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超短基线定位精度的改进方法研究 摘要 超短基线定位方法，因其低价的集成系统、操作简便容易，只需一个换能器，成为自 主式水下机器人普遍采用的定位方式。由于系统安装、轮船偏移、轮船倾斜以及水声通信 自身存在的问题，其定位精度不高：目前国际上超短基线定位方法的定位精度在l 左右， 国内在3 左右，因此，提高定位精度是目前超短基线定位研究中的一项重要内容。 本文首先研究了国内外超短基线定位技术的发展现状，研究了水声定位和超短基线定 位原理，并对水声传播进行了研究，分析了水声传播中的噪音干扰和声能量损失。 然后对超短基线定位方法进行了精度分析，分析了影响定位精度的原因，并采用卡尔 曼滤波方式，通过建立滤波的运动方程和测量方程对测量数据进行处理，以达到提高精度 的目的。 本文还对船体水平偏移和倾斜对定位结果的影响进行了研究，并研究了如何从理论上 减小和消除误差，将深度传感器的测量值引入误差消除算法以求解偏移角度。 最后进行了计算机仿真，验证了方法的可行性。 关键词：超短基线：声学定位系统；自主式水下机器人 t h er e s e a r c ho f im p r o v e dm e t h o df o ruit r as h o r tb a s elir e p o s i t i o r lp r e c i s i o n a b s t r a c t u s b l ( u l t r as h o r tb a s e l i n e lw h i c hn e e d s o n l y o n et r a n s d u c e ri s w i d e l y u s e di n a u v ( a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e ) f o ri t sl o wp r i c e ，c o n v e n i e n c ea n de a s yt oo p e r a t e b u t t h e r ea l em a n yp r o b l e m si ni t ，f o re x a m p l e ，t h ei n s t a l l a t i o no f s y s t e m ，t h ee x c u r s i o na n di n c l i n eo f s h i p ，s ot h ep r e c i s i o no fu s b li sp o o r a tp r e s e n t , t h ep r e c i s i o no fu s b li sa b o u t1 a b r o a d a n d3 a th o m e s oi t sas i g n i f i c a n tp a r tt oi m p r o v et h ep o s i t i o np r e c i s i o n t h i sp a p e rf i r s t l ys t u d i e st h ed e v e l o p m e n ta n dt h et h e o r yo fu l t r as h o r tb a s e l i n ep o s i t i o n i n g s y s t e m a n dt h et h e o r yo fa c o u s t i cp o s i t i o n i n gs y s t e mi sa l s os t u d i e di nt h i sp a p e r i nt h i sp a p e r , t h ea c o u s t i cc o m m u n i c a t i o ni sa l s oa n a l y z e d i ta n a l y z e st h en o i s ea n dt h el o s so f e n e r g y a n dt h e nt h ep o s i t i o n i n gp r e c i s i o ni sa l s oa n a l y z e d t oi n c r e a s et h ea c c u r a c y , i tu s e st h e k a l m a nf i l t e rt op r o c e s st h ed a t a t h ep o s i t i o np r e c i s i o ni si m p r o v e db yu s i n gt h em o v e m e n t e q u a t i o na n dm e a s u r e m e n te q u a t i o n i ta n a l y s e st h ee l l o r , w h i c hi sc a u s e db yt h ee x c u r s i o na n di n c l i n eo f s h i p i ta l s op r o p o s e st h e m e t h o dt or e d u c et h ee r r o rb yp u t t i n gt h ev a l u ei n t od e p t hs e n s o r f i n a l l y , t h es i m u l a t i o ni sm a d e ，a n dt h er e s u l t sv a l i d a t et h em e t h o d s k e yw o l - 。