由于海洋面积广博.doc

5.1 水下声学定位 由于海洋面积广博，并且海洋环境复杂，使得对水下目标定位的实现难度很大。当前在海洋开发、海洋工程及海防技术领域广泛使用多种水下定位系统来对水下目标进行定位，由于海洋环境的特殊性，通常使用水下声学手段，具体实现原理是测量沿不同路径传播的声脉冲时延或相差，通过相应定位算法进行定位。传统的水下声学定位系统根据其声信标或应答器几何配置的不同以及定位解算模型的不同，可分为长基线(Long Baseline-LBL)定位、短基线(Short Baseline-SLB)定位、超短基线(Ultra Short Baseline-USLB)定位等8。表5.1列出了3种定位系统的分类。表5.1水下声学定位系统分类定位类型基线长度/M简称长基线100-6000LBL短基线1-50SBL超短基线1USBL或SSBL 长基线定位系统在海底不成一条直线的三个以上较远距离的点上布设水声应答器，水中航行体的声源与这些应答器按询问应答方式测定相应距离，实现定位。常规的长基线定位系统海底应答器阵列的布设、校准和维持比较困难，费时耗资。当深度小于基元之间的距离时，其海深测定误差非常大，且不适合长方形海域的水下定位.短基线定位系统的基线长度较短，远小于被测水下目标到基阵距离。它需要在水下目标上安装一套同步信标，信标按固定的时间及周期发射双脉冲信号，并由同步时钟控制信号发射时刻，其时钟同步精度低。超短基线定位系统接收基阵的基线长度小于发射声波波长，它是靠测量信号到达接受单元之间的相位差和水下目标到接收阵之间的斜距来实现定位。当水下目标与短基线或超短基线基阵之间的开角超过某一角度(一般为30度)，水下定位精度会显著降低，导致定位不可靠。因而短基线与超短基线水下定位系统只适合局部小范围海域的水下目标低精度定位。表5.2对目前常用的水下声学定位系统进行了比较I81，表中各符号的含义为: 久表示信号波长，L表示基线长度，R表示目标到基阵的斜距离，表示目标坐标的定位误差。5.2目前常用的水下定位系统比较类型定义与特征结构形式特点应用范围超短基线L2%R作用距离近，仅1Km方向测定不稳定海洋工程，海洋石油工程，ROV跟踪定位短基线L12m利用目标信号在各基元上的时间差定位船载式安装使用较为方便，尚允许装船使用，成本较低。定位精度比超短基线略有改善作用距离约为1Km与超短基线相同，但使用不如其普遍长基线L，L一般达数百米至上千米利用目标信号在各基元上的传播时间定位固定海底基阵式定位精确度高x，y0.35%R只能依托岛屿与海岸建立，可多个基阵接力进行远程测量，系统庞大，建立和维护成本巨大海军水中兵器靶场可布放回收海底基阵式定位精度较差，因为基元位置测量误差大可灵活应用于各种海域跟踪半径较大但又限，难以接力应答器丢失概率较大海军靶场，ROV导航可布放回收海面附表基阵式定位精度高x，y0.35%R海域限制，水深小于300m跟踪半径较大但有限，难以接力基阵布放和回收困难使用受海况，气象限制设备庞大，成本高海军深水靶场L=1550m 球面交汇定位船载式定位精度高、使用方便、成本低可广泛使用 随着对海洋军事需求和经济需求的不断增长以及人类在海洋的活动范围和活动频度的迅速增加，水下目标定位技术越来越受到人们的重视，在民用和军用两方面都有着广泛的应用前景，己经并还将创造巨大的经济效益和军事效益。例如国外Oceano公司、Sonardyne公司和EMI公司的长/短基线定位系统己被许多国家采用，广泛应用于海洋水下搜索救援、水下物品打捞、海洋油田水下管道定位、水下探矿、水下考古等民用领域;以及海军实验靶场对潜艇、鱼雷等水下装备定位、导航等军事领域。 以海洋石油、海洋渔业等为代表的海洋经济飞速发展，目前国际市场上的水下定位产品还不能满足这种发展的需求，并且随着水下观光旅游、水下管道和电缆铺设等新的海洋经济增长点的不断涌现，对水下定位产品提出了更迫切的需求。因此，国内外许多厂商和科研单位都以巨大的投入涉足水下定位技术研究领域。