（水声工程专业论文）长程超短基线定位系统研制.pdf

哈尔滨工程大学博士学位论文 校准试验的实际情况，给出了阵元间附加相移的测量方法及水池试验结果。 如前所述，一套完整的超短基线定位系统都包括三个组成部分：水声定 位系统、船姿态测量系统和6 p s 定位系统，前者是用定位目标在基阵坐标系 下的位置，后两者是用于将目标的水声基阵坐标转化为相应的大地坐标。这 些系统所包括有多个传感器，不同传感器所在的坐标系间的角度偏差是导致 超短基线系统定位误差的一个重要原因。如何在不用附加任何硬件的情况下 在海上快速对u s b l 系统进行校准是系统需要解决的重要问题。文中提出了利 用对海底固定应答器的定位进行校准试验的过程，并利用非线性迭代最小二 乘原理对应答器位置及坐标问的角度偏差进行了估计，海试试验证明此校准 方案的有效性。 最后，本文对系统的湖试、海试作了介绍，系统的主要性能在试验中得 到了充分的体现。 关键词：水声定位系统；u s b l ；定位算法；相位校准；超短基线的海上校准 a b s t r a c t a c o u s t i cp o s i t i o n i n gs y s t e mh a sw i d ea p p l i c a t i o ni no c e a ns c i e n t i f i cf i e l d h o w e v e r , e x i s t i n gs y s t e m sh a v ed i s a d v a n t a g e so fb u l k i n e s s ，p e r p l e x i n go p e r a t i o n ， l i m i t e dp o s i t i o nr a n g ea n dl o wp r e c i s i o n ，r e s u l t i n gi nt h e i ri n c o m p e t e n c eo f s a t i s f y i gm a n ya p p l i c a t i o nn e e d s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f a c o u s t i c sm a ds i g n a l p r o c e s s i n gt h e o r y , a sw e l la st h a to fd s p a n dd g p st e c h n o l o g y , i ti sp o s s i b l ef o r u st od e v e l o pm o r ea d v a n c e dp o s i t i o n i n gs y s t e m s t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i si n c l u d e s ：s y s t e ml e v e ld e s i g na n di m p l e m e n t t a t i o no fa nl o n gr a n g eu l t r as h o r tb a s e l i n e ( l r - u s b l ) s y s t e mt h a ti so n eo f r e s e a r c hp r o j e c t so ft h en a t u r a l8 6 3p r o g r a m ，r e s e a r c ha n dd e s i g no ft h ec a l i b r a t i o no ft h ep h a s es h i f tm i s a l i g n m e n t so ft h eb a s e l i n ea r r a y ，a n g u l a rm i s a l i g r n e n t s o f t h eu s b ls e n s o r s ，a n dp e r f o r m a n c ev e r i f i c a t i o nb ye x p e r i m e n t s s y s t e ma r c h i t e c t u r ed e s i g ni sc r u c i a lt oas y s t e m sp e r f o r m a n c e o u rs y s t e m i s c o m p o s e do fa c o u s t i cv e s s e l b o r n l o c a l i z a t i o n s y s t e m ，m e a s u r i n gv e s s e l h e a d i n ga n da t t i t u d es y s t e m ，a n dm e a s u r i n gv e s s e lp o s i t i o ns y s t e m a m o n go t h e r s ， b a s e l i n ea r r a ys t r u c t u r ei so