d s i u l t r as h o r tb a s e l i n e ；a c o u s t i c p o s r i o n i n gs y s t e m ；a u t o n o m o u su n d e r w a t e r v e h i c l e ( a u v ) ； 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得! 洼! 翅遗直墓丝孟要挂剔壹盟 丝：奎拦丑窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：章# 群宁 签字日期：加7 年6 , q 3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并肉囤家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 韩群宁 签字f = i 期：弘一7 年6 月3 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签字： 签字日期：2 相7 年月牛日 电话： 邮编： 超斑基线定位精度的改进方法研究 0 前言 0 1 课题背景及意义 人类今天正面临着人口、资源和环境三大难题。随着各国经济的飞速发展和世界人口 的不断增加，人类消耗的自然资源越来越多，陆地上的资源正在日益减少。为了生存和发 展，人们开始向海洋进军，向其他星球进军，海上石油的开采正是这一大进军的前哨战。 目前人们获取海洋数据的方法是昂贵且有限的。自治式水下机器人( a u v ) 作为未来 海洋探测开发的平台，有极其广阔的开发前景。各国都大力的研究和开发水下航行器。美 国、挪威、英国、法国、加拿大、日本已经研究并开发出各种实用的水下机器人。比较具 有代表性的a u v 有挪威的“h u g i n ”，美国海军研究生院( n a v a lp o s t g r a d u a t es c h 0 0 1 ) 研制的 “p h o e n i x ”，新罕布什尔大学( u n i v e r s i t yo fn e wh a m p s h i r e ) 海洋系统工程实验室研制的 “s a v ei i i ”，佛罗里达大西洋大学研制的“o c e a nv o y a g e ri i ”，麻省理工学院研制的 “o d y s s e yi i ”等；o d y s s e y 系列深海探测航行器可在6 0 0 0 m 深度下持续航行1 0 0 0 公里， 其中o d y s s e yi i 还可在冰层下作业。 我国也在积极地开展研究工作。我国在水下机器人技术方面的研究开始于上个世纪八 十年代初。进入九十年代，我国深潜器研制取得了重大突破，其典型代表是“探索者”号1 0 0 0 m 无人无缆遥控潜器和c r - 0 1 、c r 一0 2 无人无缆遥控潜器a u v 。 “探索者”号无人无缆自治水下机器人是在8 6 3 5 1 2 主题支持下的首项工作深度为1 0 0 0 米的无缆水下机器人。7 0 2 所承担的总布置和载体系统也是国内首次自行研制。 c r - 0 1 a 还是由7 0 2 所负责总布置和载体系统的研制。在“c r - 0 1 ”上，7 0 2 所率先提出 的低阻线型和高效艉推进器的优化、艏部槽道单向推力器的首次应用等，都取得了成功。 1 9 9 5 年该机器人在5 3 0 0 米深的洋底，成功地观察到锰结核的情况，并拍摄到了清晰的照片。 “c r 一0 2 ”自治水下机器人是在“c r 一0 1 ”的基础上作进一步改进而研制的自治水下机 器人。在“c r 0 2 ”上，7 0 2 所开创性地提出并研制了对转槽道推力器，使得“c r - 0 2 ”在仍采用 原转速控制硬件的基础上，不增加总长的条件下大大提高其垂直面内的机动能力，为机器 人的爬坡创造了条件。 水下定位是水下机器人研究领域中的一个重要组成部分，由于海洋环境的复杂性，a u v 的定位研究就显得坨为重要。 就a 【j v 而言，卣| 供应用的导航定位方式主要有两类：基于外部们 j 的i 自主导航定位和基 于传感器的自 学凯定位。非自主导航定位方式，如罗兰、欧术( ，h 等，仅在接收机能接 望堑茎垡塞垡堑壅塑塾丝查鲨堕窒 收到信号时能够完成导航。罗兰、欧米加相对于g p s 导航精度要低。到目前为止，罗兰导航几 乎能够覆盖整个北半球，在南半球几乎没有覆盖：而g p s 具有全球较高精度的导航能力。但是 这些基于无线电的导航方式，由于电波在水中衰减很快，在a u v 上的使用受到很大限制 i - 9 。 