（水声工程专业论文）深海水声应答器定位导航技术研究.pdf

a b s t r a c t u n d e r w a t e rv e h i c l ei si m p o r t a n ti nt h eo c e a ne x p l o i t a t i o n ，s c i e n t i f i cr e s e a r c h 觚dm i l i t a 】够p r e c i s en a v i g a t i o ni sn e c e s s a r yt of u l f i l ld i f f e r e n tk i n d so f t a s k s o f d i f f e r e n tn a v i g a t i o nm e t h o d s ，u n d e r w a t e rp o s i t i o n i n ga n dn a v i g a t i o ni st h eo n l y e f f e c t i v em e t h o d 1 1 1 ek e yt e c h n i q u e so fu n d e r w a t e ra c o u s t i cp o s i t i o n i n ga n dn a v i g a t i o na l et h e 越v i g a t i o nm e t h o da n dt h ep r e c i s ec a l i b r a t i o n o ft h ea b s o l u t ep o s i t i o no ft h e s e a b e dt r a n s p o n d e r b a s e do nu s b l ，p r e c i s ep o s i t i o n i n g a n dn a v i g a t o nf o r u n d e r 、 ，a t e rv e h i c l ei nt h ed e e ps e ai ss t u d i e di nt h i st h e s i s t h em a i nw o r k o ft h e t h e s i si sa sf o l l o w s ： t w oo p e r a t i n gm o d e so ft h en a v i g a t i o nw i t has i n g l es e a b e dt r a n s p o n d e r b a s e do nu s b la r ep r o p o s e d u n d e r w a t e rv e h i c l ec a l lb en a v i g a t e db yt h eu s b l w i t ho n l yo n c er e s p o n d si ft h es y s t e mc a nm e a s u r et h er a n g ea n db e a r i n g s i m u t a n e o u s l y w h e nt h ei n f o r m a t i o no ft h eb e a r i n go ft h et r a n s p o n d e rc a nb e a c m e v e d ，t h eb e a r i n g 。o n l yn a v i g a t i o nm e t h o d w i l lb ee f f e c t i v eu t i l i z i n gt h ed a t aa t m u l t i p l ep o i n t s ，o fw h i c ht h er e l a t i v ec o o r d i n a t e sa r es u r v e y e d t h ep e r f o r m a n c e o ft h en a v i g a t i o ns y s t e mw i t has i n g l et r a n s p o n d e rs y s t e mo p e r a t i n gi nt h ed e e p s e ai sc o n s i d e r e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gm e t h o d sf o rt h ec o r r e c t i o no ft h es o u n d r a yb e n d i n ga r eg i v e n w h e nm u l t i p i et r a n s p o n d e r sa r ed e p l o y e d ，t w oo p e r a t i n gm o d e s ( l b la n d l u s b l ) a r es t u d i e d a no p t i m i u mm e t h o d o ft h ed e p l o y m e n to ft h et r a n s p