n eo fi t si n n o v a t i o n s ，w h i c he n a b l e si tt op o s i t i o n t a r g e t si nl o n gr a n g ew i t hh i g hp r e c i s i o n t h i st h e s i sa n a l y s e st h ee r r o rs o u r c eo f t h es y s t e m ，a n di n t r o d u c e st h ea l g o r i t h mo ft h eh i g hp r e c i s i o np o s i t i o n o t h e r s d i s c u s s e di nt h et h e s i si n c l u d es 缸u c t l i r ed e s i g no fa r r a ya n dr e s p o n d e r , t h e a r c h i t e c t u r eo f t h et r a n s c e i v e ru n i ta n dc o n t r o l l i n ga p p l i c a t i o no f s y s t e m a c c o r d i n gt oe r r o ra n a l y s i s ，i ti sk e y t or e s t r a i n gt h ed i r e c tm e a s u r i n ge r r o r s f o r i n c r e a s i n gs y s t e mp o s i t i o n i n gp r e c i s i o n b e s i d e si m p r o v i n gt h ei n p u t s i g n a l - t o - n o s i er a t i o t h et h e s i si n t r o d u c e ss o m em e t h o d sf o rr e d u c i n gt h ep h a s e m e a s u r i n ge r r o r sa n di n c r e a s i n gp o s i t i o n i n gp r e c i s i o nf r o mt h r e ea s p e c t s ：h i g h p r e c i s i o np o s i t i o n i n ga l g o r i t b a n ，c a l i b r a t i o no ft h ep h a s es h i f tm i s a l i g n m e n t so f t h eb a s e l i n ea r r a y , a n da t s e ac a l i b r a t i o no f t h el r u s b ls y s t e m a sw ek n o w n u s b la p e r t u r es i z ei ss m a l lm a di ti se a s yt oi n s t a l l h o w e v e r , 哈尔滨工程大学博士学位论文 a c c u r a c yd e c r e a s e do v e rl o n g e ra n dg r e a t e rd e p t h s ，t h eu s b l h a sl o w e ra c c u r a c y i nl o n g r a n g eo p e r a t i o n s s o ，t w oi m p r o v e dm e a s u r e m e n tm e t h o d sa r ep r e s e n t e d o n ei st oi n c r e a s et h ea r r a y sa p e r t u r e ，a n o t h e ri st ou s et h ew i d e b a n ds i g n a lf o r p o s i t i o ns i g n a l ，a n dt h ep o s i t i o n i u ga l g o r i t h mi sc o r r e l a t i o np e a ki n t e r p o l a t i o n t i m e d e l a ye s t i m a t i o n t b es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ep o s i t i o n i n gp r e c i s i o no f t h ei m p r o v e du s b li si n c r e a s e db yt h e s em e t h o d s f o rt h es y s t e mb a s e l i n ea r r a yi sam u l t i - e