法国OCEANO公司的超短基线水下定位系统Posidonia系统、英国Sonardyne公司开发的由海底计算与遥测应答器组、船载可编程声学航行器等组成的精确水声定位智能长基线系统等。此外美国Real公司、SonaTech公司、EtdgTech公司和Benthoso Datasonics公司也先后推出了具有各自特点的长/短基阵水下定位系统相关产品。近几年国内一些单位也在着手开发自己的水下定位系统，如哈尔滨工程大学开发的船载式高精度长基线定位系统，移动式声学定位系统MATS (Movable Acoustic Tracking System )，其技术指标达到了国内外先进水平.并且，为了满足不断增长的市场需求并解决实际应用当中发现的各种问题，国内外许多机构都在不断地研究新技术或采用新方法来对己有系统进行完善或革新。 虽然上述水下定位系统在海洋资源开发与利用、海洋工程建设、海洋军事技术中发挥了重要作用，但由于这些系统在布设、校准和维护等方面都比较困难，费时耗资，灵活性差，不能机动，定位精度不甚理想，作用范围有限，系统标定困难，无法满足水下管线铺设放样与检测定位、水下运输导航、以及高精度水下绝对定位的要求，因而难以充分满足现代海洋高技术发展的要求。因此，发展高效经济、布网灵活、作用范围广、无需水下标定、能同时执行多个水下目标的跟踪定位任务的水下定位系统具有重大的社会经济效益。水下GPS定位系统正是这样一种系统。由于水下GPS定位系统的功能实现依赖于GPS系统的应用，因此在对其进行探讨之前有必要对GPS系统进行一番研究和分析。5.2 GPS水下应用目前，GPS定位技术所能达到的定位精度及其应用潜力，如图5.1所示，使其在多个应用领域都备受瞩目，在水下环境监测与水下目标定位领域尤其如此。 图5.1几种定位方法的精度比较 1992年夏美国空军的James Youngberg提出了水下GPS的思想。1994年9月，H.THOMAS在海下对抗会议发表了他的论文“基于水面浮标的先进水下导航技术”ys，论文阐述了使用水下GPS的不同途径.在法国政府的支持下，ACSA公司于1995年1月开发出了第一个GIB系统尝试用于不同的海军军事行动，并于1995年夏取得了积极的成果10. 1996年大量的测试证明GIB系统限制于浅水或浅海范围，但同时也显示了GIB系统的微跟踪能力。1996年7月，GIB系统在法国己进入制造和销售阶段。1997年，ACSA公司与DGA签订合同发展GIB系统的水下导航和通信能力。法国的ASCA公司己为美海军开发了利用水下全球定位系统( GPS)技术进行搜索与救援以及对抗水雷的系统。 水下GPS的发展有三种类型:伪水下GPS，这是使用水下GPS最简单的一种方式，仅用一个浮标(内置一个GPS接收机)。浮标由下潜器拖拽，这种方式只能确定浮标的位置而不能确定水下潜器的位置。US-AF Youngberg，这种方法把GPS定位技术直接移植到水下。卫星由浮标代替，电磁波由从浮标到水下运动体的声波代替。用一个稳定的时钟精确测量由浮标传输来的连续声波脉冲的到达时间.它能计算出水中声速、到浮标的距离。浮标的位置发送到运动体。这样若有4个浮标在水下运动体的接受范围内就可以计算出4个未知量X,Y,Z坐标和时钟偏差。GIB技术，这种方法使用非常灵活可以并且能够达到米级精度。该方式同第二种方式类似，但是使用上行的声波数据。其原理是基于测量由水下运动体发来的声音脉冲的到达时间。在每个时间间隔，各个浮标将它的GPS位置及声音脉冲到达时间传递给处理中心。由声速可计算出浮标和运动体之间的距离。 如前文所述，目前水下定位领域的发展趋势是开发可操作性强、精度高、监测距离远的新一代水下定位系统，在基阵结构设计、数据传输(如编码技术、传输方式)和信号处理等方面都在进行不断地探索，其中基于GPS技术的水下定位系统引起了更多的关注，在英国还成立了水下GPS研究中心!l。近年来在水下定位系统中许多重要的创新都在于GPS系统的应用。