o n d e r s i sd e s i g n e df o rt h el b l ，b e c a u s ei ti sc l o s e l yr e l a t e dt ot h es y s t e mp e r f o r m a n c e a l s ot 1 1 ec h a r a c t e ro ft h es y s t e mi nd e e ps e ai sa n a l y s e d w i t hr e s p e c tt o t h e l u s b l an e wd a ：t af u s i o nm e t h o db a s e do nm i n i m i u mm e a ns q u a r e e r r o r ( m m s e ) i sp r o p o s e db a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e s p a t i a ld i s t r i b u t i o n o ft h e p r e c i s i o no ft h eu s b l a n dl b l t h ep r e c i s ec a l i b r a t i o no ft h et r a n s p o n d e ri sn e c e s s a r yb e f o r et h eo p e r a t i o n o ft 1 1 eu n d e r w a t e ra c o u s t i cp o s i t i o n i n ga n dn a v i g a t i o ns y s t e m i nd e e ps e a , s o u n d r a yb e n d i n gc o i r e c t i o nh a st ob ed o n ei n o r d e rt oa c h i e v ek 曲p r e c i s i o no ft h e c a l i b r a t i o n c o m b i n e dw i t ht h ec a l i b r a t i o nm e t h o d ，t w om e t h o d sf o rt h es o u n dr a y b e n d i n gc o r r e c t i o ni nd e e ps e aa r ed e v e l o p e dw h e n t h es o u n dv e l o c i t yp r o f i l ei s k n o w n2 m du nk i 】o w ns e p a r a t e l y w h a t sm o r e ，i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y o ft h ec a l i b r a t i o i l ，at v 旧p o i n tf a s tc a l i b r a t i o nm e t h o d f o rt h et r a n s p o n d e ra b s o l u t e p o s i t i o ni sp r o p o s e db a s e do nu s b l m s o ，t h ec a l i b r a t i o n m e t h o d so ft h e g e o m e 姆a n dt h ea b s o l u t ep o s i t i o no ft h et r a n s p o n d e r sa r r a ya r e s t u d l e dmt h e t h e s i s t h es i n l a t i o n so fm u l t i p l et r i a l si nt h el a k ea n ds e aa r ei n t r o d u e d ，a n dt h e d a t aa r ea n a l y s e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h et r i a lr e s u l t sa r ei na c c o r d a n c e 、) l ，i 廿lt h e t h e o r y k e yw o r d s ：p o s i t i o n i n ga n dn a v i g a t i o n ；t r a n s p o n d e r ；d e e p s e a ；s o u n dr a y c o r t e c t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 警锋木才 日期： 7 h 丫年1 月z ) 日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 上世纪七八十年代以来，世界各国加快了向海洋进军的步伐。