l e m e n t sa r r a y , t h ea d d i t i o n a lp h a s e s h i f ti n h e r e db e t w e e nt h ed i f f e r e n th y d r o p h o n e sl e a d st op h a s es h i f te r r o r , w h i c h h a sa ni m p o r t a n ti m p a c to nt h ep o s i t i o n i n gp r e c i s e s ow em u s tm e a s u r et h i s p h a s es h i f t a n dc o m p e n s a t ei tf o rt h ep o s i t i o n i n gd a t a a c c o r d i n gt oa c t u a l e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ，am e t h o di sp r e s e n t e dt om e a s u r et h ea d d i t i o n a lp h a s e s h i f to f t h eu s b l ，a n dt h er e s u l t so f p o o lt e s ti si n c l u d e d a sm e n t i o n e dp r e v i o u s l na l lu s b ls y s t e mc o m p r i s e st h r e ep a r t s ：a c o u s t i c l o c a l i z a t i o ns y s t e m ，m e a s u r i n gv e s s e lh e a d i n ga n da t t i t u d es y s t e m ，a n dm e a s u r i n g v e s s e lp o s i t i o ns y s t e m t h cf o r m e ri su s e dt oo b t a i nt h e a c o u s t i c e t a r g e tp o s i t i o n ； t h el a t t e rt w oa r eu s e dt ot r a n s f o r mt h e a c o u s t i c e t a r g e tp o s i t i o ni n t oe a r t hr e l a t e d c o o r d i n a t e s m i s a l i g n m e n t s b e t w e e nt h ed i f f e r e n ts e n s o r sl e a dt oi m p o r t a n t p o s i t i o n i n ge r r o r s q u i c kc a l i b r a t i o no f t h eu s b ls y s t e ma ts e aw i t h o ma d d i t i o n a l h a r d w a r ei st h e r e f o r ea ni m p o r t a n to p e r a t i o n a lf e a t u r e t h ep r o c e d u r ep r e s e n t e di n t h i st h e s i su s e sp o s i t i o nm e a s u r e m e n t sf o raf i x e d - p o i n tm o o r e dr e s p o n d e r t h e a b s o l u t er e s p o n d e rp o s i t i o ni si d e n t i f i e d ，t o g e t h e rw i t ha n g u l a rm i s a l i g n m e n t so f t h eus b ls e n s o r s ，b ym e t h o d so fn o n l i n e a ri n e r a t i v el e a s ts q u a r e s ，a n dt h em e t h o d i st e s t e di ns e a - t r i a lw i t hr e a s o n a b l yg o o de f f e c t l a s t l y , t h i st h e s i sg i v e sd e t a i li n f o r m a t i o na b o u te x p e r i m e n t sb o t ho nl a k e a n do no c e a n ，i nw h i c hm a i np e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mh