作为一个高精度的位置传感器，GPS可应用于水下定位的许多方面L i1i91zol。英国水下GPS研究中心开发了GIB( GPS Intelligent Buoy)系统l，它可对水下合作或非合作目标进行定位，而且系统可达米级定位精度，且容易布放和回收:其最显著特点是该系统无需校正，操作非常简便;在Sonardyne开发的智能长基线系统中利用GPS给水下阵元进行位置校正，不仅操作简单而且校正精度很高;目前国外许多公司都将GPS作为位置校正和时间同步的一个模块提供给用户21。国内也对水下GPS的应用研究给予了极大关注，文献221中提出了一种基于GPS技术的水声应答测距式水下目标大地坐标综合测量系统，实验证明该系统是一种既轻便精度又高的测量系统;文献2324中提出了一种由GPS定位和水声相对定位组合的水下定位系统，该系统是借助水声定位技术将GPS水面定位向水下延伸，利用该系统可使潜艇在工作潜深就可直接对它的惯性导航系统进行修正重调，这种方式的定位精度和GPS在一个数量级，而且可避免潜艇暴露;利用基于GPS的浮标网络也可构成远程长基线定位系统25这种系统将通常的海底阵元(一般是应答器)“搬迁”到了海面，阵元位置可通过GPS实时获得，无需复杂的校正即可投入工作，而且可方便地布放与回收。文献26中就对这种系统中的浮标基元布阵技术进行了研究，分析了不同阵形结构(如方形阵、星形阵、三角阵、菱形阵等等)对定位精度的影响。与国外同类型产品相比，国内的产品在制造工艺(比如耐压壳制作工艺水平)、结构设计、小型化设计等方面还有较大差距，具体表现在设备使用可靠性差、操作复杂、维修性也较差。 由于水下环境的特殊性，GPS在水下定位中的应用具有区别于空中、陆地以 及水面上的特点，相对于常规水下定位系统而言，GPS定位技术主要有以下特点: 定位精度高，监测范围广:基于GPS技术的水下定位系统一般都是利用水声定位技术将GPS水面定位高精度地延伸到水下，与通常的水下定位 系统相比不仅测量范围广而且定位精度也很高。比如十五计划“863”课题 研究的水下DGPS高精度定位系统的定位精度指标高达 lm左右2 应用领域不断拓展:随着GPS的出现，许多传统的水下定位应用不断地 被拓展和挖掘。比如在安全深度对水下潜艇的惯性导航系统校正、水面浮 标网络长基线定位系统等都是新兴的水下GPS应用领域 系统操作简便:比如在基于GPS技术的水面长基线定位系统中，每个基 元的位置可由安装在上面的GPS接收机实时获得，解决了以往系统复杂 的阵元校正难题;而且基线阵就布放在水面，与以往布放在海底的长基线 定位系统相比基阵的布放和回收都简单的多 系统规模设置灵活:基于GPS的水下定位系统可随着应用场合和监测范 围要求，对布放阵元的数量进行灵活选择，从而保证满足不同的实际应用 需求5.3 水下GPS定位模型 利用GPS技术对水下目标进行定位实际上是GPS定位的水下拓展，目前国内外正在研究的实用系统主要是基于GPS浮标网络的水下目标定位系统。利用浮标网络确定水下目标的位置，需要首先获得浮标基元自己的准确位置，以前对浮标基元进行定位需要载具相应测向和测距设备的配合，装置体积较大，实际操作复杂，使用不灵活，并且定位精度不高，由此推算的水下目标位置在精度上也受到影响。而将GPS应用于水下目标定位，仅仅将GPS接收机作为一个位置传感器装载在浮标基元上，就可获得浮标基元的精确位置信息，进而通过某种定位算法便可获得水下目标的实时、精确位置。GPS水下定位系统除了具有浮标网络的固有特点外，还具有系统规模设置灵活，基元无需校正等特点.对实际应用系统而言一般有同步和非同步两种工作模式，而水下目标一般有合作和非合作两种类型。对应不同的工作模式和不同的目标类型，水下GPS定位系统的工作模型和定位原理也不相同。目前GPS水下定位系统的应用领域较多并且在不断扩展，但从工作原理上分主要有两种:基于GPS浮标网络的长基线水下定位系统27J和基于单个GPS浮标的水下相对定位系统24与此对应也有两种不同的定位模型。