水下聲定位系統(tǒng)的分類與應(yīng)用

水下聲定位系統(tǒng)的分類與應(yīng)用

水下噪聲管理系統(tǒng)是指利用水下聲波定位的系統(tǒng)，通常稱為聲音管理系統(tǒng)。利用水聲定位可以高精度、準(zhǔn)實(shí)時(shí)、連續(xù)、自動(dòng)地標(biāo)識(shí)水下物體的位置,對(duì)于海底地形勘探、水下航行器控制和水下遙控作業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域有重要的意義。同時(shí)隨著海洋開發(fā)事業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,利用水聲定位實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)的跟蹤、定位,海上石油勘探,海底管道和光纜、電纜的鋪設(shè)定位及故障維修,潛航器的水下導(dǎo)航、水下結(jié)構(gòu)施工和定位等領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)用。水聲定位技術(shù)已經(jīng)研究和發(fā)展了很多年,目前水聲定位的主要手段仍是依賴于幾何原理的水聲學(xué)定位方法。國外對(duì)聲學(xué)定位系統(tǒng)研究較早的是挪威EongsbergSimrad公司,已有30多年的歷史,法國的OCEANOTechnologies公司推出了Posidonia6000長程超短基線定位系統(tǒng),工作水深6000m,最大作用距離8000m,在6000m水深30度開角范圍內(nèi),測(cè)距精度為0.5%。英國的Sonardyne公司生產(chǎn)的長基線定位系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)的長基線定位系統(tǒng)的布設(shè)和校準(zhǔn)應(yīng)答器陣列所需要花費(fèi)大量時(shí)間的局限性,開發(fā)了智能型COMPATT應(yīng)答器,進(jìn)行各對(duì)應(yīng)答器之間的直接基線測(cè)量。在定位技術(shù)上,由于結(jié)構(gòu)及應(yīng)用原因,主要采用異步工作方式,對(duì)于同步工作方式,雖有硬件的支持,但尚需進(jìn)一步的開發(fā)工作。我國目前僅有少數(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行水聲定位技術(shù)研究,與國外的發(fā)展水平具有一定的差距,大部分設(shè)備需要從國外引進(jìn)。本文中首先簡要概述了水聲定位系統(tǒng)的分類,隨后對(duì)當(dāng)前的典型3種水聲定位方式(短基線、超短基線、長基線)逐一進(jìn)行分析研究,指出了各自優(yōu)缺點(diǎn),及相應(yīng)的應(yīng)用范圍。1超聲定位技術(shù)水聲定位系統(tǒng)利用沿不同距離路徑傳播的水下聲脈沖的時(shí)間差或者相位差對(duì)水面、水中目標(biāo)進(jìn)行定位。它的基本組成部分為基元,基元間的連線稱為基線。參照,根據(jù)接收基陣中基線長度來分類,水聲定位系統(tǒng)可以分為短基線(ShortBaseline,SBL)、超短基線(UltraShortBaseline,USBL或SuperShortBaseline,SSBL)和長基線(LongBaseline,LBL)定位系統(tǒng)。表1中列出了3種定位系統(tǒng)的分類。水聲定位技術(shù)按照工作方式來劃分,可以分為同步信標(biāo)工作方式和應(yīng)答器工作方式。表1中所述的3種定位系統(tǒng)都可以選擇使用這2種工作方式。