a sf u l l ye m b o d i e d k e yw o r d s ：a c o u s t i cp o s i t i o n i n gs y s t e m ；u t r a l s h o r tb a s e l i n e s y s t e m ； p o s i t i o n i n ga l g o r i t h m ；c a l i b r a t i o no fp h a s e ；a t - s e ac a l i b r a t i o no f u s b l ； 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 2 1 世纪是“海洋世纪”，是人类一致的认识、开发利用和保护海洋的新 世纪。海洋研究开发不只是关系到一个国家的资源战略问题，而且与国家的 安全息息相关，这个安全涵盖一个国家的政治、经济权益。“实施大洋开发”， 是顺应时代潮流的科学决策。海洋是人类社会可持续发展的宝贵财富和最后 空间，是能源、矿物、食物和淡水的战略资源基地。2 0 世纪7 0 年代以来， 世界海洋产业总产值十年左右翻一番。进入2 l 世纪，沿海地区的人口有可能 达到人口总数的四分之三。可以断言，今后世界海洋经济仍将持续快速发展， 成为世界经济发展的新增长点。联合国和其他国际组织都很重视海洋的开发 与保护，并鼓励沿海国家把海洋开发列入国家发展战略，对海洋开发实行综 合管理。 如今，世界各国在海洋上的竞争比历史上任何时期都要激烈。世界上沿 海各国政府不断提高对海洋的认识，积极调整海洋政策，加强海洋开发与保 护。美国、日本、俄罗斯、法国、英国等许多国家都把海洋开发定为基本国 策，竞相制定海洋科技开发规划、战略计划，优先发展深海高新技术，以加 快本国海洋开发的进程力度。我国周边海上邻国，也都很重视发展海洋事业， 不断加强对管辖海域的管理和控制。海洋开发已经成为国际事务的热点领域 之一，许多沿海国家都将海洋开发列为新世纪的重要战略任务。 实施大洋开发战略，关键是技术。谁掌握了海洋高新技术，就等于拿到 了资源宝库的金钥匙，就能从海洋中获得更多的资源和更大的经济利益，就 拥有资源开发的优先权。西欧各国为保持现有的经济实力，并为在高技术领 域内增强与美、日等发达国家的竞争力，也迎接新兴工业国的挑战，走联合、 优势互补、克服国家小、市场狭小、国力有限、资源和资金不足的弱点，他 们制定了尤里卡计划，尤星卡的海洋计划( e u r o m a r ) 的原则之一是加强企业 界和科技界在开发海洋仪器和方法中的作用，提高欧洲海洋工业的生产能力 和在世界市场上的竞争能力。已启动的和已完成的项目中的海洋环境遥控测 哈尔滨工程大学博士学位论文 量综合探测( m e r m a i d ) 和实验性海洋环境监视和信息系统 ( s e a w a t c h ) 已向我国推销，s e a w a t c h 在世界市场海洋仪器设备产品中已得 到数千万美元的经济效益；美国在海洋技术方面，继续保持在海洋探测、水 下声通讯和深海矿产资源勘探、开发方面的领先地位；日本在海洋方面重点 在深海潜器计划，其水下技术更是处于世界领先水平，政府投入巨资支持其 国家的水下技术中心( j m s t c ) 发展，该中心的无人遥控潜水深度达到11 0 0 0 米，是目前世界最高纪录。同时，国外先进国家特别是美、欧等国对高、精、 尖的海洋高科技特别是我国深海调查急需的手段( 如高精度多波束系统、长 距离高精度超短基线定位系统等) 对中国实行禁运，对于非禁运技术动不动 就需要最终用户清单，企图阻止我深海技术的发展。这种国际形势迫使我国 发展民族海洋高科技产业。 面对潜在的国际海底资源，国家从长远发展上考虑，大力实施大洋开发 战略，提升中国开发海洋开发技术与科学研究水平。1 9 9 6 年7 月，国家科技 领导小组批准将海洋高技术作为国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 的第 八个领域。海洋技术领域包括三个主题：海洋探测与监测技术主题( 8 1 8 ) 、海 洋生物技术主题( 8 1 9 ) 和海洋资源开发技术主题( 8 2 0 ) 。其中海洋资源开发技 术主题的指导思想是：在国家发展战略的大背景下，进一步开发近海油气资 源，推动深水资源的勘探开发技术进步，大力发展大洋海底资源探查开发技 术；实现从单一的油气资源向以油气资源为主，天然气水合物、多金属结核、 富钴结壳和多金属硫化物等多种矿产资源并举的战略转移；形成近海一深水一 大洋资源勘探开发技术体系，为实现全海域资源开发提供高技术支撑。根据 上述发展战略及目标，主题共设立5 个专题。 “长程超短基线定位系统研制”是海底立体探测和成像技术专题中，一 项独立的应用研究类课题。其研制目标是：开发研制长程超短基线定位系统， 为建立水下立体高精度定位系统，解决水下探测暑丑作业的高精度定位问题提 供技术装备。水声定位系统具有广泛的用途，较大的需求，从事这一研究不 仅可以促进我国定位和水声技术的发展，也会改变我国在该技术上主要依靠 进口设备的现状，产生良好的经济效益。 