基于传感器的自主导航定位方式靠a u v 自身携带的装备如惯性测量装置( i m u ) 、声换能器、 地形匹配或地磁传感等手段完成导航。基于i m u 导航方式的主要缺陷是陀螺存在随机漂移，若 得不到有效的校正，导航误差会无限增大；随着水声技术的发展成熟，水声定位技术已经在 a u v 中得到广泛应用；传统的长基线水声定位技术要求事先在工作海域布设位置精确已知的声 换能器参考基阵，而且维护费用较高；短基线定位和超短基线定位的安装与使用都较为简单， 目前已得到广泛应用。 o 2 超短基线定位技术国外发展现状 国外的超短基线定位系统已经有了很大发展。 斯坦福大学的r o g e rc h a y w a r d 、j d a v i dp o w e l l 等人通过空间角度测量的方法来计算基 阵与船体偏差，从而消除由于设备安装而引起的误差1 1 0 i 。 挪威的p e t t e r s e nh a n s e n 、v e s t g a r d 等人采用锁相、相关技术检测相位和时间，从而得 到比较精确的相位值，明显的提高了定位精度l 。 挪威k o n g s b e r gs i m r a d 公司致力于波束控制( b e a ms t e e r i n g ) 、零控( n u l ls t e e r i n g ) 、 自适应噪声消除( a d a p t i v en o i s ec a n c e l i n g ) 、声学栅格( a c o u s t i cb a f f l e s ) 等技术的研究， 并且已经开发或正在试验新的产品m 】。 图0 1 装有p o s i d o n i a6 0 0 0 的“大洋一号”海上作业示意图 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) 于1 9 9 7 年推出的p o s i d o n i a6 0 0 0 长程超 塑塑苎垡塞篁堡堡盟垫垄互堡旦茎一 短基线定位系统，i 懒6 0 0 0 m ，最大作用距离8 0 0 0 i n ，在6 0 0 0 m 水深、3 0 。开角范围内，测距 精度为0 5 斜距，询问频率为8 1 4 k h z ，应答频率为1 4 1 8 k h z 。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1 1 2 j 3 i 。中国大洋矿产资源研究开发协会的综合性海 洋科学考察船“大洋一号”上目前安装的就是该公司的新型超短基线定位系统p o s i d o n i a 6 0 0 0 。 英国雕s o n a r d y n e 公司，是一家专门从事生产水下声学仪器设备的厂家，其产品也涵盖三 种类型。另外，澳大利亚的n a u t r o n i x 公司、美国的0 r e 公司也从事声学定位系统的技术研究及 产品开发。 n a u t r o n i x 、s o n a r d y n e 等公司正在试验或已经初步开发了一种扩展频谱定位技术( s p r e a d s p e c t r u m r a n g i n gt e c h n i q u e s ) ，相对于声脉冲群距离修正技术，该技术可以将信噪比提高6 1 2 d b ，使用这项技术可以得到纳米级的距离测量分辨率，并且对水面的噪声要求不严。 图0 2 装有l i n k q u e s tt r a c k l i n k5 0 0 0u s b l 系统的a u v o 3 超短基线定位技术国内发展现状 目前，国内在此领域的技术也已取得重大突破。 哈尔滨工程大学的喻敏、惠俊英等人在其论文1 1 4 1 中提出采用双十字正交直线阵作为定 位基阵，并采用相关峰内插时延估计的方法来改进定位系统，使定位精压t 得到了一定程度 的提高。 中北大学的肖亮、韩炎采用多阵元基阵定位方法进行水下定位，提高了系统的定位精 度，实现了对远距离目标的准确定位5 l 。 国家海洋局海洋技术研究所苟俊姑、郭纪捷等人提出一种基于射线声学原理对超短基线 声学定位系统的定位数据提出一种迭代处州算法6 1 ，得到非常精确的水平距离测量结果。 超短基线定位精度的改进方法研究 西北工业大学潘峰等人通过卡尔曼滤波实现线性最小方差估计，从而提高精度m 1 。 哈尔滨工程大学已研制出三种超短基线定位系统：“深水重潜装潜水员超短基线定位系 统”：“探索者”号水下机器人超短基线定位系统；“灭雷具配套水声跟踪定位装置”。 后一种是型号产品，该系统的显著优点是浅海定位性能优良，对于水平方向( 目标俯仰角为0 。) 的目标，定位精度仍优于3 斜距，浅海作用距离达到3 k m ，可实时给出3 个目标的轨迹。 2 0 0 6 年5 月2 0 日至5 月2 4 日，“十五”8 6 3 计划海洋资源开发技术主题“长程超短基线 定位系统研制”课题组在南海对我国第一套自行研制的“长程超短基线定位系统”成功进行了 深海试验。试验结果如图o 3 ，该系统具有体积小、精度高和使用方便等优点，可广泛应用 于深海或大洋资源调查、勘探与开发，海洋工程及水下作业等领域。 