路青青，郭金運(yùn)，秦建

( 1.山推工程機(jī)械股份有限公司，山東濟(jì)寧 272104；2.山東科技大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，山東青島 266590；3.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300456 )

0 引言

2014年發(fā)生的馬航MH370和亞航QZ8501兩起空難給人們敲響了警鐘，而飛機(jī)殘骸及遇難人員的搜救定位是一項(xiàng)復(fù)雜而又急迫的事情，特別是作為空難“見(jiàn)證人”的失事飛機(jī)黑匣子的搜尋定位打撈，是空難事故搜尋搜救的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容，受到人們極大的關(guān)注[1].

在馬航MH370飛機(jī)殘骸及黑匣子水下搜尋過(guò)程中，國(guó)外救援隊(duì)伍利用美國(guó)的水下自主航行器“藍(lán)鰭金槍魚(yú)-21”、水下聲波探測(cè)儀、海底聲納等先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行搜救工作[1].1986年美國(guó)“挑戰(zhàn)者”號(hào)的找回任務(wù)及“泰坦尼克號(hào)”的搜索等任務(wù)促進(jìn)了國(guó)外深海探測(cè)的發(fā)展[2-4].中國(guó)使用的黑匣子搜尋儀是手持便攜式，不適合大面積深海搜尋作業(yè)，深海搜尋技術(shù)方法與西方國(guó)家有很大差距[3].在水下信號(hào)搜尋方面，吳國(guó)清[4]利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)淺海水平距離500 m 內(nèi)水下目標(biāo)被動(dòng)測(cè)距；中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所田杰等[5]給出了一種基于二元結(jié)構(gòu)的水下目標(biāo)定位系統(tǒng)及定位方法；哈爾濱工程大學(xué)[6]提出了一種基于差分技術(shù)的水下定位方法；中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司某研究所承擔(dān)的2013年科技部科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目子課題系統(tǒng)研制及示范.該課題主要是針對(duì)淺海條件下水上作業(yè)人員的應(yīng)急搜尋和定位，為深水海域水下聲信標(biāo)搜尋探測(cè)奠定了技術(shù)基礎(chǔ).2007年，為保障國(guó)家某海上重大專項(xiàng)試驗(yàn)，該研究所研制了某型聲信標(biāo)探測(cè)定位系統(tǒng)及3種頻率的聲信標(biāo)，該系統(tǒng)至今一直在該試驗(yàn)中執(zhí)行關(guān)鍵設(shè)備的水下搜尋定位任務(wù).在水下目標(biāo)自主搜尋與定位方面，中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司某研究所，很早就進(jìn)行了無(wú)人水下航行器(UUV)裝備和技術(shù)的研究.在20世紀(jì)70年代末開(kāi)始進(jìn)行水下機(jī)器人的研究，為兼顧陣元數(shù)、相位模糊和基陣孔徑大小.李想等[7]、喻敏等[8]提出了8 元陣的概念，充分利用了兩兩半波長(zhǎng)布陣解決相位模糊問(wèn)題，再利用四組換能器間的大孔徑來(lái)解決定位精度的問(wèn)題；鄭翠娥等[9]進(jìn)一步改進(jìn)基陣結(jié)構(gòu)，添加了一對(duì)用于相位抗模糊基元，使結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度；肖亮等[10]將傳統(tǒng)超短基線擴(kuò)展到9元陣、單邊5元基陣的方案，較好地解決了定位精度與遠(yuǎn)距離的問(wèn)題.為了使超短基線的作用距離增加，同時(shí)考慮相位模糊與基陣孔徑的問(wèn)題，劉增力等[11]采用了24 元線陣來(lái)定向黑匣子信標(biāo).

本文結(jié)合參與亞航QZ8501黑匣子搜尋工作經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)我國(guó)海上遇險(xiǎn)目標(biāo)搜尋定位應(yīng)急需求，以解決高效快速確定飛機(jī)殘骸墜落區(qū)域、黑匣子精確搜尋定位為目標(biāo)，形成一套完整有效的海上飛機(jī)黑匣子搜尋定位技術(shù)方法.提出一套系統(tǒng)的黑匣子應(yīng)急定位打撈體系，驗(yàn)證利用超短基線聲吶定位系統(tǒng)精確定位黑匣子位置的可行性和可靠性.