第l 章绪论 1 2 水声定位系统研究概况 自从1 9 1 2 年在美国出现了第一台水声测深仪以后，开始有了水声助航设 备。在第二次世界大战中，对水下目标的探测和测量受到了重视，并在战后 得到了快速的发展，出现了舰载声纳。舰载声纳的主要任务是以本舰为坐标 系原点，探测目标的方位和距离。但是，利用水声技术对船舶和水中载体进 行地理位置( 大地坐标) 的测定，直到5 0 年代才逐渐发展起来。1 9 5 8 年， 美国华盛顿大学应用物理实验室在达波湾建成的三维坐标跟踪水下武器靶 场，在海底放露了四个间距严格测定的水昕器，可以在近距离上对带有同步 声信标发射机的鱼雷提供距离和方位信息。只要对各个基元的地理位置( 大 地坐标) 进行精确的测量，就可以对目标在大地坐标中的位置以及运动轨迹 进行测量。利用水声定位技术可以高速度、高精度、连续、自动地显示出水 下物体的位置，这对于海底地形勘探、水下航行器控制和水下遥控作业等都 是很重要的。 早期的水声定位技术主要应用于军事，随着科学技术的发展，水声定位 技术在民用方面也得到了广泛的应用，例如海洋资源开发、水下油气管道的 布设、水下电缆的铺设、水下救险、沉船打捞、潜水员定位以及航道异物清 除等都要用到水声定位技术，为人类从事海洋活动提供了更3 n r 一阔的前景。 拥有全天候、高精度、高可靠性的水声定位系统也为人类的海洋资源开发提 供了更加可靠的保障。随着我国对海洋资源的开发和保护越来越重视，如目 前兴起的水下考古研究，各种海洋工程的建设、海洋油气和深海矿产资源的 调查和开发等方面的投入日益加大，因而对海洋调查测量的精度和手段的要 求也越来越高，高精度的定位系统是获取各种高精度测量数据的最基本保证。 科研人员希望能够从声、光或电磁波中找到一种在海水介质中具有理想 传播性能的方式。而声波在海水、海底介质中的吸收衰减远小于光波、电磁 波，可以在海洋中传播最远。因此水声技术是当前海洋科学中的主要研究手 段“。 但有些人并不满足于此，因为海洋介质的不均匀性和多变性导致声速分 布规律非常复杂，还受到多种因素的制约阻1 。这样声纳在进行水下探测、定 位时，有时会造成较大的定位和测向偏差。1 9 6 3 年，s a s u l l i a n 及s q d i m t 哈尔滨工程大学博士学位论文 l e y 等人在研究光波在海洋中的传播特性时，发现海水对0 4 5 0 5 5 微米波 段内的蓝绿光的衰减比对其他光波段的衰减要小很多，利用工作在蓝绿光波 段的激光器可研制出基于新的物理机理的水下目标探测、控制、通信等新型 装备。“。“。一些发达国家如美国、加拿大、澳大利亚、瑞典、意大利、日本 和法国都建立了各自的水下光电探测研究系统。一些激光水下探测系统，如 美国卡曼航空公司的m a g i cl a n t e r n 9 0 、美国西屋电气总公司的s m 2 0 0 0 以及 加拿大l u c i e 等已投入使用，这些系统大多以搜索沿海潜艇、小型潜艇和水 雷为目的，或是声纳探测的一种辅助手段，且现阶段也只局限于目标的探测， 至于蓝绿激光技术的更广泛应用尚处于概念阶段或实验阶段。“。 尽管海洋环境复杂多变，但经过几十年的研究，声波在水中的传播规律、 声辐射、反射、目标特性以及水下噪声、水声信号处理等都已基本形成了成 熟的理论，因此水声技术目前仍是水下目标定位的最有效方法。 水声定位系统是利用沿不同距离路径传播的水下声脉冲间的时间差或相 位差对水面、水中目标定位的仪器系统。水声定位系统按定位基线长度可分 成三类：长基线( 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 ) 、短基线( s h o r tb a s e l i n e p o s i t i o n i n gs y s t e m ) 、超短基线( u l t r as 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 ) ， 表1 1 列出这三种定位系统的典型基线长度口1 。 表1 1 水声定位系统的分类 t a b l e1 1s o r to f a c o u s t i cp o s i t i o n i n gs y s t e m 定位类型基线长度简称 长基线 短基线 l o o m 6 0 0 0 ml b l s b l 超短基线小于o 5 mu s b l 、s s b l 也可将几种方式结合使用，称为组合定位系统，组合定位系统分4 种： 长基线超短基线( l u s b l ) 、长基线短基线( l s b l ) 、短基线超短基线( s u s b l ) 、 长基线短基线超短基线( l s u s b l ) 等组合定位系统。 一般来说，l b l 系统在海底较远距离按一定的几何形状布设应答器阵， 相邻三个或四个应答器构成一基阵。布设基阵后先要确定基元位置，测量方 4 第1 章绪论 ；j i _ - i i _ ；i i i # i ；i 1 1i i i - i i ；i i i ；j i ；i _ j 目i _ i i i i # i ；i ；_ _ i i i i i i 法为由母船上的应答器发射询问脉冲，多次变换母船位置后，利用声学原理 解算迭代方程得到基元的相对位置坐标。