基于有效聲速的聲線修正技術

海洋中介質不均勻性導致海水中各點聲速的不一致，按照射線聲學的觀點，聲線是彎曲行進的，因此為保證海洋中聲學測距的準確性必須要給出一個準確的聲速。因此，聲速極大地影響著水下定位系統(tǒng)的準確性。聲線彎曲使水聲定位解算時不能選用一個恒定聲速，而應該是與各深度對應的等效聲速。在定位解算中用等效聲速代替恒定聲速就能夠將聲線彎曲進行修正，從而降低聲速誤差引起的定位誤差。常用的聲線修正方法包括迭代法和等效聲速法。深海水聲定位若采用迭代法會比較復雜，故采用等效聲速法進行聲線修正。

等效聲速的概念是 2002年由 Vincent H.T.和Hu S.L.提出，指由目標到應答器的直線距離與目標到應答器的傳播時間的比值。在等效聲速的基礎上，同時還提出了建立等效聲速表的方法，假設深海水下聲速多層分布，設目標深度為 HS，海底應答深度為 HR，初始掠射角為 ao，進行聲線跟蹤，計算其傳播時間ti和水平距離ri，累積求和，最終得到總傳播時間T和總水平距離R，再由深度差計算求得斜距。

對于給定掠射角，其俯仰角β和等效聲速c可由下式計算得到：

對于給定的HS和HR，不斷改變初始掠射角ao，可計算得到對應的水平距離和等效聲速，對此查表即可得到此聲速剖面下的等效聲速表。但由于海底的反射，使用ao來表征時有可能出現(xiàn)多值。

所以，利用最早到達聲線時延來建立等效聲速表。具體方法使用水平距離 R，將等效聲速表示為水平距離和深度的函數(shù)，即c（HS，HR，R）。設定作用范圍 R及步長Δt，給定 HS、HR和 Ri條件下，通過射線聲學原理計算最早到達聲線傳播時延T，再計算等效聲速c，改變 Ri= Ri+Δr ，重新計算等效聲速值，然后可得到與時延相關的等效聲速表。

等效聲速表的利用可使用局部線性內插法。其主要思想是：將兩水平距離間的聲速分布假設為線性的，根據(jù)線性插值獲取等效聲速值。假設與到達時間差值最小的時間分別為 Ti和 Tj，其對應的兩等效聲速點為ci和cj，則其線性內插公式如下：

4 仿真結果

在實驗室進行深海水聲定位仿真。仿真條件：通信信標深度1 km、目標深度1 km；通信信標水平布放坐標分別為[2 000 m，2 000 m]，[2 000 m，-2 000 m]，[-2 000 m，2 000 m]和[-2 000 m，-2 000 m]。目標從[10 km，-10 km]水平位置運動到[-10 km，10 km]水平位置，運動狀態(tài)為20 m/s的勻速直線運動。仿真深海冬季水文聲速剖面，如圖5所示。海底底質為粗砂條件下，目標深度1 km、通信信標深度1 km下擴頻測時加聲線修正、擴頻測時加非聲線修正的定位結果。

圖5 深海冬季水文聲速剖面圖Fig. 5 Deep sea hydrological sound velocity profile in winter

結合圖5中的深海冬季聲速剖面、海底底質以及發(fā)射接收深度，建立傳播時間與等效聲速的對應關系，如圖6所示。仿真采用擴頻通信測時和脈沖測時，以及未聲線修正和聲線修正后的目標定位結果，目標軌跡仿真結果如圖7所示。目標定位誤差如圖 8所示。聲線未修正的定位誤差最大值為3.274%，聲線修正后的定位誤差最大值為0.168%。測試結果表明在相同條件下，聲線修正會提高深海水聲定位的精度。

圖6 傳播時延與等效聲速的對應圖Fig. 6 Reciprocal diagram of propagation delay and equivalent sound velocity

圖7 深海冬季水文目標軌跡圖Fig. 7 Trajectory of deep sea hydrological target in winter

圖8 深海冬季水文目標定位誤差曲線Fig. 8 Curve of deep sea hydrological target positioning error in winter

5 結束語

本文主要是研究基于等效聲速的深海水聲定位技術。海洋中的聲速存在梯度，聲線傳播會發(fā)生彎曲，利用聲線聲學理論建立一個最早到達時延與等效聲速的表格。然后，利用寬帶擴頻信號來獲得目標與通信信標之間時延，通過查表的方式獲得等效聲速，從而獲得目標與通信信標之間的距離，然后利用雙曲線交匯技術估計出目標的方位。本文仿真了在深海復雜水文條件下，利用寬帶擴頻信號估計目標運動軌跡路線，表明該方法能夠有效的提高水聲定位精度。