1 超短基線黑匣子搜尋定位原理方法

1.1 超短基線黑匣子定位原理

超短基線定位系統(tǒng)(USBL)的定位原理為：通過(guò)測(cè)量信號(hào)的到達(dá)方位和距離來(lái)定位，而測(cè)向任務(wù)是通過(guò)測(cè)量信號(hào)到達(dá)接收基陣陣元之間的相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這是超短基線定位系統(tǒng)的關(guān)鍵[12].在超短基線換能器中有5個(gè)成圓形均勻分布的水聽(tīng)器和在圓心中的聲學(xué)發(fā)射器，通過(guò)發(fā)射器發(fā)射聲波，5個(gè)水聽(tīng)器接收信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行距離交匯來(lái)定位信標(biāo)位置.

如圖1所示，以船艏向?yàn)閄軸正方向，以船右舷為Y軸正方向，符合右手坐標(biāo)系.在某一時(shí)刻，由超短基線收到的信標(biāo)信號(hào)計(jì)算得出的斜距S與Xa、Ya和黑匣子所處水深Z之間的關(guān)系為

圖1 超短基線定位原理

Z為超短基線信標(biāo)位置水深，在超短基線定位中，其值需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行人為輸入.

從而解得信標(biāo)在Y軸上的分量為

1.2 黑匣子快速定位

解算式(9)便可得出最后黑匣子所在位置.

2 SCOUT+超短基線黑匣子海上搜尋方法

由英國(guó)Sonarydne 公司生產(chǎn)的SCOUT+UABL，可兼容四種信標(biāo)Wideband Sub Mini、OBC、AODC、水深測(cè)位儀(pinger).其中pinger模式可進(jìn)行黑匣子搜尋作業(yè).為了盡可能真實(shí)地進(jìn)行黑匣子海上搜尋，本次海試選取天津港臨港工業(yè)區(qū)博邁科港池，水深較平坦約為10 m，航道處水深約15～20 m，測(cè)試位置圖如圖2所示，海試流程如圖3所示.

圖2 博邁科港池測(cè)試位置圖

圖3 海試流程圖

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

設(shè)備連接好后，在SCOUT+USBL 中添加pinger模式信標(biāo)和OBC信標(biāo).特別注意的是，在添加pinger模式信標(biāo)時(shí)，需要輸入跟蹤海域水深，由式(1)可以看出，水深h值也是影響平面位置的一個(gè)因素.把OBC信標(biāo)和黑匣子模擬器并排同時(shí)固定在重物上并拋入海底，信標(biāo)和模擬器幾何中心距離為10 cm，可認(rèn)為兩者位置相同，忽略兩者安裝距離誤差.精確跟蹤OBC信標(biāo)30 min 后，取OBC信標(biāo)平面坐標(biāo)的平均值，作為黑匣子模擬器的真實(shí)位置坐標(biāo).以此為中心布設(shè)長(zhǎng)為300 m 的測(cè)線由遠(yuǎn)及近進(jìn)行pinger 模式跟蹤，設(shè)置水深為20 m，記錄數(shù)據(jù).本文對(duì)黑匣子定位精度評(píng)定分為兩種方法：第一種是采用Scout+自帶軟件USBL 采集黑匣子模擬器結(jié)果與OBC信標(biāo)所測(cè)位置進(jìn)行比較分析；第二種是采用我院開(kāi)發(fā)的定位軟件通過(guò)角度定位結(jié)果，對(duì)比Scout+安裝位置與OBC信標(biāo)所測(cè)位置實(shí)時(shí)真實(shí)角度進(jìn)行分析.在采集數(shù)據(jù)過(guò)程中，分別更改USBL 中信標(biāo)參數(shù)個(gè)更新率(update rate)，從1～6 s分別測(cè)試探測(cè)黑匣子模擬器信號(hào)質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)在其他環(huán)境不變的情況下，使用4 s的update rate采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)較好.更改receive pulse length 對(duì)本次試驗(yàn)信號(hào)質(zhì)量無(wú)本質(zhì)上的影響.所以最后采集數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)置receive pulse length 為1 ms，updaterate為4 s.

3.2 平面定位結(jié)果分析

文中使用實(shí)際海況下采集的4條300 m 測(cè)線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總計(jì)算，與OBC信標(biāo)采集的最終位置對(duì)比，進(jìn)行其位置精度評(píng)定.實(shí)際數(shù)據(jù)采集時(shí)，超短基線換能器距離黑匣子最近距離約為27 m，其中兩條為往返測(cè)線，對(duì)比結(jié)果如表1.