5.3.1单浮标水下GPS相对定位模型该系统是GPS定位和水声相对定位组合在一起的水下定位系统，它借助水声技术将GPS水面定位向水下延伸。定位精度与GPS水面定位在同一数量级.系统工作模型如图5.2所示。图5.2 单浮标水下GPS相对定位系统系统由装载GPS接收机和水声发射机的浮标、系缆和装载短基线单向测距基阵的水下目标三部分组成。浮标是GPS定位和水声相对定位组合的中间体，GPS定位数据只能在浮标上获得:将浮标的GPS定位信息高精度地延伸到水下目标上，一方面需要把浮标的GPS位置、时间等数据实时传送给水下目标，另一方面目标需要利用短基线阵列实时测定浮标与它的相对位置数据;系缆是浮标和目标间传送数据和控制参数等信息的媒介。通过GPS接收机实时测量浮标的绝对位置，水下目标的短基线阵列实时测量目标与浮标的相对位置。同步控制模块使GPS定位与短基线水声定位协调同步工作，以保证浮标为两种定位的浮动中继站;水下目标利用系缆系连浮标，使其始终在目标上方有限水域浮动，并且提供电力和传输相关信息;安装在目标上的工控计算机利用两种定位数据以及浮标和目标的姿态数据，实时解算目标在水下的绝对位置.该系统目前主要用于对定位精度不是很高的情况(如水下潜艇)的自身定位。5.3.2浮标网络水下GPS长基线定位模型该系统是通过GPS接收机获得基线阵元(即水面各浮标基元)的精确位置信息，再通过水声技术测量得到水下目标到达浮标基元的距离或到达浮标基元间的距离差)，然后通过无线数据链路将有关数据传送到监测基站，进而在监测基站通过相应的定位算法解算出水下目标的实时位置信息。该系统是GPS水下定位应用的主要方式，它的主要特点是将传统的水下长基线定位系统“搬迁”到水面，而且浮标基元位置由其装载的GPS接收机获取，无需校正U 8l。系统工作模型如图5.3所示。 图5.3浮标网络水下GPS长基线定位系统由图5.3可见，系统是基于若干按一定形状布阵的电子浮标基元，通过高速无线数据链路连接而成的水下目标监测网络。它主要有干端和湿端两大部分组成，湿端是由基于GPS技术的智能电子浮标基元(GIB-GPS Intelligent Buoy)构成的长基线浮标网络，它主要完成对目标声信号的检测和预处理;干端即监测基站(MMS-Monitor Measure Station)，一般安装在飞行器或浮标网络附近的移动/固定平台上，两部分之间的信息传递通过高速无线数据链路完成。该系统的工作原理示意图如图5.4所示。图5.4 水下GPS/GIB工作原理当需要对水下目标进行定位时监测基站搭载平台就进入指定海域，并将电子浮标按一定阵形结构布放到海里。系统启动后，根据该海域的水深及当时的海洋状况，监测基站通过指令控制电子浮标的传动机构将水听器放入合适的深度。各浮标基元通过GPS给自身定位，该位置信息连同测量得到的目标距离信息经过编码后通过无线链路发往干端监测基站。监测基站实时接收各浮标基元传送的数据，根据实时的阵形结构选择多个浮标的数据来进行目标位置解算。5.4水下GPS定位算法在文献L231f3中对基于单个GPS浮标的水下相对定位系统的定位算法进行了比较详细的讨论，这里仅研究基于GPS浮标网络的长基线水下定位系统的定位算法。分析表明，该系统的定位原理与GPS系统的定位原理是相似的，因此基于GPS浮标网络长基线定位系统的定位算法可借鉴GPS系统的相关算法。利用卫星导航时，安装在移动或固定载体上的接收机被动地接收多颗位置己知卫星的已知特征信号，通过一系列的信号处理技术来给载体定位:浮标网络则是多个位置己知的浮标基元被动接收水下目标的特征未知信号(非合作目标)或特征己知信号(合作目标)，也通过一系列的信号处理技术来给目标定位。两种定位方式的信号传播方向相反，共同点是都需要对信号的传播延时进行估计。这里讨论的水下目标分为合作的和非合作的，而合作目标又可分为同步的和非同步的。研究表明，同步的水声定位系统精度高于非同步的，非同步定位