w 图0 3 深海3 7 0 0 米水深超短基线定位结果 0 4 本文研究内容 本文以超短基线定位方法为方向进行研究与探讨。 本文第一章首先研究了超短基线定位原理；研究了海洋水声信道的特性，分析了水声信 道的有限带宽性，研究了声波在海水中传播存在的一些问题；然后对超短基线定位进行了精 度分析并对如何提高定位精度进行了讨论；最后对船体水平偏移和倾斜对定位结果的影响进 行了研究，并对如何减小和消除这些误差提出了解决办法。 第二章首先研究了卡尔曼滤波算法，并将滤波算法应用到超短基线定位系统中；建立 滤波的运动方程与测量方程对测量数据进行处理，以得到准确的相位差和定位点。 第三章分别研究了船体水平偏移、纵摇和横摇对定位结果的影响以及产生的误差，并 讨论了如何进行误差纠正。 第四章对本文提出的方法的进行了计算机仿真。 第五章对本文做了总结，并对以后工作进行了展望。 超短基线定位精度的改进方法研究 1 超短基线定位原理与水声通信 超短基线定位系统利用相位差定位原理对目标进行定位。该方法中基元之间的距离很 小( 小于等于l 2 个波长) ，可以很精确和很方便的安装成一个平面基阵。其设备更为简单， 在其适应的场合表现出很好的灵活性。 1 1 水声定位技术 按基线长短分类，水声定位技术可分为长基线定位、短基线定位和超短基线定位 i s - 2 2 】。 长基线定位系统包含两部分，一部分是水下机器人和安装在船体上的换能器，另一部分 是一系列已知位置的固定在海底上的应答器，至少三个。应答器之间的距离构成基线，基线 长度在几公里到几十公里之间，相对超短基线、短基线，称为长基线系统。长基线系统是通 过测量收发器和应答器之间的距离，采用测量中的前方或后方交会来对目标定位，所以也不 必安装姿态、电罗经设备，即长基线定位是基于距离测量。从原理上讲，系统导航定位只需 鼍麟嚣b 豹 钾莎_ 一望。船”宦答￥r 2 ：呈 一1 望 一j 一芏 塑丝苎垡塞垡塑鉴塑塾堂查堡塑塑 短基线水声定位系统的基阵长度一般在几米到几十米的之间，利用目标发出的信号到达 基阵各个基元的时间差，解算目标的方位和距离。如图1 _ 2 所示，短基线定位系统由3 个以 上换能器组成，换能器的阵形为三角形或四边形，组成声基阵。换能器之间的距离一般超过 l o m ，换能器之间的相互关系精确测定，组成声基阵坐标系，基阵坐标系与船坐标系的相互关 系由常规测量方法确定。短基线系统的测量方式是由一个换能器发射，所有换能器接收，得 到一个斜距观测值和不同于这个观测值的多个斜距值，系统根据基阵相对船坐标系的固定关 系，配以外部传感器观测值，如g p s 、h r u 、g y m 提供的船的位置、姿态、船艏向值，计算得到 目标的大地坐标。系统的工作方式是距离测量。 t 1 t 2 、t 3 i 严五拜中孵拽霹薯r i ，r 2 ，足3 # 舞量臣 鼻r t 声燕应蕃嚣 图1 2 短基线定位系统 短基线定位系统的优点：低价的集成系统、操作简便容易；基于时间测量的高精度距离 测量：多余测量值；换能器体积小，安装简单。短基线定位系统的缺点：深水测量要达到高 的精度，基线长度一般需要大于4 0 m ；系统安装时，换能器需在船坞严格校准。 超短基线定位系统的基阵长度一般在几厘米到几十厘米的量级，它与前两种不同，它利 用各个基元接收信号间的相位差来解算目标的方位和距离。超短基线定位系统一般采用三个 以上的换能器设计装入一个部件中，组成声基阵，并安装于水面的船体上，声基阵坐标系与 船的坐标系之间的关系要在安装时精确测定。每个换能器间的距离仅有几厘米，于是基线的 长度也就仅有几厘米。几个换能器向安装于a u v 上的应答器发射声波信号，通过测量对比换能 器单元接收的声波信号彼此之间的相位差确定应答器的位置，从而可以确定a u v 相对于船体的 水平位置。换能器与目标的距离通过测定声波传播的时间，再用声速剖面修正波束线确定距 离。 将水面船载g p s 定位( g l o b a lp o s i t i 0 1 3s y s t ( m j 超短基线定位系统相结合，能够准确 判断a u v 的精确位置。在船体上放置g p s 接收机，测定叭裁g p s 的实时位置，并同步测定a u v 与 测晕船之问的距离、方位，可以进一步计算蔚i ， 的准确位胃。图1 3 所示是超短基线系 “ 塑堑茎堡塞堕堕鏖盟塾篓查堕堡塞 统工作示意图，接收基阵安装于调查船的底部，应答器固定在水下机器人上。 超短基线的优点：低价的集成系统、操作简便容易：只需一个换能器，安装方便：高精 度的测距精度。超短基线的缺点：但设备庞大复杂，布放过程也很复杂；系统安装后的校准 需要非常准确，而这往往难以达到。 、厂一 调查船 。- 。 图1 _ 3 超短基线定位示意图 目前多采用超短基线定位方法进行水下定位。国际上超短基线定位方法的定位精度在1 左右，国内在3 左右。超短基线定位系统工作于应答工作方式。和长基线水声定位系统 及短基线水声定位系统相比，由于其基阵尺寸很小，所以安装比较方便，而且其设备成本 相对较低，使用十分灵活。 1 2 基阵简介 从阵型上来分，超短基线定位方法采用的基阵有：三角形定位基阵和正交定位基阵。 