一種快速自適應(yīng)船載水聲定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

祝 侃

（中國(guó)船舶集團(tuán)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(lái)越廣泛。在海洋勘探、水下目標(biāo)探測(cè)以及水下設(shè)備標(biāo)定等科考活動(dòng)中，通常會(huì)遇到對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行精確定位的問題，利用水聲技術(shù)對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行定位是解決該問題的一項(xiàng)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(shí)現(xiàn)高精度、連續(xù)自動(dòng)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)地標(biāo)識(shí)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(shí)間差或相位差，對(duì)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(shí)現(xiàn)各種水下潛艇、無(wú)人潛航器和監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(diǎn)的方式，也可采用水聲浮標(biāo)的方式，各節(jié)點(diǎn)距離幾百至幾千米，通過海底電纜或水面高速無(wú)線通訊實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的匯總分析和計(jì)算。長(zhǎng)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(cè)的水下目標(biāo)需要搭載對(duì)應(yīng)的合作聲信標(biāo)，通過測(cè)量各基線節(jié)點(diǎn)和被測(cè)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(jìn)行目標(biāo)定位，一般至少需要3個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)才可以實(shí)現(xiàn)精確的目標(biāo)導(dǎo)航與定位，實(shí)際應(yīng)用中，可以布設(shè)多個(gè)基元，產(chǎn)生冗余觀測(cè)數(shù)據(jù)，提高測(cè)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(yàn)平臺(tái)上，多采用共型安裝，或設(shè)計(jì)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(diǎn)距離幾米至幾十米。各基元之間的相互關(guān)系需要提前進(jìn)行精確的測(cè)定，組成聲基陣坐標(biāo)系，為方便使用，一般還需要測(cè)量和計(jì)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(cè)量2種方式，多采用同步信標(biāo)進(jìn)行水下定位。同步信標(biāo)模式下，首先測(cè)得各基元接收到目標(biāo)信號(hào)相對(duì)于同步信號(hào)的時(shí)延，然后計(jì)算各自的聲程，再利用球面交匯算法得到目標(biāo)相對(duì)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(shí)安裝在船體任意位置，特別適用于水下目標(biāo)長(zhǎng)時(shí)間跟蹤定位。其所有聲基元集中安裝在一個(gè)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(shí)精確測(cè)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(shí)需要在被測(cè)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(cè)定各聲基元接收到目標(biāo)信號(hào)的相位差，得到各基元與目標(biāo)的聲程差，計(jì)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(shí)物樣機(jī)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(shí)，需要提前對(duì)陣形進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，如果系統(tǒng)更換到新的測(cè)量平臺(tái)中又需要重新進(jìn)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(dòng)適應(yīng)測(cè)量平臺(tái)，快速完成陣型的自測(cè)定，同時(shí)結(jié)合高精度衛(wèi)星羅經(jīng)和精準(zhǔn)的同步聲信號(hào)時(shí)延解算，最終實(shí)現(xiàn)靜止或低速水下目標(biāo)的高精度水聲定位功能。

項(xiàng)目組依托某試驗(yàn)場(chǎng)船載測(cè)量系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目，完成了本定位系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并開展了湖上演示試驗(yàn)測(cè)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(shí)驗(yàn)表明：本系統(tǒng)可以在各種船載平臺(tái)上進(jìn)行聲基陣的快速自適應(yīng)測(cè)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(hào)處理單元、收發(fā)合制聲基元、便攜式計(jì)算機(jī)、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(jì)算

考慮到本定位系統(tǒng)需要在多個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)的各種試驗(yàn)船上移動(dòng)使用，每次 4個(gè)基元的陣型均不相同，人為測(cè)量不僅繁鎖，而且由于船體形狀遮擋，很難測(cè)量準(zhǔn)確。另外，自動(dòng)測(cè)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(cè)距的快速自適應(yīng)的陣型計(jì)算方法。

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

試驗(yàn)前將4個(gè)基元按不同船型的特點(diǎn)，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(gè)聲基元接入水聲信號(hào)處理單元，然后啟動(dòng)自適應(yīng)陣型測(cè)量功能。自動(dòng)建立聲基陣坐標(biāo)系，將基元A設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，基元B為Y軸方向，AB間聲程Lab的1/2就是by，然后依次測(cè)得Lac、Lad、Lbc、Lbd，利用兩圓幾何交匯就可以計(jì)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(jì)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(gè)基元入水位置，即可完成陣型原點(diǎn)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(shí)現(xiàn)4個(gè)聲基元在大地坐標(biāo)系下準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的坐標(biāo)位置信息。當(dāng)基元AB的距離5 m以上時(shí)，采用型號(hào)為AsteRx-m2a的雙天線衛(wèi)星羅經(jīng)，定向誤差最優(yōu)可達(dá) 0.03°，定位誤差最優(yōu)可達(dá)到單點(diǎn)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(shí)延解算