基元位置坐标确定后，可以用解析 法得出目标的位置。通过测量应答器器发射询问信号到接收到应答信号的时 延差，可以得到目标到各个应答器问的斜距值，从而建立球面方程组，计算 目标位置。l b l 系统多是大型固定安装系统，跟踪范围达数百平方公里。主 要优点是精度高、可靠性好。 s b l 系统基线长度较短，相对位置固定，常装在船舶或平台上，它的水 听器基阵由四个成直角坐标配置的水听器组成，工作原理同长基线定位”“。 与l b l 系统相比，s b l 系统跟踪范围较小。可以通过增加基阵的数目来扩大 跟踪范围。短基线系统是目前鱼雷靶场广泛使用的一种三维跟踪系统。 u s b l 系统是由s b l 系统中用相位方法测量目标的系统发展而来的。它的 基线长度小于半波长，可以很精确、很方便地安装成个平面测量阵，由船 舶或平台放入水中。工作时，母船的应答器发射询问信号，根据目标的应答 时间测出水下目标的距离，同时利用到达各阵元的应答信号相位差测出目标 的方位，从而得到目标的位置。u s b l 系统的设备更为简单，在其适用的场合 表现出很好的灵活性。主要缺点是其定位精度较低，目前国际上此类的定位 精度在2 5 左右，国内在3 左右。要进一步提高其精度，必须进一步研究 精度高的接收阵，较大幅度地增加系统的输入信噪比等技术u ”j 。 国外有很多公司看好开发海上作业设备这一广阔市场，并已形成专业化、 产业化，研制出了一系列的产品。表1 2 列出了国外些从事水声定位系统 生产的公司及其产品类型。 表1 2 从事水声定位系统生产的外国公司 t a b l e1 2f o r e i g nc o m p a n ye n g a g i n gi na c o u s t i cp o s i t i o n i n gs y s t e m 、产品类型超短基线短基线定长基线定组合定 岔刁。、定位系统位系统 位系统位系统 k o n g s b e r gs i m r a d s o n a r d y n e n a u t r o n i x o c e a n ot e c h o l o g ie s o r e 哈尔滨工程大学博士学位论文 b e n t h o s e d g e t e c h ( e 6 g ) i m e t r i x s o n a t e e h o r c a p m e s 国外对声学定位系统研究较早的是挪威k o n g s b e r gs i m r a d 公司d 4 ，已 有近3 0 年的研究、开发历史。该公司掌握了三种定位技术，有一系列成熟的 产品投入到军方及民用，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一h i p a p 3 5 0 ，作用距 离可达3 0 0 0 米，距离测量精度优于2 0 e m ，随后推出h i p a p 5 0 0 ，作用水深达 4 0 0 0 m ，测距精度优于2 0 c m ，新近推出的h i p a p 7 0 0 ，作用水深达1 0 0 0 0 米， 测距精度优于5 0 c m ，也是世界上唯一工作水深上万米的长程超短基线定位系 统；h i p a p 7 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，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，截至2 0 0 1 年底，h i p a p 系列在全球已经销售2 0 0 多套。 法国o c e a n ot e c h n o l o g i e s 公司“”“”( 原m o r s 公司) 始建于1 9 7 7 年，是一 家专业从事水声设备，海洋学仪器，水下导航设备开发的公司。”。许多发达 国家的海军及海洋研究所都有它们的产品，同时它们的产品也已经成为业内 的标准，代表着当今世界的先进水平。该公司的新型超短基线定位系统 p o s i d o n i a6 0 0 0 长程超短基线定位系统，工作水深6 0 0 0 m ，最大作用距离 8 0 0 0 m ，在6 0 0 0 m 水深3 0 0 开角范围内，测距精度为0 3 ，询问频率为8 o 1 4 k h z ，应答频率为1 4 1 8 k h z ，该系统已经成功推向市场。从1 9 9 7 年开始已 经开始装备在法国i p r e m e r 的水下机器人和深拖系统以及德国的g e o m a r 深拖 系统，“大洋一号”综合海洋科学考察船装备的就是p o s i d o n i a6 0 0 0 超短基 线定位系统。 p o s i d o n i a6 0 0 0 主要优点是对常规的水听器阵的结构进行了改造，并采 用调频声学信号( c h i r p ) 。通过扩频技术，多频编码信号及脉冲压缩技术等宽 带处理技术，整个系统获得了1 9 d b 的处理增益，减少了多途、反射和混响对 6 系统定位精度的影响，在海上噪声比较大的情况下，仍可以对目标进行有效 可靠的定位。 