水下潜器 在军事和民用方面都有广泛的应用。军事方面如战区侦察、探测扫除水雷、 潜艇对抗、海上预警、封锁航线或港口、攻击敌舰船或潜艇、破坏石油设施 及通讯网络、水下中继通讯等；民用方面如海洋资源勘察与开发、海洋环境 时空变化的监测、海底地形地貌调查与勘测以及深海技术、水下设施检查、 海洋救险和打捞等0 - 4 1 。 导航技术仍然是水下潜器所面临的技术挑战之一。导航系统必须提供远 距离及长时间范围内的精确定位、速度和姿态信息。精确的导航能力是水下 潜器有效作业和安全回收的关键。但是由于受到水下环境的复杂性、潜器自 身体积、重量、能源以及隐蔽性等因素的影响，实现高精度的水下潜器导航 仍然是一项艰巨的任务。 与水面导航和其余陆地导航不同，由于电磁波在水中衰减大，不能够远 程传播 s - 6 l ，因而陆地上一些成熟的导航方法( 如无线电导航【，】和g p s 导航等) 在水下并不适用。现有的水下潜器导航通常借助于船位推算法、惯性导航系 统 s - 9 、地形匹配法 1 0 - 1 q 以及水声定位法【1 2 】等。其中惯性导航系统可以获得很高 的定位导航精度，但是其价格昂贵。并且惯性导航和船位推算法均有累积误 差的固有缺点，随着航行时间的增加，导航误差也逐渐增加。例如，利用精 度为o 3 航程的惯导对长航的水下潜器进行导航，假设潜器航速为3 节，那 么经过3 0 天后导航误差大于6 海里。可见，对于长时间水下航行的潜器，如 果导航精度要求较高，船位推算法和惯性导航方法不再适用。地形匹配法是 一种新兴的技术，在局部海域的水下潜器导航中有可能获得高定位导航精度； 由于海底地标不像城市目标那样具有明显个性，因此难以达到空中地形匹配 导航的效果。水声定位法通过确定潜器相对于海底应答器的位置，能够实现 潜器的高精度定位导航。 哈尔滨工程大学博士学位论文 本文目的就是针对水下潜器在局部海域进行长时间航行的导航问题，利 用布放于海底的水声应答器对潜器进行导航，并对海底应答器的绝对位置校 准问题展开了研究。 1 2 水声定位技术 12 1 水声定位技术的分类 水声定位导航是指依赖于声学的办法，以已知坐标的海底应答器位置作 为参考，确定水下航行的潜器的位置。水声定位技术是其核心，也是解决我 国大洋和浅海资源勘探、开发的关键技术。 图1 l 长基线定位系统 f i g11 l o n gb a s e l i n ep o s i t i o n i n gs y s t e m 根据基线长度可以将水声定位系统分为长基线、短基线和超短基线m j 。 表11 给出了一组标称值。应该指出，表中的值仅供参考，真正意义上的分 类还与水深有关。 一般来说，长基线定位系统( 如图1 1 ) 在海底较远的距离( 相对于海深) 按一定的阵彤布放两只或两只以上应答器。潜器在长基线的作用区域向各应 答器发射询问脉冲，并接收应答脉冲，测得声波在潜器与各应答器之问的传 播时延或时延差，列出定位解算方程，进而确定潜器的位置。 表1 1 水声定位系统的分类 定位类型基线长度简称 长基线i o o m 6 0 0 0 ml b l 短基线1 m 5 0 ms b l 超短基线小于1 mu s b l 长基线定位系统由于其基线长，因而具有作用距离远、最高定位精度高 的优点。长基线定位系统的不足在于需要应答器数目较多，成本较高，且应 答器绝对位置校准耗时，维护困难。此外，长基线定位精度不仅与海底应答 器构成的几何阵型有关，在确定阵型下还与潜器所处的空间位置有关。 图1 2 短基线定位系统 f i g1 2s h o r tb a s e l i n ep o s i t i o n i n gs y s t e m 短基线定位系统( 如图1 ，2 ) 一般是由几个独立基元或者基阵安装于载体 或者平台的底部。其基线长度较短，通常在l m - 5 0 m 之间。由于基线长度小 于长基线，大于超短基线，因而定位精度也介于两者之间。短基线定位系统 是目前鱼雷靶场广泛使用的一种三维跟踪系统。短基线具有超短基线机动、 灵活的优点。但是由于各载体结构不同，因而短基线安装比较困难。短基线 也有类似于超短基线定位中的安装校准问题。 超短基线定位系统( 如图1 3 ) 是一个尺寸较小( 小于l m ) 的声学基阵。 通过高精度的时延、时延差或者相位差测量可以精确测定与应答器的相对坐 标。其优点是定位精度高、尺寸小，安装方便。但是其绝对坐标定位精度与 哈尔滨工程大学博士学位论文 斜距有关：距离越近，定位精度越高。此外，安装误差校准是超短基线定位的 一项关键技术，直接影响其绝对定位精度。利用单海底应答器对安装有超短基 线的水下潜器进行导航是本文研究的主要内容，将在后续章节中详细阐述。 图13 超短基线定位系统 f i g i3u l t r a - s h o r tb a s e l i n ep o s i t i o n i n gs y s t e m 若按工作方式划分，上述三种系统可以分为应答器工作方式和信标工作 方式m ) 。应答器工作方式即主动式定位，要求母船和应答器上都安装有询问 发射机和接收机。信标工作方式也称为被动式定位，信标按照预定的时刻发 射信号，被潜器上水听器接收，并据此确定目标位置。 