一種水下目標(biāo)定位方法*

李自超 林 勁 魏鈺博 秦同杰

（大連測(cè)控技術(shù)研究所 大連 116013）

1 引言

由于海洋中流的沖擊影響以及水聲工程作業(yè)本身的復(fù)雜性，水下目標(biāo)在海面以下的位置存在一定的“隨波逐流性”，致使對(duì)布放在海底、尤其是具有較大深度的水下目標(biāo)進(jìn)行快速、精確定位變成難題。傳統(tǒng)的定位方法［1～2］有其局限性：長(zhǎng)基線定位［3］精度雖然高，但定位基陣的布放耗時(shí)耗力，無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速部署；短基線定位［4］對(duì)船只和測(cè)距系統(tǒng)的要求比較苛刻，系統(tǒng)需要做大量校準(zhǔn)工作。本文采用水聲測(cè)距與差分GPS 聯(lián)合的方式實(shí)現(xiàn)定位［5］，詳細(xì)闡述了其實(shí)現(xiàn)原理，開(kāi)展了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)證明該方法有效可行，可為水下目標(biāo)定位的工程實(shí)現(xiàn)提供參考。

2 水聲測(cè)距系統(tǒng)

水聲測(cè)距系統(tǒng)［6］是以聲波作為信號(hào)、以水作為傳播介質(zhì)，通過(guò)計(jì)算聲波時(shí)延［7］來(lái)進(jìn)行測(cè)距的系統(tǒng)。目前比較成熟的測(cè)距系統(tǒng)主要由同步時(shí)鐘模塊、測(cè)距信號(hào)發(fā)射接收模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)解算模塊等核心部件組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1所示的水聲測(cè)距系統(tǒng)是以主動(dòng)測(cè)距的方式實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：在同步時(shí)鐘［8］作用下，接收水聽(tīng)器接收發(fā)射換能器發(fā)射的測(cè)距信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)解算模塊解算出收發(fā)時(shí)延，結(jié)合所處海域聲速，獲取距離信息。

3 差分GPS定位

利用傳統(tǒng)的單點(diǎn)GPS定位，即可初步實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的實(shí)時(shí)定位功能。但由于存在著軌道誤差、時(shí)鐘誤差、SA 影響、大氣影響、多徑效應(yīng)以及其他誤差［9］，GPS 接收機(jī)解算出的坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)的定位精度達(dá)到米級(jí)以上，定位精度差。載波相位差分（RTK）GPS［10］是由基準(zhǔn)站發(fā)送改正數(shù)，由移動(dòng)站接收并對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行改正，以獲得精確的定位結(jié)果，其定位精度可達(dá)厘米級(jí)［11］。差分GPS定位系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 差分GPS定位系統(tǒng)工作流程圖

4 聯(lián)合測(cè)距

差分GPS 與水聲測(cè)距聯(lián)合的總體思路是利用聲信號(hào)的水下傳播特性解算出水下發(fā)射器與接收器之間的時(shí)延，并結(jié)合所處海域的聲速將其轉(zhuǎn)化為相對(duì)距離；利用差分GPS解算出相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的位置信息。將水聲測(cè)距與差分GPS定位相結(jié)合，通過(guò)幾何關(guān)系解算出被定位目標(biāo)的位置信息。設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 設(shè)計(jì)方案圖

在被定位目標(biāo)上安裝深度傳感器和發(fā)射換能器，深度傳感器用來(lái)獲取被測(cè)目標(biāo)的深度，發(fā)射換能器發(fā)射測(cè)距信號(hào)；在測(cè)量船上安裝差分GPS和接收水聽(tīng)器，差分GPS用來(lái)獲取相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)位置信息，接收水聽(tīng)器用來(lái)接收水聲測(cè)距信號(hào)，測(cè)量船以被測(cè)目標(biāo)為中心繞圈測(cè)量。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

1）深度傳感器測(cè)量被定位目標(biāo)的深度為h1，水聽(tīng)器入水深度為h2，被定位目標(biāo)與水聽(tīng)器間的垂直距離h=h1-h2，點(diǎn)H 為被定位目標(biāo)O 在海平面的投影點(diǎn)；