1 2 1 三角形定位基阵 图1 4 三角形定位基阵 传统的超短基线定位基阵如图1 4 所示i “】，每一个基元就是个接收换能器，三个基元 j 排列成等腰甑氖三角形，基元间距为da 为抗相位测量模糊，d = 兰( x 为波长) 。通过分别 l 测量x 轴和v 轴摹元与原点基元的相位差得到水下潜器在水平面坐标系中的坐标值。再利用压 塑堑茎垡塞垒整壅塑垫壅查塑窒 力传感器得到的深度数据和基阵原点与换能器的蛊线距离可以实现对结果的修正。但是，这 种基阵所用的相位差是单一的，而且单独利用这么小豹基阵尺寸对远程目标进行定位很难达 到较高的定位精度。从理论上讲，增加基阵的基线长度，可以减小定位误差。为在远程达到 高的定位精度，降低系统工作频段，增大阵元间尺度，采用多基元处理技术是提高系统定位 精度有效办法。 1 2 2 正交定位基阵 所谓“正交阵”实际上是一个平面接收换能器阵。在平面阵上，垂直正交并且等间隔的 布置5 个特性完全一致的换能器接收基元，构成平面正交阵，如图1 5 所示脚】。采用这种基 阵，计算坐标值时在每一坐标轴上存在3 个基元，能够产生两个相位差，产生多余测量值，从 理论上来说能够得到比较精确的定位结果。 j 翌! ! i 1 ，2 3 本文采用的基阵 图1 5 正交定位基阵 常规的超短基线定位系统多采用孔径小于半波长的三元或四元基阵，使用c w 信号测量各 ， 通道间的相位差来估算目标的位置。由于基阵孔径小，一般为3 5 c m ，系统的定位精度受限， 另外由于多途干涉的影响，e w 信号的相位也会起伏，这就使得超短基线定位系统的作用距离 不远，定位精度也不高。为了满足深海作业需要，以实现超短基线定位系统远距离的高精度 定位。本文采用文献 1 4 中提出的基阵，如图i 6 所示。 图1 6 八基元正交定位基阵 s r x s i z p 图1 7 系统收发模型 一 一 ，一& s擘 超短基线定位精度的改进方法研究 1 3 相位差定位原理 超短基线定位系统主要由发射换能器、应答器、接收基阵组成。发射换能器和接收基 阵安装在船上，应答器固定于水下载体。发射换能器发出一个声脉冲，应答器收到后，回 发声脉冲，接收基阵收到后，测量出x 、y 两个方向的相位差，并根据声波的到达时间计算 出水下装置到基阵的距离，从而计算得到水下探测器在平面坐标上的位置和水下探测器的 深度。 下面以正交阵为铡介绍相位差定位原理。在平面中，垂直正交并且等闭隔的布置5 个特性 完全一致的接收换能器，每一个接收换能器就是一个基元，构成图1 7 所示的平面正交阵。 在坐标原点0 处安装一个接收换能器；也、以、k 、k 是四个接收换能器，它们到原点o 的 距离用要来表示。以基阵的中心原点建立坐标系，指自瓦的方向是x 轴正向，指向艺的方向 是y 轴的正方向，然后按照右手法则定出z 轴的方向。p 是固定于水下探测器的应答器。p 到k 、 瓦、r 、k 的距离分别是号。、$ r b ，p 到基阵中心o 的距离是s 0 x 、0v 、0z 分 别是o p 与x 轴、y 轴、z 轴的夹角。发射换能器向应答器发送信号，应答器收到信号后发出应 答信号，各接收基元分别收到应答信号。通过测量以、五收到信号的相位之差可以求得0 x ， 测量艺、k 的相位之差可以求得ov 。 图1 8 是x 轴方向上两个基元与应答器之间的声传播模型。 下面对过程中用到的一些变量进行说明： c ，声信号在水中的传播速度； a f ，信号到达艺、的对闯差： a 疙，毛、矗两基元收到信号的相位差； 厂，信号频率； 见，o p 与x 轴的夹角( 由于d ，可以把基阵看成一个点，即，蹦。、d p 与 x 轴的夹角相等) ； x 。，o p 在x 轴上投影的长度； s 、既、s 。，p 点分别到o 点、_ 、j 。的距离( 由j i d ，可以认为s 。s = s ) ： 9 超短基线定位精度的改进方法研究 “f 是声程差，由于“= 篆，得到 c a f = c 盟2 z r f a 戎为x 轴上两个基元的相位差。由图1 5 可知 吣= 等2 丽c 丸 将其代入 x = c o s 臼x s ) ( b 得到： 髟- c o s 拈南衍s 同样的道理可以求得： l = c o s 。南蛳s 再利用乙：( s ：一x ：一王，：) 亍i 求出深度值邑( s ：丢甜) 。 冬裂泛s 一，x 。d 、宴、 。逸 图1 8 基元与应答器传播模型 p 1 4 水声通信 ( 1 - 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 - - 5 ) 在海底资源的开采中，a u v 可以进行设备的维护和修理、运送必要的器材。进行现场的 监视和测量等工作。在海洋科学研究中，a u v 可以用来进行海洋学的各种测量。水下无线通信 中，主要的传输介质有电磁波、光波和声波等。由于电磁波在水中的衰减非常大，而且传输 距离非常的短，超过1 k m ) r ；已经几乎f i 能传播；光信号在水中更是无法完成实用意义上的通信。 而声波在水中的衰减较小，这样水f 声信道就成了水下信息传输的主要途径。水f i 声信道能 超短基线定位精度的改进方法研究 提供的带宽范围非常的窄，通常只有几十k 。