1 2 2 水声定位技术的历史与发展现状 水声技术的研究最初源于军事上的应用，然后才逐渐转化为民用。1 9 5 8 年，美国华盛顿大学的应用物理实验室为美国海军在达波湾试验靶场建成三 维坐标跟踪水下武器靶场m i 。具体的做法是，将四个水听器布放于海底，问 距严格测定，可以提供近距离上带有同步声信标发射机的鱼雷距离和方位信 息，跟踪其轨迹。7 0 年代末8 0 年代初，美国华盛顿大学应用物理实验室再 次为i n s i t uh e a tt r a n s f e re x p e r i e n t ( i s h t e ) 研制了一种便携式的长基线定 位系统，定位精度可达1 0 m ，可以实现对在水深6 k m ，面积1 5 0 k m 2 内的水 面( 水中) 目标进行定位跟踪。1 9 6 3 年出现了第一套短基线水声定位系统u n 。 当时美国海军的核潜艇失事后，当局政府派出潜器进行搜救，潜器的定位导 航通过短基线定位系统来实现。短基线安装于水面母船，各基元之间的间距 第1 苹绪论 为1 0 2 0 m 。母船上各基元与潜器上安装的应答器相问答，解算出潜器的位置， 并将位置信息传送给潜器。短基线可以看成是一个小尺寸长基线的逆应用。 到了2 0 世纪9 0 年代佛罗里达亚特兰大大学的海洋工程系研制的便携式短基 线跟踪系统定位精度达1 5 e m ( 6 英寸) 【t 4 】。 超短基线定位系统出现的相对较晚。国外有关超短基线定位系统的报道 最早见于8 0 年代初【1 5 1 。麻省理工大学( m i t ) 的奥德萨( o d y s s e y ) 和( w h o i ) 的遥 控环境测量系统( r e m u s ) 都在球鼻艏安装了用于导航的超短基线。 在上世纪七十年代末八十年代初，由于电子技术的迅猛发展和用户需求 的快速增加，水声定位导航系统得到了广泛的研究，并取得了一系列的成果。 在美国，现在主要有如下几个单位对水下声学定位导航技术进行研究：海军 水面作战指挥中心烈a v a ls u r f a c ew a r f a r ec e n t e r , n s w c ) 、海军水下作战指挥 中心烈a v a lu n d e r s e aw a r f a r ec e n t e r , n u w c ) 、麻省理工大学( m a s s a c h u s e t t s i n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y , m i n 、约翰霍普金斯大学( j o h n sh o p k i n s u n i v e r s i t y ，j h u ) 的应用物理研究所( a p p l i e dp h y s i c sl a b o r a t o r y , a p l ) ) 以及德 克萨斯大学( u n i v e r s i t yo ft e x a s ，u t ) 的应用研究实验室( a p p l i e dr e s e a r c h l a b o r a t o r y , a r l ) 。其中以麻省理工大学( m i t ) 的g o a t s ( g e n e r i c o c e a n o g r a p h i ca r r a y t e c h n o l o g ys y s t e m s ) 系统和r e m u s ( r e m o t e e n v i r o n m e n tm e a s u r i n gu n i t s ) 系统最为著名。 近二十年来，随着硬件技术和信号处理技术的发展，水声定位技术得到 了迅猛发展。各种水声定位系统不再局限于军事上的应用，更加广泛地应用 于民品。目前国际上有能力提供大洋开发用的深海定位系统成型产品和公司 并不多见，表1 2 给出了国际上主要公司及其主要的定位产品【临1 7 】。 国外对声学定位系统研究较早的公司是挪威k o n g s b e r gs i m r a d t l 8 】公司， 已有近3 0 年的研究、开发历史。该公司有一系列成熟的产品投入到军用及民 用，已经成为该项技术的标准。特别是该公司于1 9 9 7 年推出了世界领先水平 的高精度长程超短基线定位系统w h i p a p 3 5 0 ，作用距离可达3 0 0 0 m ；随后推 出h i p a p 5 0 0 ，作用水深达4 0 0 0 m ；新近推出的h i p a p l 0 0 ，作用水深达1 0 0 0 0 m ， 测距精度优于5 0 c m ；h i p a p l 0 0 的换能器由5 0 个声学单元组成，采用7 5 0 的窄波束方式提高了换能器的指向性和信噪比，工作频率1 3 k h z ，能同时跟 踪5 个以上的目标；h i p a p 系列水下定位系统，同时具有长基线定位功能和 5 哈尔滨工程大学博士学位论文 超短基线定位功能，而且在同一工作船上可以安装2 个换能器、一套收发系 统工作，进一步提高定位精度。h i p a p 系列产品的特点是采用了波束形成处 理。图1 4 为h i p a p 5 0 0 的技术指标情况。