祝 侃

（中國船舶集團有限公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

隨著海洋科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水聲定位系統(tǒng)的作用越來越廣泛。在海洋勘探、水下目標(biāo)探測以及水下設(shè)備標(biāo)定等科考活動中，通常會遇到對水下目標(biāo)進行精確定位的問題，利用水聲技術(shù)對水下目標(biāo)進行定位是解決該問題的一項關(guān)鍵技術(shù)[1]。水聲定位系統(tǒng)是利用水下聲波定位的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)高精度、連續(xù)自動、準(zhǔn)實時地標(biāo)識水下目標(biāo)位置[2]，是利用沿不同距離路徑傳播的水下聲脈沖間的時間差或相位差，對水面、水中目標(biāo)定位的儀器系統(tǒng)[3]。在民用上，可用于水下目標(biāo)跟蹤、定位、海上石油勘探、海底管道鋪設(shè)定位及維修等[4]；在軍事上，可以實現(xiàn)各種水下潛艇、無人潛航器和監(jiān)測節(jié)點的精確定位，研究意義重大。

1 系統(tǒng)組成

水聲定位系統(tǒng)按照定位基線的尺度一般可分為長基線、短基線和超短基線3種類型。

表1 水聲定位系統(tǒng)分類Table 1 Classification of hydroacoustic positioning systems

長基線水聲定位系統(tǒng)一般需要提前布署在預(yù)定海域，多采用海底固定節(jié)點的方式，也可采用水聲浮標(biāo)的方式，各節(jié)點距離幾百至幾千米，通過海底電纜或水面高速無線通訊實現(xiàn)各節(jié)點數(shù)據(jù)的匯總分析和計算。長基線系統(tǒng)一般需要采用合作信標(biāo)的模式完成目標(biāo)定位，被測的水下目標(biāo)需要搭載對應(yīng)的合作聲信標(biāo)，通過測量各基線節(jié)點和被測目標(biāo)搭載信標(biāo)之間的距離，采用球面幾何交匯的方法進行目標(biāo)定位，一般至少需要3個節(jié)點的數(shù)據(jù)才可以實現(xiàn)精確的目標(biāo)導(dǎo)航與定位，實際應(yīng)用中，可以布設(shè)多個基元，產(chǎn)生冗余觀測數(shù)據(jù)，提高測量精度[5]。

短基線水聲定位系統(tǒng)一般安裝在船舶或大型試驗平臺上，多采用共型安裝，或設(shè)計專用的船載安裝結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，采用三元或四元構(gòu)建聲基陣，各節(jié)點距離幾米至幾十米。各基元之間的相互關(guān)系需要提前進行精確的測定，組成聲基陣坐標(biāo)系，為方便使用，一般還需要測量和計算出與船體坐標(biāo)系的關(guān)系。短基線系統(tǒng)有同步信標(biāo)和應(yīng)答信標(biāo)測量2種方式，多采用同步信標(biāo)進行水下定位。同步信標(biāo)模式下，首先測得各基元接收到目標(biāo)信號相對于同步信號的時延，然后計算各自的聲程，再利用球面交匯算法得到目標(biāo)相對基陣的幾何位置關(guān)系。

超短基線水聲定位系統(tǒng)使用較為靈活，可臨時安裝在船體任意位置，特別適用于水下目標(biāo)長時間跟蹤定位。其所有聲基元集中安裝在一個陣面結(jié)構(gòu)中，聲基陣坐標(biāo)系與船的坐標(biāo)系之間的關(guān)系要在安裝時精確測定，包括位置（X、Y、Z偏差）和姿態(tài)（聲基陣的安裝偏差角度：橫滾、俯仰、方位角）。使用時需要在被測目標(biāo)上安裝與超短基線配套的合作聲信標(biāo)，系統(tǒng)一般通過測定各聲基元接收到目標(biāo)信號的相位差，得到各基元與目標(biāo)的聲程差，計算得到各基元與目標(biāo)距離，再用聲速剖面的數(shù)據(jù)修正聲程值，最后解算出其幾何位置。

圖1 短基線定位系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of short baseline underwater acoustic positioning system

圖2 短基線定位系統(tǒng)實物樣機Fig.2 Physical prototype of short baseline underwater acoustic positioning system

傳統(tǒng)的短基線水聲定位系統(tǒng)在船載使用時，需要提前對陣形進行現(xiàn)場測量，如果系統(tǒng)更換到新的測量平臺中又需要重新進行，使用較為不便，極大影響了其應(yīng)用和定位效果。本文完成了一種快速自適應(yīng)的船載短基線水聲定位系統(tǒng)，可以自動適應(yīng)測量平臺，快速完成陣型的自測定，同時結(jié)合高精度衛(wèi)星羅經(jīng)和精準(zhǔn)的同步聲信號時延解算，最終實現(xiàn)靜止或低速水下目標(biāo)的高精度水聲定位功能。