采用同步信標(biāo)方式,要求在待測(cè)目標(biāo)或者測(cè)量船上安裝高精度同步時(shí)鐘系統(tǒng),信標(biāo)按規(guī)定的時(shí)刻發(fā)射信號(hào),并據(jù)此確定目標(biāo)位置;采用應(yīng)答器工作方式,要求測(cè)量平臺(tái)發(fā)射詢問信號(hào),應(yīng)答器接收到此信號(hào)后轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)答信號(hào),這樣完成一次定位過程。這里講述的水聲定位系統(tǒng)所測(cè)得目標(biāo)位置坐標(biāo),是相對(duì)于某一參照物的位置而言,它需要和其他導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合起來,才能給出水下目標(biāo)在大地幾何坐標(biāo)中的位置或軌跡。通常,各種定位系統(tǒng)聲學(xué)頻帶的選擇是由測(cè)量目標(biāo)所需的精度和其所需覆蓋的范圍來決定的。水聲定位系統(tǒng)的工作頻率和作用距離可以歸納成表2,當(dāng)然這里所講述的高頻、超高頻等頻率不同于無線電中的頻率,這是根據(jù)水下聲波傳播的性質(zhì)劃定的頻率范圍。2定位原理與定位誤差分析2.1測(cè)距誤差的計(jì)算短基線系統(tǒng)是由安裝在載體不同部位的多個(gè)水聽器接收聲脈沖,從而定出應(yīng)答器或聲信標(biāo)的位置。如圖1與圖2所示,被定位的載體上至少有3個(gè)以上的換能器組成,它們形成三角形或者四邊形的基陣,基陣的坐標(biāo)系和載體的坐標(biāo)系通過常規(guī)測(cè)量來確定其相互關(guān)系。短基線定位的具體測(cè)量方式為:載體上的發(fā)射換能器發(fā)射詢問信號(hào),水下的應(yīng)答器接收詢問信號(hào)并發(fā)射應(yīng)答信號(hào),載體上的水聽器陣接收來自應(yīng)答器發(fā)出的信號(hào),進(jìn)而測(cè)出各水聽器(H1～H4)與應(yīng)答器的斜距值R,通過一定的解算關(guān)系最終獲得應(yīng)答器相對(duì)基陣的三維位置坐標(biāo)。如果需要換算成大地坐標(biāo),則還需要配備GPS,姿態(tài)傳感器(MRU),羅經(jīng)(Gyro)等提供載體的位置、姿態(tài)、載體的航向值。短基線系統(tǒng)的測(cè)量誤差來源為σ2SBL=σ2R+Rσ2MRU(1)σSBL2=σR2+RσΜRU2(1)其中:σ2SBLSBL2為短基線的總誤差;σ2RR2為系統(tǒng)測(cè)距誤差;σ2MRUΜRU2為姿態(tài)傳感器測(cè)角誤差;R為測(cè)量斜距;一般來說,時(shí)間測(cè)量誤差可以達(dá)到相當(dāng)高的精度,聲速誤差也不大,兩者的相對(duì)誤差均在10-3的量級(jí),時(shí)間的測(cè)量誤差和聲速的不均勻性產(chǎn)生系統(tǒng)的測(cè)距誤差較小,為式(1)中的σ2RR2?；嚨母鱾€(gè)陣元與基陣構(gòu)架雖是剛性連接,但是拆卸和組裝時(shí)難免會(huì)使得實(shí)際基元位置和設(shè)計(jì)位置有偏差,同時(shí),因受海洋環(huán)境和載體搖擺的影響,水下接收陣元的姿態(tài)并不固定,使得定位解算產(chǎn)生誤差,為式(1)中的σ2MRUΜRU2。2.2超短基線系統(tǒng)的誤差測(cè)量超短基線系統(tǒng)是短基線系統(tǒng)的一個(gè)變種,是20世紀(jì)后期發(fā)展起來的水聲定位技術(shù)。如圖3所示,超短基線定位系統(tǒng)確定水下目標(biāo)位置是通過測(cè)量信號(hào)的到達(dá)方位和距離來定位的,而測(cè)向任務(wù)是通過測(cè)量信號(hào)到達(dá)接收基陣基元之間的相位差來實(shí)現(xiàn)的。超短基線系統(tǒng)的特點(diǎn)是基陣尺寸很小(一般為幾厘米到幾十厘米),所以其安裝比較方便,特別適合于小艇上安裝。