2）被定位目標(biāo)上安裝的發(fā)射換能器發(fā)射測(cè)距信號(hào)，在時(shí)鐘同步的條件下，測(cè)量船上的接收水聽(tīng)器接收測(cè)距信號(hào)并解算出發(fā)射與接收之間的時(shí)延，結(jié)合所處海域聲速得到被定位目標(biāo)與測(cè)量船之間的距離L1、L2；

3）計(jì)算Rt△AHO 和Rt△BHO，得到海面上AH、BH的長(zhǎng)度；

4）差分GPS放置于測(cè)量船，以獲取相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度信息和測(cè)點(diǎn)間距離d；

5）在測(cè)點(diǎn)中任取兩點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)A 和測(cè)量點(diǎn)B，利用高斯-克呂格平面直角坐標(biāo)公式［12～13］將測(cè)量點(diǎn)A 和測(cè)量點(diǎn)B 的經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面直角坐標(biāo)（xA，yA）（xB，yB），高斯-克呂格平面直角坐標(biāo)公式如下：

η=e′cosB，其中e′為地球的第二偏心率；

t=tanB；

6）在△ABH 中，H 點(diǎn)坐標(biāo)（xH，yH）的計(jì)算公式如下：

7）在6）的基礎(chǔ)上用高斯-克呂格反變換公式［12～13］解算出H 點(diǎn)的經(jīng)緯度，也即被定位目標(biāo)的經(jīng)緯度。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

依托某項(xiàng)目在大連海域進(jìn)行了海上試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)海域海水深度40m 左右，海況2 級(jí)，被定位目標(biāo)與測(cè)量船的距離在300m～800m 之間。圖4 為系統(tǒng)的主要硬件組成。

圖4 差分GPS定位系統(tǒng)及水聲測(cè)距系統(tǒng)

試驗(yàn)前用差分GPS 記錄被定位目標(biāo)的布放位置。試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)差分GPS輸出的測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)保持穩(wěn)定時(shí)開(kāi)始記錄。利用式（2）～（3）解算出H點(diǎn)的位置坐標(biāo)，標(biāo)記為H（ii=1，2…N），將被定位目標(biāo)的布放位置與Hi 的間距大于5m 的點(diǎn)作為野點(diǎn)剔除。從HM 開(kāi)始對(duì)解算值進(jìn)行處理，計(jì)算從H1 到HM 中任意兩個(gè)點(diǎn)之間的距離并進(jìn)行求和，將到各個(gè)點(diǎn)距離之和最短的點(diǎn)記為HM，HM 作為先驗(yàn)條件。從HM+1 開(kāi)始，數(shù)據(jù)解算模塊輸出到n 個(gè)解算值距離之和最小的點(diǎn)的位置坐標(biāo)。隨著采樣點(diǎn)增多，位置不斷進(jìn)行更新，直到|?H |在某個(gè)范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，此時(shí)數(shù)據(jù)解算模塊輸出的位置記為HN，若HM 與HN 的距離小于0.5m，則以HN 作為解算模塊輸出的被定位目標(biāo)位置；若HM 與HN 的距離大于0.5m，將H1 到HN 中到各個(gè)點(diǎn)距離之和最短的點(diǎn)作為先驗(yàn)條件，重復(fù)上述過(guò)程。

本次試驗(yàn)取前10 個(gè)有效解算值來(lái)確定HM 的位置，當(dāng)連續(xù)五個(gè)點(diǎn)滿(mǎn)足|?H|≤0.2m，即認(rèn)為HN的位置保持穩(wěn)定。圖5 為|?H|變化趨勢(shì)，從第23個(gè)點(diǎn)到第27 個(gè)點(diǎn)，|?H|均小于0.2m。從圖6 可以看出，HM、HN 與解算值分布在以布放位置為中心，半徑為1.7m的圓內(nèi)，計(jì)算得HM與HN的距離為0.42m，此時(shí)HN即為被定為目標(biāo)的最終位置。若以被定位目標(biāo)的布放位置為真值，則認(rèn)為此次試驗(yàn)的定位精度為1.7m。

圖5 |?H |變化趨勢(shì)

圖6 布放位置、HM、HN與解算值的位置關(guān)系

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)經(jīng)典的長(zhǎng)基線定位基陣布放復(fù)雜這一特點(diǎn)，根據(jù)長(zhǎng)基線定位原理，利用單水聽(tīng)器和差分GPS進(jìn)行組合定位，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下目標(biāo)的快速便捷定位，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行了誤差修正，提高了定位精度。