表1 1 为水中各种传输介质的传播距离对比 f 2 2 t * 2 s 2 表1 1 几种传输介质在水中传输速率和距离对比 传输距离 5 0 ml k mi o k m 传输介质 水中声波传输 3 0 0 k b i t s2 0 k b i t s3 k b i t s 水中电磁波传输 3 0 0 1 ) i t s3 b i t s 水中光传输i o m b i t s 水声通信技术是当代海洋资源开发和海洋环境立体监测系统中的重要技术组成部分， 也是我国海洋高技术急待研究开发的项目之一随着人们开发和利用海洋步伐的加快，水 下通信技术的研究越来越受到人们的重视，逐渐成为水声研究领域中最具挑战性的课题之 一。资源调查的实践表明，a u v 获取的海底资料非常精确。对海洋水声传播的研究，最初的 研究大多数是从声纳的观点来展开的。近年来，由于水声通信的迅速发展，人们开始从时 域的角度对信道的传播特性进行研究。从通信的角度看，水声信道有窄带宽、空变、时变、 随机性、多径传播等特点。 1 4 1 有限通信带宽 声波在水中传播的衰减与声吸收、散射、反射、几何扩展等因素有关，高频声波在水 中传播的衰减较大。对不同频率的声波来说，海水吸收系数的每公里分贝数可以近似用如 下公式表弛口= 考+ 攀笋。0 0 2 4 5 芳 m 6 ， 其中吸收系数口的单位为d b k m ，s 为盐度的千分数，为频率的千赫数，五为与温 度有关的驰豫频率，其值可以用以下公式计算： 二= 2 1 9 x 1 0 “2 0 ( ”7 3 ( 1 - 7 ) 其中t 为海水的温度值，单位是摄氏度。 由公式( 1 6 ) 可以看到，当f 石，衰减系数与声波频率平方成正比。因此，水声通信 系统的可用带宽严重受限。 c a t i p o v i c l s o 和s t o j a n o v i c 指出”，对于远距离通信系统，其带宽被限制在几个k h z 之 内；对于中距离通信系统，其带宽被限制在1 0 k h z 的量级上；只有近距离通信系统可以j 上 塑堑苎垡塞篁焦茎塑垦丝查鲨竺塑 到大于1 0 0 k h z 的带宽范围。a u v 的和水面母船之间的通信距离通常在中距离通信范围之 内，因此该信道的有效带宽被限制在1 0 k 数量级上。 1 4 2 空变、时变、随机性 海洋中存在着种类繁多的随机不均匀性。声信号在海洋信道传播过程中，海水介质及 其边界的不均匀性会都会引起随机的声散射、反向散射同时回到声源附近的接收机，这样 就有声能叠加，形成所谓的混响，前向散射的能量会导致接收信号幅度和波形的起伏变化。 同样重要的是，波浪会导致多径到达的信号的相对相位关系发生随机变化，从而导致声场 干涉的空间图案也发生改变，即而导致接收信号发生随机变化。接收信号的统计特性既取 决于散射声波的非相干能量成分，也和相干分量的干涉状态有关，即确定性声场的空间结 构也会对信号的统计特性起到重要的影响。 1 4 3 多径效应 声波在水中的传播速度较慢，海水介质的非均匀性、声传播信道中的海底、海面的反 射以及海洋中各种各样的反射体和散射体的存在，使得水声声传输信道中存在多径现象。 水声通信信道的多径效应被认为是水声通信中所遇到的最大困难。 多径效应的形成与海洋环境和信号频率有关，其形成主要机理是声线弯曲和海底、海 面的反射，海底中内部结构如内波、紊流、潮汐等的影响，以及声源和接收机平台的运动 等。当声波在不同的层、海底和海面间传播会造成多次的反射和折射，从而形成各个不同 的传播路径。水下声信道在相干时间长度内，可简化为相干多径信道，仅仅存在多径效应。 多径传播会造成信号的衰落、称多径扩展等。其中称多径扩展带来的码间干扰是数据 传输( 特别是高速率数据传输) 的根本障碍。在水声数据传输中，人们不再通过限定码元速率 的方法来避免码间干扰，而是采用均衡等通信技术来对抗码间干扰。 1 4 4 衰落 水声信道对传输信号的影响可以分为两个方面：一是由于信道的多径传播效应而引起 的信号的波形衰落；另一种是由于信道的时变特性引起的信号波形起伏。这里着重分析由 水声信道的多径效应所产生的衰落。 为了简单起见，假设多径传播的路径只有两条，并且认为到达接收点的两路信号具有 相同的强度和个相对的时延差。若令发射信号为f ( t ) ，则到达接收点的两条路径信号可 以分别表示成v o f ( t t o ) 和”，f ( t f 。一f ) 。其中t 。表示定的时延，r 为两条路径信号的相对时 l2 超短基线定位精度的改进方法研究 延差，k 为某一确定的强度。 设f ( t ) 的频谱密度函数为f ( 缈) ，即有，( r ) h ，( ) 则可以推导出两路径传输系统的传递函数h ( c o ) 为： 日( ) = z o e 一7 嘶( 1 + p 1 “) ( 1 - 8 ) 由此可见，除了常数因子外，所求的传输特性是由一个模值为1 、固定时延为f 0 的网 络与另一个特性为( 1 + r 肚) 的网络的级联。后一个网络的幅度一频率特性为： i i + e 咖i _ - 2 l e o s 冬i ( 1 - 9 ) 二 由此可以看出：两径传播的模的特性主要依赖于l c o s 要l ，也就是说，对于信号中的不 二 同频率成分，两路径传播的结果将有不同的衰减。