表1 pinger 模式模擬器位置與OBC信標(biāo)最終位置對(duì)比m

通過(guò)超短基線進(jìn)行pinger 模式對(duì)黑匣子模擬器進(jìn)行跟蹤定位.由表1和圖4可知，與實(shí)際位置對(duì)比，隨著距離的增加，數(shù)據(jù)質(zhì)量下降，約為20～70 m，數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，數(shù)據(jù)質(zhì)量比較穩(wěn)定.但是在20 m 水深情況下，最大位置差達(dá)到20 m，最小位置差也在2 m 以上，位置差的平均值為8.41 m，對(duì)比結(jié)果的均方根(RMS)值為10.50 m.以此可以看出：通過(guò)超短基線pinger 模式，借助人工設(shè)置水深情況下，對(duì)黑匣子模擬器平面位置的跟蹤定位精度不高，超過(guò)80 m 距離以后，數(shù)據(jù)質(zhì)量已經(jīng)不可靠.分析原因可能是由于水深太淺，遠(yuǎn)距離情況下超短基線換能器接收信號(hào)角度受到限制.引起位置誤差較大原因，可能與在設(shè)置pinger 模式時(shí)輸入的水深數(shù)值有關(guān)，從式(5)、式(6)可以看出，探測(cè)黑匣子在平面位置坐標(biāo)與水深h值有很大關(guān)系，而實(shí)際海試中，水深h值也只是輸入的某一區(qū)域的大概水深.從對(duì)比結(jié)果可以看出：雖然通過(guò)超短基線進(jìn)行黑匣子模擬器搜尋的平面定位精度不高，但其測(cè)量精度滿足對(duì)黑匣子初步探測(cè)搜尋需求.

圖4 pinger 模式跟蹤位置與實(shí)際位置比較圖

3.3 角度測(cè)量精度分析

文中采用4條測(cè)線中超短基線跟蹤pinger 模式下黑匣子模擬器所得到的角度值，與同一時(shí)刻黑匣子模擬器實(shí)際位置位于超短基線換能器時(shí)的實(shí)際角度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示.

表2 角度定位中測(cè)量角度與實(shí)際角度對(duì)比表(°)

由表2和圖5可知，通過(guò)超短基線pinger 模式進(jìn)行黑匣子探測(cè)定位，角度測(cè)量與實(shí)際位置角度差值，最大為4.9°，最小為0.2°，角度測(cè)量差的RMS 值為2.64°，其數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差為0.88°，由RMS可以看出，角度測(cè)量的精度在3°以內(nèi).

圖5 角度定位中測(cè)量角度與實(shí)際角度對(duì)比成果圖

實(shí)際差值統(tǒng)計(jì)中，有80%的差值接近3°，分析可能是因?yàn)閾Q能器艏向安裝誤差引起，由于使用的漁船船舷弧度過(guò)大，導(dǎo)致超短基線換能器安裝桿不能固定牢固，在行駛過(guò)程中由于水流原因?qū)е聯(lián)Q能器方向改變.考慮到此因素，在原角度差值中剔除3°的儀器安裝誤差.進(jìn)行數(shù)據(jù)分析如表3所示.

表3 角度定位中剔除3°安裝誤差后測(cè)量角度與實(shí)際角度對(duì)比表(°)

由表3可知，在剔除3°的儀器安裝誤差后，角度差值的最大值為0.9°，最小值已經(jīng)達(dá)到0°，RMS值為0.40°，角度測(cè)量的定位精度已經(jīng)在1°以內(nèi).測(cè)量結(jié)果可以達(dá)到快速搜尋黑匣子的定位精度要求.

4 結(jié)束語(yǔ)

超短基線pinger 模式信標(biāo)搜尋功能為黑匣子海上搜尋提供了技術(shù)支持.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司海洋勘察處承擔(dān)的亞航QZ8501遇難飛機(jī)殘骸搜尋和黑匣子搜尋的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)為超短基線黑匣子搜尋技術(shù)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn).

本文利用Sonardye公司生產(chǎn)的SCOUT+USBL，在真實(shí)海上環(huán)境進(jìn)行黑匣子模擬器的搜尋定位試驗(yàn)，并對(duì)取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出其定位精度在10 m量級(jí)，可以進(jìn)行黑匣子模擬器的初步搜尋定位需求.通過(guò)SCOUT+USBL 的pinger 模式進(jìn)行黑匣子搜尋定位提供的角度數(shù)據(jù)，使用快速角度定位軟件，進(jìn)行超短基線定位數(shù)據(jù)融合，使得其角度RMS定位精度達(dá)到0.40°.

由本文的結(jié)果看，通過(guò)pinger 模式進(jìn)行黑匣子搜尋定位精度達(dá)到1°以內(nèi)，結(jié)果可靠.