超短基線系統(tǒng)的測(cè)量誤差包括超短基線基陣測(cè)距誤差、超短基線基陣姿態(tài)測(cè)量誤差、測(cè)角誤差、測(cè)距交會(huì)求解造成的誤差、超短基線基陣陣元相位差引起的誤差、聲傳播引起的誤差、聲學(xué)噪聲引起的誤差、超短基線基陣和應(yīng)答器安裝引起的誤差、校準(zhǔn)誤差、水下工作環(huán)境引起的誤差、載體運(yùn)動(dòng)速度變化引起的誤差、超短基線數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)融合時(shí)的誤差等,如式(2)為σ2USBL=Rσ2θ+Rσ2<+Rσ2MRU+σ2R(2)σUSBL2=Rσθ2+Rσ<2+RσΜRU2+σR2(2)其中:σ2USBLUSBL2為超短基線的總誤差;σ2θθ2為水平角測(cè)量誤差;σ2<為超短基線仰角測(cè)量誤差;σ2MRUΜRU2為姿態(tài)傳感器測(cè)角誤差;σ2RR2為系統(tǒng)測(cè)距誤差;R為測(cè)量斜距;超短基線系統(tǒng)中姿態(tài)傳感器測(cè)角誤差、系統(tǒng)的測(cè)距誤差的產(chǎn)生和短基線系統(tǒng)中產(chǎn)生的原因相同。超短基線系統(tǒng)是通過相位差的測(cè)量,確定信標(biāo)或應(yīng)答器在基陣坐標(biāo)系中的位置。然而陣元之間的相位與水平角和仰角有關(guān)。水平角是基陣參考中心和信標(biāo)的連線與水平的兩個(gè)互相垂直基線的夾角,仰角是基陣參考中心和信標(biāo)的連線與豎直方向的夾角。隨著水平角的減小,陣元間的相位差增大,聲速、時(shí)間以及陣元間距的誤差影響愈來愈大,從而導(dǎo)致超短基線系統(tǒng)只在基陣下方一個(gè)錐度范圍內(nèi)斜距相對(duì)定位精度較高。根據(jù)不同的定位誤差衡量標(biāo)準(zhǔn),量值隨仰角的減小趨勢(shì)是不同的。超短基線的優(yōu)點(diǎn)是集成系統(tǒng)低價(jià)、操作簡便容易,只需一個(gè)換能器,安裝方便。超短基線的主要缺點(diǎn)是定位精度低,測(cè)量目標(biāo)的絕對(duì)位置精度依賴于外圍設(shè)備精度—電羅經(jīng)、姿態(tài)傳感器和深度傳感器。改善超短基線定位系統(tǒng)定位誤差的方法有很多,如可以利用匹配濾波技術(shù)或者采用寬帶信號(hào)可以達(dá)到很好的測(cè)時(shí)精度,提高信號(hào)的信噪比可以改善角度測(cè)量的精度,同時(shí),增大陣元之間的間距而其他條件不變的情況下,按照如下圖4所示的改進(jìn)型陣元,位置測(cè)量誤差減小到原來的d/D倍,則其定位精度可以提高N倍。2.3海底應(yīng)答器陣位置測(cè)量長基線水聲定位系統(tǒng)一般在海底布設(shè)3個(gè)以上的水聲應(yīng)答器,構(gòu)成一定的幾何形狀,各應(yīng)答器的坐標(biāo)位置要進(jìn)行精密測(cè)量,各基元間的間距可與海深比擬,被測(cè)定的載體一般位于應(yīng)答器布放的范圍以內(nèi)。如圖5所示,海底較遠(yuǎn)距離按照一定的幾何形狀布設(shè)應(yīng)答器陣,相鄰的三個(gè)或者四個(gè)應(yīng)答器構(gòu)成一個(gè)基陣。布設(shè)基陣后,安裝在船上的問答機(jī)(詢問/接收機(jī))發(fā)射一定頻率的信號(hào)(CommonInterrogationFrequency,CIF),對(duì)海底應(yīng)答器進(jìn)行詢問,各應(yīng)答器收到詢問信號(hào)后,以其自己的頻率(IndividualReplyFrequency,IRF)發(fā)射應(yīng)答信號(hào)。另外一種工作方式為,問答機(jī)按一定順序依次發(fā)射一系列頻率(IndividualInterrogationFrequency,IIF)的信號(hào),各應(yīng)答器回復(fù)相同的應(yīng)答頻率(CommonReplyFrequency,CRF)或各自不同頻率(IRF)的信號(hào)。