此外，英国的s o n a r d y n e 公司“”1 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。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，进行各对应答器之间的直接基线测量。 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。其l b l 系统的性能列于表1 3 。 表1 3s o n a r d y n el b l 系统性能 t a b l e1 3t h ep e r f o r m a n c eo fs o n a r d y n e sl b l 1 9 9 9 年，英国的p m e s 公司推出了s m a r t t r a c k 水声跟踪系统，它由4 个 浮标和一个跟踪显控站组成基本构造，跟踪区域5 k m x5 k m 。当扩展到1 0 个 浮标和二个跟踪显控站时，可组成2 0 k m x 5 k m 跟踪区域的测量系统。同时精 确定位跟踪水下5 个目标，跟踪精度5 米。在定位技术上，由于结构及应用 原因，主要采用异步工作方式，对同步工作方式，虽有硬件的支持，但尚需 进行一定的开发工作；为解决远距离上的抗距离模糊问题，s m a r t t r a c k 系统 采用了d i f a r 定位和电罗经测向的硬件办法。该系统已广泛应用于英国、澳 大利亚等国的水下鉴定靶场及其它民用领域，比较先进可靠。 现在一些国外公司，如n a u t r o n i x 、s o n a r d y n e 等正在实验或初步开发出 一种称为扩频测距的技术( s p r e a ds p e c t r u mr a n g i n gt e c h n i q u e s ) ，相对声 脉冲群距离修正技术，该技术可以将信噪比提高6 d b 1 2 d b ，从而可获得亚 米级的距离测量精度，而且对噪声不很敏感。而k o n g s b e r gs i m r a d 公司，利 用波束旋转( b e a ms t e e r i n g ) 、空旋转( n u l ls t e e r i n g ) 、自适应噪声抵消 7 哈尔滨工程大学博士学位论文 ( a d a p t i v en o i s ec a n c e l i n g ) 、声学障板( a c o u s t i cb a f f l e s ) 等技术已经 开发或正在试验新的产品。 从9 0 年代起，u s b l 定位系统的发展方向主要集中在两个方面，用宽带 发射信号代替传统的单频发射信号，从而达到抗多途、提高处理增益等好处， 如前面介绍的法国p o s i d o n i a6 0 0 0 ；对基阵阵型的改进，增加定位信息冗余， 以提高定位精度，如k o n g s b e r gs i m r a d 公司的h i p a p 系列。近年来，i x s e a 公司研制的新型u s b l 定位系统g a p s 引起广泛的关注。”，g a p s 是世界首个便 携式、即插即用、无需坐标校准的超短基线定位系统。g a p s 最大的优点是将 g p s 定位系统、惯性导航系统及水声定位系统的传感器组装在一起，利用信 息融合技术直接给出水下目标的全球定位坐标，以避免不同传感器坐标间不 吻合引起的定位误差，从而无需进行额外的校准试验。g a p s 包括四个水听器， 采用了宽带信号( c h i r p ，m f s k ) 定位技术，以保证水声定位的精度。g a p s 定 位系统最大的作用距离是4 0 0 0 米，定位精度到达0 3 ，同时具有较高的数 据刷新频率1 0 t t z ，可以应用于动态系统的定位。由于系统使用了钛金属为制 造原料，g a p s 仅重2 8 公斤，极易安装，其安装时间通常小于1 个小时。 此外，水下g p s 定位系统也是水声定位系统的一种“，该技术可用于潜 艇定位，进行爆炸性军火处理( g o d ) ，即处理在战争中投放在海中没有爆破的 哑弹，还可以用于水霄对抗等许多领域中。水下g p s 系统是利用空间g p s 系 统在海洋中布放一系列声纳浮标，形成网格，在水面用空间g p s ，在水下用 水声通信。 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 i 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 第1 章绪论 达到1 0 千米( 利用直升机) 或5 千米( 利用舰船) 。此系统与本文所研究的系统 有相似之处。 我国只有少数机构在进行水声定位技术的研究，由于人力、资金及市场 需求的限制，与国外的发展水平还有一定的差距，到目前为止，没有成熟的 产品，大部分都只限于国外引进，如“大洋一号”综合海洋科学考察船装备 的就是p o s i d o n i a6 0 0 0 超短基线定位系统。 为满足军用需求，我国也有一些自行研制成果。1 9 9 1 年，我国研制成功 了船载式鱼雷轨迹测量系统。