另外，组合定位导航系统也是该公 司的努力方向之一。其研制的3 0 0 0 米深海机器人h u g i n 上安装的导航系统 m a r p o s 即为一种组合导航系统 1 9 1 。它将超短基线多普勒惯导系统和单应答 器纯距离导航四种导航方法组合，最终导航精度可达距离的01 。 法国的i x s e a 2 0 i 公司在把o c e a n o t e c h 公司兼并之后，公司产品涉及长 基线、短基线、超短基线和组合定位系统。其中超短基线产品主要有两款： p o s i d o n i a6 0 0 0 和g a p s 。p o s i d o n i a6 0 0 0 是该公司在1 9 9 7 年推出的远距 离超短基线定位系统。该产品已安装在德国一条海洋调查船和法国海军的某 舰艇上。我国海洋调查船大洋一号也安装了此设备，并在深海进行了试验， 据称在7 4 0 0 m 深度，船下方6 0 。锥体范围内的虽好定位精度达到斜距的02 。 最近该公司面向市场推出了“g a p s ”新型定位系统，其最大的特点是在其体积 不大( 2 9 5 m m x 6 4 8 m m ) 的声学壳体内集成了惯导和g p s ，因此它可在不必 进行安装校准的前提下直接进行定位作业工作，这样大大节省了安装和校准 所花费的时间w i 。与此同时，由于采用高精度传感器，其定位精度也较其前 一代定位系统有所提高，达2 0 斜距。图15 f a ) 为超短基线定位系统声学基阵， ( b ) 为g a p s 的技术指标。从图上可以看出，声学基阵是一个立体阵。文 2 2 研究了立体阵超短基线定位的原理和算法。 髓翟盈塑强圈避 喾一霪誊参? 参 鼍 ， 誉奠篷函i 菇蒜k 。二i t 画酾商妊凶 图14 挪威k o n g s b c r gs i m r a d 公司的h i p a p 系列 f i g1 4t h eh i p a ps e r i e sp r o d u c e db yk o n g s b e r gs i m r a ds t d i nn o r w a y 藩 第1 章绪论 表1 2 从事水声定位系统生产的外国公司陋- 7 】 i 沁 超短基线定短基线定长基线定 组合定 公司 位系统位系统位系统位系统 k o n g s b e r gs i m r a d i x s e a ( o c e a n o t e c h ) 、， s o n a r d y n e 、， n a u t r o n i x 、， l i n k q u e s ti n c o i 也 b e n t h o s 、， e d g e t e c h ( e g & g ) i m e t r i x s o n a t e e h o r c a p m 【e s r d i 英国的s o n a r d y n e t 2 3 公司也是一家专门从事生产水下声学仪器设备的厂 家。它几乎涉足了海上作业所需的所有设备，其关于定位导航的产品包括了 长基线、短基线以及超短基线定位系统。该公司生产的l b l 系统克服了传统 l b l 系统的布设和校准应答器阵列需要花费大量时间的局限性，开发了智能 型c o m p a t t 应答器，直接进行各对应答器之间的基线测量。系统的基本部 件包括海底计算和遥测应答器组c o m p a t t s 和船载可编程声学航行器p a n 等。在软件部分，系统采用了宽带扩谱技术，提高了测距的精度和稳定性。 澳大利亚n a u t r o n i x t 2 4 1 于上世纪9 0 年代末研制了a t si i 超短基线定位系 统( 见图1 6 ) ，该系统采用线性调频信号，最大作用距离2 0 0 0 m ，定位精度 可达斜距的0 2 5 ，带内信噪比大于3 d b 系统就可以工作。后来公司提出了 一种声数字扩谱技术( a c o u s t i cd i g i t a ls p r e a ds p e c t r u m ，简称a d s 2 ) ( n a s p o s 和n a s d r i l l 超短基线定位系统就是基于该项技术而发展起来的) ， 使系统性能得到大大提高：信噪比至少提高了1 2 d b ，作用距离可达4 5 0 0 m ， 7 哈尔滨工程大学博士学位论文 p o l u 口n _ q口f5 l q e 0 t a 一y u 1zd b n r n c 口? m o l i q 0 m 口 2 0 0d t i r f d v o t l 帅q w2 0 i d h 2 h i 口m o d u i l - or l ( 1 、 _ 口j 6u r f t l n 9 t t i n q ，帆h 0 t _ 1d o g h o n2 i o e t o f l l j 【rt h i 口i i e t mr 1 1 目i c 口_ er _ ? n - oh m u e d d 0 i p o - i u o ndr i i t l o 4 02 f _ 1 i n u o p “- r 口e n v ，u n m n l ，p “o n “vd l | e o m j n 口t u h。