假定两种极端的情况：当国：竺竺( n 为 f 整数) 时，两路径信号具有相同的相位，因此这这种情况下会互相叠加，出现了传输极点； 当：型竺生堕互( n 为整数) 时，两路径信号的具有相反的相位，这种情况下两路径信号会 f 互相抵消，出现了传输零点。另外，由于相对时延r 一般是随时间变化的，故在传输特性 出现的零点与极点在频率轴上的位置也是随时问而变化的。而在实际情况中信道的路径一 般都多于两条，而且各条路径的幅度也是不一样的。因此，实际环境中信道传输函数h ( c o ) 会表现出更为复杂的情况。 水声信道的这种空变、时变、随机性、低信噪比、强烈的多径传播效应等特性，意味 着在通信的时候必然会出现较高的误码率。利用高噪声信道组网通信，可以考虑使用纠错 编码的方法来解决这个问题。但使用纠错编码的方法来完全消除位错误需要大量附加位， 这实际上降低了实际数据可以利用的有效通信带宽。而水声通信的带宽便非常的窄，因此， 水声自组网算法必须具有较强的抗误码性，或者该算法可以与错误保护算法结合使用。 1 4 5 海洋环境噪声 海洋中存在大量的、各种各样的噪声，有风浪流引起噪声，有鱼虾和海洋哺乳动物引起 的噪声，还有行船等人类活动引起的噪声。 海洋中的噪声源主要包括潮汐、湍流、海面波浪、风成噪声、生物噪声、行船及工业噪 声等，噪声的性质与噪声源有密切的天系，奋= 小m 的时间、深度和频段有不同的噪声源。存 水声学中，通常用环境噪声级来描述j 1 境噪声- 1 、同的声源有着不同的带宽和噪声级，且随 超短基线定位精度的改进方法研究 时间和空间变化。因此，要给出噪声的统计表达式是很困难的。实验观察9 ”可以发现，在l o h z 以下的噪声主要来源于海洋的扰动，频率在5 0 h z 到5 0 0 h z 之间的噪声主要来源于行船和地理位 置，对于较高频率噪声，即频率在5 0 0 h z 到5 0 k h z 的噪声，主要来源于海面的不平整，而对于 超过5 0 k h z 的噪声，则主要来源于海水中的分子移动。 在浅海信道，生物活动和沿岸工业也是信道的噪声来源。而且，噪声随着时间、日期、 季节、地理位置、行船密度和天气的变化将产生一个很大的变化范围。所有的这些，将使浅 海信道成为一个严重的时变、空变噪声信道。 1 4 6 声能量的传播损失 海水介质是一种不均匀的非理想介质，由于介质本身的吸收、声传播中波阵面的扩展以 及海水中各种不均匀性的散射等原因，在声信号从声源向接收点传播过程中，信号能量会发 生损失，这在远距离传输和高频应用情况下表现的更为明显。 信号能量损失是影响接收机信噪比的重要因素之一。在水声学中，常采用传播损失来概 括海洋中种种信号能量损失的效应，定量地描述海中距声源l 米处的声到远处某一点时衰减的 大小，表示为距声源1 米处的声强l 和远处任一点处声强，的比值1 。 传播损失可以认为是由扩展损失和衰减损失两部分组成。扩展损失是声信号从声源向外 传播时声强有规律减弱的几何效应，因此又称为几何损失。对于无限均匀介质空间，扩展是 球面扩展，声强随距离的平方减少，扩展损失则随距离的平方而增加；但对非均匀有限空间， 则是非球面扩展，损失的大小与介质中声速分布和介面条件有关。声传播的扩展损失通常可 由单位波阵面上的声线数目变化描述。由于折射和界面反射，海洋声传播信道大都呈现波导 效应，这时的扩展损失呈柱面扩展的特点，扩展损失随距离的一次方增加。衰减损失包括吸 收、散射和声能泄漏。声能量的吸收表现为海水介质吸收和界面介质( 如海底) 的吸收，是由 于介质的粘滞、热传导以及其它弛豫过程引起的衰减。散射是指在海洋介质中，由于存在泥 沙、气泡、浮游生物等悬浮粒子以及介质的不均匀性所引起的声散射。 声场中声波的平均传播损失可表示为： 仡= m 1 0 l g r + d r ( 1 1 0 ) 式( 卜1 0 ) l p 的第一一项为扩展损失，它与声波的传播方式和传播路径有关；第二项为衰 减损失。n 为f 插l 日产，根据不同的传播条件，n 取不同的数值。r 为声波传播的声程( m ) 。a 为 吸收系数( d r j m ) o 温度、深度有关，特别与声波频率有密切的关系。 吸收系数“：i ，j 禽义足指由于吸收，每传播1 千米，声强衰减分91 。它随频率的增加而显 1 4 墼堑苎垡塞堡塑竺箜塾垄立鲨里! 茎 著增加。对于窄带信号，介质的吸收仅引起声信号幅度或能量的衰减；但对于宽带信号，吸 收和频率的关系可使信号波形产生畸变，产生色散效应。在不同信道条件下，o r 可以用很多 经验公式来表示 3 5 - 3 6 】，例如1 3 6 ： 口：f ! ：! ! 笪：；+ ，1 - 6 5 4 x 1 0 4 p ( ，0 6 5 0 ，5 3 f , ：f 2 ，+ 0 0 2 6 8 4 7 f 2 ) + 0 9 1 4 b k i n ( 卜1 1 ) 3 2 ，7 6 8 七f j1 + 3 2 7 6 8 f 3 、f i 七f ；j t 其中，p 是大气压，厂是信号频率，力是驰豫频率。 声能量的吸收和扩展都与传输距离和信号频率有关，从而使得传播损失与距离和频率有 关，并随距离和频率的增加而增加。