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。系统将标志脉冲分 为帧同步和游标，可以将采样率提高到0 4 s 、0 8 s ，而不致引起“距离模糊”。 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 脉冲邻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，充分兼顾了实验海域无岸基依托的环境条件。 此外，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 研究领域中较有代表性的系统“。y t m 系统的测量阵示意于图1 1 。y t m 采用了由6 个阵元组成的水昕器阵，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 统的作用距离约为半径5 0 0 米的范围内，3 0 0 米内相对定位误差为3 ( 9 米) 。 但由于它在垂直方向七尺度很小，所以深度测量精度不够理想。 图1 1y t m 系统测量阵示意图 f i g u r e1 is c h e m a t i co fm e a s u r e m e n ta r r a yo fy t ms y s t e m 9 哈尔滨工程大学博士学位论文 哈尔滨工程大学水声学院在水声定位方面也颇有研究。已成功研制了水 下多目标跟踪系统“”1 ( u n d e r w a t e rm u l t i t a r g e t st r a c k i n gs y s t e m ，u m t t ) ， 此系统是某武备实验鉴定必须的测量设备，主要任务是精确跟踪和定位加装 合作声学信标的多个水下目标( 最多5 个) 的运动轨迹。此系统可归类于长 基线定位系统，是一个综合信号处理、无线通信、g p s 定位、计算机、电子 等多种技术的系统，系统的跟踪范围为2 0 k m 5 k m ，可同时跟踪5 个目标， 定位精度小于5 米。 随着电子计算机微处理技术的高速发展，水声跟踪定位系统的工作性能 得到了极大的提高，水声跟踪定位系统正向着综合技术、仿真技术、水声对 抗、高效的综合测控体系方向发展。 1 3 论文研究内容 论文研究内容来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 中的一个课 题“长程超短基线定位系统研制”，长程超短基线定位系统( l o n gr a n gu l t r a s h o r tb a s el i n e ：l r u s b l ) 是利用水声定位技术实现对水下4 千米海深的 5 个目标，如a u v 、u u v 等进行定位、跟踪和数据传输的水声设备。课题要求 系统的最佳定位精度达到千分之五斜距，数据传输率大于每秒五十比特，误 码率小于万分之一。主要解决高精度测时测向、高性能水声换能器成阵、复 杂信号编码远距离水声通信和数字信号处理软硬件等技术难点，研发具有自 主知识产权，达到国际先进水平的试验样机。本文对长程超短基线定位系统 的相关技术进行了研究，具体包含以下几方面内容： ( 1 ) 超短基线系统的总体设计研究。介绍整个系统的组成，分析系统的 误差来源，根据系统主要技术指标给出系统设计要求，指出高精度测向是本 系统实现远距离高精度定位的关键。 ( 2 ) 结合系统采用的改进基阵阵形，给出了高精度定位算法，以实现系 统对远距离目标的精确定位，试验证明此算法使定位结果的精度有很大的提 高。 ( 3 ) 超短基线基阵相位校准。超短基线基阵阵元间初始相位一附加相移 第1 章绪论 会直接带来相位测量误差，属于系统误差，需要通过校准补偿来减少其对系 统定位精度的影响。由于系统对测向精度要求很高，随之对附加相移校准的 精度要求也颇高，因此需要在消声水池或开阔水域进行专门的校准实验。如 何通过实验得到可靠而有效的阵元间附加相移值是本系统需要解决的问题之 一。根据具体的实验环境，本文提出了一种基于最小二乘估计的校准算法。 文中详细给出了校准原理，数学建模及估计解算的过程，实验结果证明了此 方法的有效性。 ( 4 ) 超短基线系统海上校准。长程超短基线系统通过水声设备测时测向 得到的水下目标位置是基于系统基阵坐标系的，为满足深海勘探等海上作业 的要求，需要得到目标在大地坐标系中的位置，为此系统配置了姿态仪、g p s 定位系统等设备以提供船姿态方位等信息，通过坐标转换最终得到目标的大 地坐标。系统坐标转换将涉及系统的多个传感器所在坐标系，姿态仪等测量 设备本身角度测量误差以及设备的安装误差，都会产生坐标系间的旋转角度 偏差，其直接影响了系统的绝对定位精度。特别是设备的安装误差，即使精 细安装并采取相关硬件措施，也很难完全消除。此安装误差同样属于系统误 差，需要整个系统在海上通过专门校准试验，以获得安装误差引起的坐标旋 转角度值。如何进行海上对安装误差进行校准是本文研究的主要内容之一， 文中具体给出了一套完整的海上校准方案，系统海试结果证明了此方案的有 效性和可行性。 ( 5 ) 系统的主要组