時(shí)延解算是定位數(shù)據(jù)處理的首要流程，為了提高測(cè)距精度，發(fā)射信號(hào)的波形選擇是優(yōu)先考慮的因素。主動(dòng)聲脈沖信號(hào)一般以窄帶的CW信號(hào)和寬帶的LFM這2種信號(hào)形式為主，對(duì)應(yīng)的處理方法為上升沿檢測(cè)和匹配濾波處理。不同信號(hào)波形具有不同信號(hào)參數(shù)（如振幅、相位等），會(huì)有不同的檢測(cè)處理結(jié)果，直接影響測(cè)距性能，進(jìn)而影響定位精度?？紤]到本系統(tǒng)主要用于在靜止或低速移動(dòng)的船只或平臺(tái)上使用，更適合采用寬帶LFM信號(hào)制式，信號(hào)經(jīng)匹配濾波處理后，采用互相關(guān)方式進(jìn)行檢測(cè)[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(jí)，從而提高檢測(cè)能力和測(cè)距精度。

對(duì)匹配濾波器來(lái)說(shuō)，增加信號(hào)帶寬、提供接收信噪比，有利于信號(hào)的檢測(cè)。但信號(hào)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(hào)考慮選取15 kHz、20 kHz這2個(gè)頻段進(jìn)行測(cè)試比較。

試驗(yàn)水域位于某湖上試驗(yàn)場(chǎng)的一個(gè)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(dá)聲時(shí)延間隔短，對(duì)時(shí)延解算有一定影響。為盡量減少直達(dá)信號(hào)與反射信號(hào)的混疊，本定位系統(tǒng)從信號(hào)發(fā)射端考慮適當(dāng)減小聲脈沖信號(hào)的脈寬參數(shù)。為此系統(tǒng)測(cè)試了5 ms、1 ms和0.5 ms脈寬信號(hào)的解算效果。

圖6 脈寬1 ms信號(hào)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(hào)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(shí)，脈寬后半段信號(hào)幅度強(qiáng)于前半段，原因?yàn)樗娣瓷洹⒋瓷涞榷嗤拘盘?hào)的疊加增強(qiáng)，不利于直達(dá)時(shí)延的解算。發(fā)射脈寬 1 ms時(shí)，反射波還是疊加至直達(dá)波尾部導(dǎo)致多途峰值超過了首達(dá)峰值。發(fā)射脈寬 0.5 ms時(shí)，接收波形上便可清晰地將直達(dá)聲與反射聲區(qū)分，不易發(fā)生直達(dá)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(dá)聲時(shí)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(gè)基元，為了用最小二乘法求得最佳解，一般采用4個(gè)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(gè)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(gè)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(diǎn)到A、B、C、D這4點(diǎn)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(duì)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(hào)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(hào)陣元的應(yīng)答信號(hào)至目標(biāo)的傳播時(shí)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(gè)因素引起：各陣元位置誤差（測(cè)陣誤差）、信號(hào)傳輸時(shí)間測(cè)量誤差（測(cè)時(shí)誤差）、聲速測(cè)量誤差（聲速誤差）。對(duì)測(cè)量誤差精度的影響主要來(lái)自于角度的計(jì)算誤差，當(dāng)縱傾角、橫搖角、短基線基陣的測(cè)量誤差達(dá)到 1°，引起的測(cè)量精度誤差就會(huì)超過 1%[8]，本系統(tǒng)通過對(duì)陣元位置的精確標(biāo)定，使其2 km的定位誤差最優(yōu)達(dá)到2 m。另外，如果要得到目標(biāo)在大地坐標(biāo)系下的實(shí)時(shí)位置，要進(jìn)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(shí)，2個(gè)衛(wèi)星天線頂端組成的面與船只水平面也會(huì)存在一定的夾角。因此，在雙天線安裝完成后，需要進(jìn)行姿態(tài)數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)分析，獲得相對(duì)固定的偏角和夾角，在實(shí)際測(cè)量時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的修正便可對(duì)安裝偏差進(jìn)行校正[9-14]。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種可快速布置、自動(dòng)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(gè)不共面的聲基元組成，通過LFM聲脈沖回波測(cè)距完成快速的自適應(yīng)陣型計(jì)算，目標(biāo)信號(hào)經(jīng)匹配濾波處理后，采用互相關(guān)方式完成時(shí)延檢測(cè)，再采用最小二乘法求得最佳目標(biāo)水下位置解。通過實(shí)物樣機(jī)的研制和湖上試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)在湖上水聲定位試驗(yàn)中的可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的高精度定位，具有良好的工程推廣應(yīng)用價(jià)值，對(duì)其它水聲定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。