传播损失的这一特性会使高频信号在远距离传输时有了 很大的衰减，从而大大降低了信道的可用带宽。文献 3 7 根据水声通信系统的作用距离，把 它们分为三类：远距离通信系统( 2 0 2 0 0 0 k m ) ，中距离通信系统( 1 2 0 k m ) 、近距离通信系统 ( l o o k h z 的带宽范围；对 于中距离通信系统，其带宽被限制在1 0 k h z 的量级上；对于远距离通信系统，其带宽被限制在 几个k h z i 勾。在这种带限信道中进行数据的传输，无疑会对水声通信系统的载波频率和系统带 宽提出很多限制。 1 4 7 海洋中的声速与声波传播模型 海洋中的声速是影响超短基线定位的最重要参量之一，它随深度、季节、地理位置和 在固定位置上的时间而变化，这种时变空变性是海水物理性质随机不均匀的结果。 一般来说声速是海水中温度、深度和盐度的函数，它随温度、深度和盐度的增加丽增 加，例如它可以近似表示为： c ( r e ，s e ，z ) = 1 4 4 9 2 + 4 6 t e 一0 0 5 5 t e 2 + o 0 0 0 2 9 t e 3 + ( 1 3 4 0 0 1 t e ) ( s e 一3 5 ) + o 0 1 6 z( i - 1 2 ) 其中，c 为声速( 米秒) ，t e 为海水温度( ) ，s e 为盐度( ) ，z 为测量处的深度( 米) ， 公式( ( 卜l o ) 的适用范围是：0 t e 3 5 ，0 s s3 5 ，0 z 1 0 0 0 米，文献 3 9 中给出 了在不同的温度、盐度条件下声速的经验公式，声速与环境因素的函数关系导致在不同的 环境中有不同的声速特性。声速也可以通过声速仪等声学仪器在现场测量，得到声速随深 度的变化值即声速剖面。如何根据声速的离散值通过曲线拟合的方法得到声速随深度变化 的函数关系是声场模型特别是射线跟踪模型中很关键的部分， 海水温度是影响声速分布的主要因素，实际海水温度都可假定是水平分层均匀的分布 形式，一般是“三层”结构，例如，近海表面层由于和大气接触并不断地进行热交换f 阳 塑塑苎垡塞竺堕竺塑墼丝查鎏堕丝 光照耀和风浪搅拌) ，形成表面等温层或混合层，深水处是稳定的均匀冷水等温层。在这两 层之间，温度由热变冷而形成主跃层。表_ 面混合层和主跃层有着明显的季节性和地区性， 例如浅海冬季可以不存在跃层，高纬度地区冬季混合层可深达数百米，而夏季几乎不存在 混合层。 深海的三层温度结构形成声速的三层剖面分布( 如图1 9 a 所示) ，从而形成声波在海洋中 传播的波导效应。典型的声速剖面和声线图如图1 9 所示。对于近海声源，声波传播有三种 图1 9 典型深海声速剖面与声线图 不同的模型，即表面声道模型、海底反射模型和会聚区模型( 如图1 9 b 中的a ，b ，c ) ：对深 海声源有两种不同的模型，即s o f a r 声道和r s r ( 折射一海面反射一折射) 模型吲( 如图1 9 b 中的d 。e ) 。 表面声道模型是由表面负梯度声速剖面形成的，声道内声线是向上折射和海面反射的 重复形式。每经一次海面反射，都有一些能量损失，其损失大小与海面的不平整性有关。 海底反射模型需要有较强的负梯度声速剖面，声线经过表面混合层向下弯曲经海底反射返 回介质，海底的反射会有较大的能量损失( 与底质结构有关) 。在声线图中，相邻声线的交汇 所形成的包络是焦散线，当焦散线与海面相交时，在海面或邻近海面的区域内会出现高声 强区，称之为会聚区，会聚区模型由于声线不绎海底淖跳与海面反射，有较高的声强，可 以传播很远的距离 深海的s o f a r 信道是声传播最理想的信道，声能可以在一个与界耻_ 儿n m 二* ” ij 、j 接j 重无扩腱损失地传播，因此有时能传递达数千公罩的路程。在深海r s r 模型中也存在 条小一乏街底和表面层影响的可靠途径。 计j 。 ，青况，由于受海底影响，传播模型较为复艇，通常深部冷水层不。卜分明显， 1 塑丝苎垡塞垡塑壁塑垦垄查垄竺塞 波导效应主要表现为海底海面间的多次反射和折射形式，其能量损失决定于声速剖面分布 和海底底质声学性质，典型的声速剖面如图1 7 所示。 1 5 定位精度分析 1 5 1 精度分析 ( a )( b ) 图1 1 0 典型浅海声速剖面与声速 超短基线的定位精度可由以下公式评估1 o r 1 ) s a l = r 司+ r 2 脚+ r 司+ r 吒u + 一+ 船 ( 卜1 3 ) 式中，吒。为超短基线的总误差；为水平角测量误差；o g l 。o 为电罗经测量误差；o 为超短基线仰角测量误差；口k 。为姿态传感器测角误差：为超短基线测距误差；o g p $ 为 水面船只g p s 测量误差；r 为测量斜距。 超短基线定位数据处理软件中，一般考虑了船只运动改正计算、船只姿态改正计算、水 昕器基阵偏移改正计算、声线弯曲改正计算和水听器与天线位置不一致改正计算。但综合影 响超短基线定位的误差来源是多方面的，其主要有：海水声速测定误差、电罗经测定船艏向的 误差、g p s 定位误差、s s b l 测角、测距误差以及不可忽视的换能器安装引起的系统误差。 1 5 2 提高精度的方法 1 。5 2 。1 提高精度的常用方法 针对超短基线定位