通過測(cè)量應(yīng)答器發(fā)射詢問信號(hào)到接收到應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間延時(shí),由此可以計(jì)算出問答機(jī)與各個(gè)海底應(yīng)答器間的斜距,從而建立球面或雙曲線等方程組,解算出艦船在應(yīng)答器陣中的相對(duì)位置坐標(biāo)。長基線系統(tǒng)的測(cè)量誤差為σ2LBL=σ2R+σ2array+σ2clock(3)σLBL2=σR2+σarray2+σclock2(3)式中:σ2LBLLBL2為長基線的總誤差;σ2RR2為系統(tǒng)測(cè)距誤差;σ2clockclock2為系統(tǒng)時(shí)間的漂移產(chǎn)生的誤差;σ2arrayarray2為海底應(yīng)答器陣位置校準(zhǔn)誤差;R為測(cè)量斜距。為了減小海底應(yīng)答器陣位置的校準(zhǔn)誤差,布放海底應(yīng)答器陣時(shí)應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)過短的基線長度和四邊形很小的銳角,即要注意海底應(yīng)答器陣的陣形。短基線和超短基線系統(tǒng)所要確定的目標(biāo)是信號(hào)或者應(yīng)答器,得到的是信標(biāo)或應(yīng)答器相對(duì)于水聽器陣元中心參考點(diǎn)的坐標(biāo)。定位坐標(biāo)軸是相對(duì)于水聽器陣元的直角坐標(biāo)。長基線系統(tǒng)和它們不同,它是利用海底應(yīng)答器陣來確定載體的位置,定出的位置坐標(biāo)是相對(duì)于海底應(yīng)答器陣的相對(duì)坐標(biāo),可以通過海底應(yīng)答器真的絕對(duì)地理坐標(biāo)換算出載體在大地坐標(biāo)系下的絕對(duì)位置。海底應(yīng)答器陣的絕對(duì)位置必須進(jìn)行位置校準(zhǔn),可以用無線電定位或衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備定出它們的地理位置。長基線系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn):獨(dú)立于水深值,具有較高的定位精度;對(duì)于大面積的調(diào)查區(qū)域,可以得到非常高的相對(duì)定位精度;換能器非常小,易于安裝。長基線系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于系統(tǒng)復(fù)雜,操作繁瑣;聲基陣數(shù)量巨大,費(fèi)用昂貴,需要長時(shí)間布設(shè)和收回海底聲基陣;需要對(duì)海底聲基陣校準(zhǔn)測(cè)量。2.4組合系統(tǒng)的使用傳統(tǒng)的3種水聲定位系統(tǒng)有各自的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn),應(yīng)該根據(jù)不同的定位要求,可以各個(gè)系統(tǒng)單獨(dú)使用,也可以有機(jī)的結(jié)合,構(gòu)成組合系統(tǒng)。組合系統(tǒng)可以利用可靠的冗余,并發(fā)揮各個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),提高定位的可靠性。應(yīng)用比較廣泛的組合系統(tǒng)有:長/超短基線系統(tǒng)、長/短基線系統(tǒng)、短/超短基線系統(tǒng)和長/短/超短基線系統(tǒng)等。3水下超聲定位的應(yīng)用在人類對(duì)海洋進(jìn)行探索和研究工作中導(dǎo)航定位技術(shù)一直是一項(xiàng)重要