0 5 o c 7 0 1 c 黜：一一， 劣掣。 裟群嚣黧矗? 0 删 孺：? 川。2 。“ ( b ) 图15 法国i x s e a 公司的最新产品g a p s f i g1 5g a p s - t h el a t e s tp r o d u c t so f l x s e ai nf r a n c e 最高定位精度可达0 2 5 斜距。 3 0 年来，t h a l e sg e o s o l u t i o n s ( p a c i f i c ) 1 n c 生产实时定位导航系统，为大 量的海上作业提供服务，包括天然气开采、海洋勘测、海底施工、海底电缆 铺设及近海监测。它们的集成导航软件w i n f r o g l 遍布世界各大市场。软件 的一部分就是声学模块，具有一套全面的超短基线和长基线校准和定位跟踪 功能。 简约和高精度是当今水下声学定位系统追求的两大目标。简约的代表产 品除了高集成度的g a p s 系统外，水下g p s w 是国际上近几年发展起柬的 高精度水下定位技术。该技术利用带g p s 的浮标对水下目标进行跟踪定位。 由于浮标的位置可以由g p s 实时精确测得，并且不需要进行校准，大大简化 了系统的作业复杂度。 妞魁 盆f 譬自 幽16 a t s i i 超短基线定位系统 f i g 1 ，6t h ea t s l iu l t r a s h o r tb a s e l i n ep o s i t i o n i n gs y s t e m 2 0 0 1 年起，美国、法国和德国在全球率先研发出g p s 水下目标跟踪系 统，不仅可以从水上对水下目标进行跟踪监视和动态定位，还可以用于水下 目标导航、水雷对抗、水下搜救和水下哑弹爆破等。法国的a s c a 公司已为 美海军开发了利用水下全球定位系统( g p s ) 技术进行搜索与救援以及对抗水 雷的系统，它可以利用水下的g p s 信号确定目标的经、纬度和深度坐标。该 系统可用于跟踪沉在水下的飞机或潜艇中释放的移动黑匣子声波发送器，只 需要不到半天的时间就能寻找到目标。系统包括g p s 智能浮标( g b ) 、便携 式控制站以及3 2 千赫的声波发送器。浮标下悬挂有水听器，浮标通过水面上 的三个天线与指挥、控制、通信和情报系统联系。当浮标在黑匣子声波发生 器约5 0 0 米之内时能精确地探测到目标的声信号。利用目标发射信号与浮 标接收信号的时延差得到浮标和目标的相对位置，同时，利用差分g p s 接收 机能精确测量出浮标的精确位置。定位数据可以通过本地的无线传输网在膝 上电脑和浮标之间进行交换，无线电的传输范围可以达到1 0 k m ( 利用直升机) 或5 k m ( n 用舰船1 。 国内对水声定位系统的研究较晚，主要是哈尔滨工程大学、中科院声学 所、天津海洋局、杭州7 1 5 所以及东南大学等。上世纪7 0 年代末，在中国工 程院院士杨士莪教授的带领下，哈尔滨工程大学研制成功了洲际弹道导弹落 点测量的长基线水声定位系统，这是我国第一套水声定位系统。此后，哈尔 滨工程大学水声工程学院从未间断对长基线 3 1 33 i 等水声定位系统的研究。 哈尔滨工程大学博士学位论文 1 9 9 1 年，哈尔滨工程大学研制成功了某型测量系统【3 4 】。这是一套短基线 定位系统，它具有三脉冲和双脉冲两种工作体制，可跟踪五个目标，通常最 主要的目标是鱼雷、活动靶和固定靶。系统实现了比较彻底的数字化，涉及 到一系列复杂的数字信号处理技术，如：自适应相干累加测频技术、拷贝相 关技术和瞬时频率方差检测器。在( 兼容) 窄脉冲方面，它还进一步完善了 经典的检测技术，尤其利用频率估计识别窄c w 脉冲相邻通道串漏干扰是对 传统跟踪技术的突出贡献。系统的最大特点是机动、灵活，四个水听器以梯 形阵结构固定于船两侧，基阵放下可测，收起即走，充分兼顾了试验海域无 岸基依托的环境条件。此后，短基线定位系统得到了不断的完善和发展 3 5 舶】。 东南大学研制的y t m 鱼雷弹道测量系统也是目前国内水声定位研究领 图1 7y t m 系统测量阵示意图 f i g 1 7 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o n m e a s u r e m e n ta r r a yo f y t ms y s t e m 域中较有代表性的系统1 1 6 , 3 8 】。y t m 系 统的测量阵示意于图1 7 。y t m 采用 了由6 个阵元组成的水听器阵，采用 三点法定位，通过测量目标信号到达 基阵对角线上三个阵元的时间差，由 双曲面交汇得到目标点坐标。y t m 系统的作用距离约为3 0 0 米时相对 定位误差为3 斜距( 9 米) 。但由于 u 1 它在垂直方向上尺度很小，所以深度 测量精度不够理想。 哈尔滨工程大学早在上世纪9 0 年代初就开始了超短基线定位系统的研 究 3 7 1 。2 0 0 6 年，哈尔滨工程大学和国家海洋局一所共同成功研制了我国第一 套具有自主知识产权的超短基线定位系统 3 8 - 4 3 1 ( 见图1 8 ) 。