項目組依托某試驗場船載測量系統(tǒng)建設(shè)項目，完成了本定位系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，并開展了湖上演示試驗測試，500 m范圍內(nèi)定位精度優(yōu)于1 m，2 km范圍內(nèi)定位精度優(yōu)于2 m。實驗表明：本系統(tǒng)可以在各種船載平臺上進行聲基陣的快速自適應(yīng)測量，并完成高精度的水下目標(biāo)定位功能。

自適應(yīng)短基線定位系統(tǒng)主要由水聲信號處理單元、收發(fā)合制聲基元、便攜式計算機、水聲定位軟件、同步聲信標(biāo)、衛(wèi)星羅經(jīng)等組成，所有的基元均采用柔性電纜放置到水下，且換能器下方綴有重物，以保證其位置的穩(wěn)定性[6]，系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 短基線定位系統(tǒng)工作流程Fig.3 Working process of short baseline underwater acoustic positioning system

2 快速自適應(yīng)陣型計算

考慮到本定位系統(tǒng)需要在多個試驗場的各種試驗船上移動使用，每次 4個基元的陣型均不相同，人為測量不僅繁鎖，而且由于船體形狀遮擋，很難測量準(zhǔn)確。另外，自動測距過程中，存在多途干擾、尖刺噪聲等各種情況，為此，本系統(tǒng)采用一種基于 LFM 回波測距的快速自適應(yīng)的陣型計算方法。

圖4 聲基元陣型示意圖Fig.4 Schematic diagram of acoustic element array

試驗前將4個基元按不同船型的特點，以大致四方形的陣型分層布設(shè)入水，間距控制在10～50 m之間，入水深度一般為固定的10 m或15 m。將收發(fā)一體的4個聲基元接入水聲信號處理單元，然后啟動自適應(yīng)陣型測量功能。自動建立聲基陣坐標(biāo)系，將基元A設(shè)為坐標(biāo)原點，基元B為Y軸方向，AB間聲程Lab的1/2就是by，然后依次測得Lac、Lad、Lbc、Lbd，利用兩圓幾何交匯就可以計算出基元C和基元D在聲基陣坐標(biāo)系中的位置。

完成陣型計算后，再使用高精度衛(wèi)星羅經(jīng)，將其前、后天線分別放置在A、B這2個基元入水位置，即可完成陣型原點A和基線AB在大地坐標(biāo)系下的GPS位置和基線方位，從而實現(xiàn)4個聲基元在大地坐標(biāo)系下準(zhǔn)確、實時的坐標(biāo)位置信息。當(dāng)基元AB的距離5 m以上時，采用型號為AsteRx-m2a的雙天線衛(wèi)星羅經(jīng)，定向誤差最優(yōu)可達 0.03°，定位誤差最優(yōu)可達到單點1.2 m、差分0.4 m，滿足中遠(yuǎn)距離水聲定位的精度要求。

3 同步合作聲信標(biāo)時延解算

時延解算是定位數(shù)據(jù)處理的首要流程，為了提高測距精度，發(fā)射信號的波形選擇是優(yōu)先考慮的因素。主動聲脈沖信號一般以窄帶的CW信號和寬帶的LFM這2種信號形式為主，對應(yīng)的處理方法為上升沿檢測和匹配濾波處理。不同信號波形具有不同信號參數(shù)（如振幅、相位等），會有不同的檢測處理結(jié)果，直接影響測距性能，進而影響定位精度。考慮到本系統(tǒng)主要用于在靜止或低速移動的船只或平臺上使用，更適合采用寬帶LFM信號制式，信號經(jīng)匹配濾波處理后，采用互相關(guān)方式進行檢測[7]，可以獲得較高的處理增益，具有較高的距離分辨力，并有效降低混響的譜級，從而提高檢測能力和測距精度。

對匹配濾波器來說，增加信號帶寬、提供接收信噪比，有利于信號的檢測。但信號帶寬的增加也受到系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜度和信道窄帶條件的制約，帶寬增加將破壞信道的窄帶條件（B/f0<0.1～0.3），加劇信道頻散效應(yīng)。綜合考慮，本系統(tǒng)的發(fā)射信號考慮選取15 kHz、20 kHz這2個頻段進行測試比較。