此前，国内使用的 超短基线定位系统几乎都是从国外引进。自行研制的超短基线定位系统最高 定位精度达到斜距的5 o ，最大作用距离达到8 k m ，可以同时跟踪5 个目标， 并且具有通信功能。 中科院声学所东海研究站在上世纪9 0 年代也开展了超短基线定位系统 的研究，主要用于对接的定位技术。国家海洋局天津海洋技术研究所在同一 时期对超短基线定位系统样机进行了相应的研究。 1 0 第1 章绪论 ( 旬( b ) 图18 长程超短基线定位系统 ( 曲声学基阵与应答器；( b ) 数字信号处理系统 f i g1 8l o n g - r a n g eu l a - s h o rb a s e l i n e 皿r u s b l ) p o s i t i o n i n gs y s t e m ( 曲a c o u s t i ca r r a y a n dn a n s p o n d e r ；( b ) d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m 此外，国内也对水下g p s 进行了相关的研究。近年来，在国家“8 6 3 ”计 划的支持下，杭州7 1 5 所成功研制出国内第一套水下高精度定位导航系统 t 舳s i 。千岛湖试验表明，在水深4 5 米左右的水域，系统的水平定位精度达到 5 厘米，测深精度为3 0 厘米，水下授时精度为0 2 m s ，且测量误差不随时间 累积。但是由于水面浮标受风和流的影响，其位置是由g p s 实时测量得到。 因而水下g p s 虽然对于从水面对水下目标的跟踪很方便，但是利用水下g p s 对水下航行的潜器进行定位导航时，要求g p s 能够实时与水中潜器通信，将 其位置信息传给水中潜器，增加了系统的复杂度。 12 3 水声定位导航存在的技术问题及发展方向 从水声定位技术的发展历程可以发现，各国都在加大对水声定位系统研 制的投入，而且取得了丰硕的成果。但从实际应用来看仍然存在许多问题， 这些问题决定了水声定位导航技术的发展方向。下面将从海底应答器绝对位 置校准、高精度水下声学定位技术、单海底应答器水下声学导航技术、组合 水下声学导航方法和多用户水下声学导航等几方面来详细阐述。其中前两个 哈尔滨工程大学博士学位论文 属于海底应答器的定位导航技术问题，后三个属于体制问题。 1 2 3 1 海底应答器绝对位置校准 作为水声定位导航系统的参考点，海底应答器绝对位置精确校准技术不 仅是系统工作的前提，也是高精度定位导航的关键。 最初由于精确大地坐标测量手段的限制，人们对海底应答器的位置校准 仅限于相对位置的测量【州8 】。上世纪9 0 年代，随着高精度g p s 的出现，应答 器的位置校准一般要求确定在大地坐标系中的绝对坐标【4 9 s 1 1 。多只海底应答器 的绝对位置校准，既可以分别对每只应答器校准，也可先对应答器进行阵型 校准，然后确定任意一只应答器的绝对大地坐标。对于单海底应答器绝对位 置校准，需要考虑如下两个问题。 一方面，应答器绝对位置校准的精度和效率是一对矛盾。通常的校准方 法是，利用带g p s 的测量船在水面不同的位置与单海底应答器进行问答，构 成倒转长基线( i n v e r t e dl o n gb a s e l i n e ，简称为i l b l ) 对其校准。校准精度不 仅与各测点之间的几何位置有关，还与它们和应答器之间的位置关系有关。 应答器的绝对位置校准是一个耗时的过程，在深水条件下尤为如此。通过选 择合适位置的测点有可能既实现高精度的校准，又能避免盲目航行，提高作 业效率。 另一方面，声速垂直分布也是影响海底应答器绝对位置校准精度的一个 重要因素。声速的不均匀分布会使声波折射，声线发生弯曲。由于声速分布 引起的声线弯曲是影响单海底应答器高精度校准的又一因素。只有根据所测 数据，利用声波的传播规律，对声线弯曲进行修正，才有可能实现海底应答 器的高精度校准。而现有的声线弯曲修正算法多是针对双曲面交汇、法【5 2 5 5 l ，尚 无针对球面交汇的声线弯曲修正方法。并且，这些修正方法都是在声速分布 已知的条件下进行的。当声速分布未知时，这些方法失效。 当然，在应答器位置处安装深度传感器，也是提高应答器绝对位置校准 精度的一种办法。 1 2 第1 章绪论 1 2 3 2 高精度的水声定位技术 水声定位是水声导航技术的核心，因而对于水下潜器导航而言，高精度 的水声定位技术就显得尤为重要。 长基线定位是一项成熟的技术，可以在大范围内获得高的定位精度。高 精度的海底应答器绝对位置校准，高时延测量精度和精确的声线弯曲修正方 法是关键。 高精度的短基线定位则取决于精确的时延差测量和安装误差校准。而高 精度的超短基线定位不仅与精确的测距测向有关，还与安装误差校准精度密 切相关。利用 6 0 6 4 方法可以进行安装误差校准，但是这些方法都是基于声 速均匀分布的假设前提下进行的。在深海远距离的情况下，安装误差校准会 产生较大的误差，需要进行声线弯曲修正。 好的波形设计可以有效地提高时延测量精度和方位估计精度。自从9 0 年代以来，n a u t r o n i x ，s o n a r d y n e ，w h o i 等相继采用了宽带扩谱信号陋5 9 】，不 仅使系统更加稳定，而且提高了定位精度。 1 2 3 3 单海底应答器的水下声学导航技术 长基线能够为水下潜器提供高精度的定位导航。但是该方法要求在海底 布放多只应答器，具有成本高，作业困难，校准耗时的缺点。 自上世纪9 0 年代以来，俄罗斯，美国，英国等国家开展了单海底应答器 水声定位导航技术的研究 6 5 7 3 1 。海底仅布放单只应答器，潜器在不同的位置点 与之问答，测定它们之间的距离。由于这些位置点的相对坐标可以通过船位 推算或者多普勒获得，因而可以通过距离交汇的办法求得应答器与潜器的相 对位置。如果该应答器的大地坐标已知，则可以利用其对水下潜器导航。此 为纯距离声学导航方式。 如果潜器上安装有超短基线，则有更灵活的水下导航方式。如果充分利 用超短基线的测距测向能力，那么潜器单点与应答器进行单次问答就可以实 现应答器定位导航，如果仅利用超短基线的测距能力( 纯距离定位导航) 或 者测向能力( 纯方位定位导航) ，则需在多点与应答器进行问答，同时测定这 1 3 哈尔滨工程大学博士学位论文 些点的相对位置。 纯距离导航可以利用收发合置的换能器替代超短基线，使系统大大简化， 亦不需对超短基线进行安装误差校准。但是需要额外的定位导航方法测定各 测点之间的相对位置。 纯方位定位导航可工作在信标方式，信标以一定的时间间隔发射声脉冲， 超短基线可以测定其方向。如果在相对坐标已知的多点进行测量，也可以确 定相对位置，实现导航。信标工作方式对于潜器而言隐蔽性好，但是需要解 决信标的能源问题。 单海底应答器水声导航关键在于超短基线的测距测向能力和海底应答器 绝对位置的精确校准技术，将在后续章节中详细阐述。 1 2 3 4 组合水下声学导航方法 将各种声学定位系统相组合，可以得到组合声学定位导航系统，如长 短基线系统( l s b l ) 、长超短基线( l 他s b l ) 、短超短基线系统( s 肘s b l ) 以及长短超短基线系统( l s 舢s b l ) 等。由于各种海底应答器的声学导航 方法各有其优缺点，将各种水声定位系统以一定的方式组合有可能扬长避短， 使定位导航系统的性能最优，同时由于信息冗余，可能增加系统的稳定性。 各国都对组合声学定位导航系统展开了研究，许多公司都有成型的产品【体咖。 各种声学导航方法的组合关键在于组合方式的选择，以及信息的融合方 法。组合方式是指将哪些声学定位系统相组合，并按照哪一种方式进行工作。 一般来说，组合方式根据实际的作业需要和条件而定。信息融合方法则是在 一定的组合方式下，将所有的信息以某种方式组合进而得到组合导航结果的 方法。既可以将各定位系统的输入信息相组合，也可以将各定位系统的定位 导航结果相组合。 总之，组合方式和信息融合方法最终目的是提高系统的定位导航精度， 增加系统的稳定性。本文将从基于超短基线的单海底应答器导航和长基线导 航精度的空间几何分布特性出发，对l a j s b l 的信息融合方法作初步研究。 1 4 第1 章绪论 1 2 3 5 多用户水下声学导航 多用户水下声学导航是指利用海底应答器同时对多只水下航行的潜器提 供定位导航服务，而不是通常所指的单只潜器进行导航定位。未来大洋深水 作业的模式多种多样，其中多潜器或平台协同作业将成为主流，具备多用户 定位导航服务的水声定位导航系统将大大增加水下潜器作业的灵活性。 多用户声信号间的相互干扰是设计考虑的重点 8 1 - 8 4 1 ，采用抑制能力强的宽 带编码波形是解决多目标分辨的基本途径。此外，由于计算量大，采用高速 d s p 阵列处理是提高多目标定位和跟踪实时性的根本出路：数据传输能力的 获得依赖于信号的编码体制和多途抑制技术以及高速的d s p 计算能力。 多用户水下声学导航一般有两种信号形式供选择：单频信号和编码信号。 使用单频信号时需要设计不同带宽的滤波器来抑制相邻频率的干扰，有限带 宽允许的用户( 水下潜器) 数目有限，但工作起来系统方案简单。使用编码 信号能够在相同的带宽下能够容纳更多的目标数，但相互间的干扰又所下降， 而技术难点在于如何寻找自相关性好、互相关性较小的编码。由具有优良相 关性能的c o s t a s 阵列【8 5 】构成的跳频序列即是一个不错的选择。 1 3 声线弯曲修正的理论基础 海洋中的声速具有垂直分布特性，声速的垂直变化将引起声线的弯曲。 在深海条件下利用水声应答器进行定位导航，声线弯曲修正显得更加必要， 否则会引起较大的误差。传统的声线弯曲修正方法主要利用波动声学】的方 法和射线声学【s w 4 q 0 5 的方法研究声波的实际传播情况。前者主要是从波动理论 出发，研究在不同的边界条件下的声波传播问题，但是计算量比较大。后者 虽然是一种高频近似处理，但是许多情况下，都能有效和清晰地解决声传播 的问题，而且计算比较简便，得到广泛的应用。本节给出的射线理论是本文 进行声线弯曲修正的理论基础。 哈尔滨工程大学博士学位论文 1 3 1s n e l l 定律与射线跟踪 声波在水中传播满足s n e l l 定律： c o s 6 。：c o sg o _ _ = 常数 一= = 芾：矗v c c o 其中口为声传播方向与水平坐标o x 的夹