試驗水域位于某湖上試驗場的一個直線段水域，為近距離的非開闊水域環(huán)境，其邊界的多途反射嚴(yán)重且與直達聲時延間隔短，對時延解算有一定影響。為盡量減少直達信號與反射信號的混疊，本定位系統(tǒng)從信號發(fā)射端考慮適當(dāng)減小聲脈沖信號的脈寬參數(shù)。為此系統(tǒng)測試了5 ms、1 ms和0.5 ms脈寬信號的解算效果。

圖6 脈寬1 ms信號波形及匹配濾波解算Fig.6 Pulse width 1 ms signal waveform and matched filtering solution

圖7 脈寬0.5 ms信號波形及匹配濾波解算Fig.7 Pulse width 0.5 ms signal waveform and matched filtering solution

發(fā)射脈寬5 ms時，脈寬后半段信號幅度強于前半段，原因為水面反射、船反射等多途信號的疊加增強，不利于直達時延的解算。發(fā)射脈寬 1 ms時，反射波還是疊加至直達波尾部導(dǎo)致多途峰值超過了首達峰值。發(fā)射脈寬 0.5 ms時，接收波形上便可清晰地將直達聲與反射聲區(qū)分，不易發(fā)生直達波與反射波的混疊，可有效抑制多途干擾的影響，解算的直達聲時延更穩(wěn)定，因此本系統(tǒng)優(yōu)選發(fā)射脈寬為0.5 ms。

4 短基線定位算法

在短基線定位系統(tǒng)中，主要用到的是球面交匯方法。為了使水下定位得到唯一解，至少需要使用3個基元，為了用最小二乘法求得最佳解，一般采用4個或以上的不共面基元陣型求解。

圖8 球面交匯定位原理示意圖Fig.8 Principle diagram of spherical intersection positioning

在此我們假設(shè)4個基元的坐標(biāo)分別為A(X1,Y1,Z1)、B(X2,Y2,Z2)、C(X3,Y3,Z3)、D(X4,Y4,Z4)，其中A、B、C、D不共面（本系統(tǒng)中A、B、C這3個基元布深10m，D基元布深15m）；設(shè)要定位的目標(biāo)位置P為(X,Y,Z)，P點到A、B、C、D這4點的R1、R2、R3、R4斜距，則定位方程為

則可改寫為矩陣形式：Ax=B

式中：

求解矩陣方程：x=A-1B，即可得到目標(biāo)最終的位置信息。

5 定位誤差分析

對定位方程兩邊求全微分得：

式中：dx、dy、dz為目標(biāo)在該坐標(biāo)系下的位置誤差；dxi、dyi、dzi為第i號陣元在該坐標(biāo)系下的位置誤差；dc是水中聲速誤差；dti為第i號陣元的應(yīng)答信號至目標(biāo)的傳播時延誤差。

由上式可以看出，如果不考慮儀器設(shè)備及電子線路等的影響，單從聲學(xué)角度考慮，短基線定位系統(tǒng)的定位誤差主要有以下3個因素引起：各陣元位置誤差（測陣誤差）、信號傳輸時間測量誤差（測時誤差）、聲速測量誤差（聲速誤差）。對測量誤差精度的影響主要來自于角度的計算誤差，當(dāng)縱傾角、橫搖角、短基線基陣的測量誤差達到 1°，引起的測量精度誤差就會超過 1%[8]，本系統(tǒng)通過對陣元位置的精確標(biāo)定，使其2 km的定位誤差最優(yōu)達到2 m。另外，如果要得到目標(biāo)在大地坐標(biāo)系下的實時位置，要進行一次大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，還需要考慮GPS定位和定向誤差。同時，2個衛(wèi)星天線頂端組成的面與船只水平面也會存在一定的夾角。因此，在雙天線安裝完成后，需要進行姿態(tài)數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)分析，獲得相對固定的偏角和夾角，在實際測量時進行簡單的修正便可對安裝偏差進行校正[9-14]。

6 結(jié)束語

本文提出了一種可快速布置、自動適應(yīng)陣型、基于同步信標(biāo)的高精度船載短基線水聲定位系統(tǒng)。該定位系統(tǒng)由4個不共面的聲基元組成，通過LFM聲脈沖回波測距完成快速的自適應(yīng)陣型計算，目標(biāo)信號經(jīng)匹配濾波處理后，采用互相關(guān)方式完成時延檢測，再采用最小二乘法求得最佳目標(biāo)水下位置解。通過實物樣機的研制和湖上試驗，驗證了系統(tǒng)在湖上水聲定位試驗中的可以實現(xiàn)對水下目標(biāo)的高精度定位，具有良好的工程推廣應(yīng)用價值，對其它水聲定位系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的借鑒意義。