船載水聲定位系統(tǒng)自動校準(zhǔn)技術(shù)研究

張慶國，匡彪，要慶生，連莉

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船載水聲定位系統(tǒng)自動校準(zhǔn)技術(shù)研究

張慶國，匡彪，要慶生，連莉

(昆明船舶設(shè)備研究試驗中心，云南昆明 650051)

在分析常規(guī)水聲定位系統(tǒng)校準(zhǔn)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合某型船載水聲定位系統(tǒng)的工程研制，提出了一種自動校準(zhǔn)方法。該方法無需常規(guī)的動態(tài)或靜態(tài)校準(zhǔn)，可在每次系統(tǒng)安裝完成后自動檢測及校準(zhǔn)。利用基陣中心位置的發(fā)射換能器以及船只固定連接桿入水端的發(fā)射換能器依次發(fā)射校準(zhǔn)聲信號，將獲得的水聲定位坐標(biāo)與上述兩個發(fā)射換能器固定對應(yīng)的全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)天線坐標(biāo)進(jìn)行平移和偏轉(zhuǎn)，獲得偏移參數(shù)矩陣，實現(xiàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)。某水域的跑船試驗驗證結(jié)果表明，利用該自動校準(zhǔn)方法可在兩分鐘內(nèi)完成全部自檢及校準(zhǔn)工作，并且水聲定位軌跡與跑船GPS軌跡重合較好，具有校準(zhǔn)效率高、測量精度高等優(yōu)點。

船載系統(tǒng)；水聲定位系統(tǒng)；自動校準(zhǔn)方法

0 引言

船載水聲定位系統(tǒng)不受試驗水域和具體水下地理環(huán)境的限制，具有較好的靈活性和便捷性，在水下目標(biāo)定位跟蹤及導(dǎo)航領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。當(dāng)前船載水聲定位系統(tǒng)，多采用超短基線和短基線形式[1]。利用水聲定位原理，實時獲得水下目標(biāo)相對于船載基陣的位置信息，再結(jié)合船只當(dāng)前的全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)/北斗定位系統(tǒng)的定位信息，以及船載基陣的姿態(tài)等相關(guān)信息進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲得水下目標(biāo)的絕對坐標(biāo)信息；利用水聲通信原理實現(xiàn)水下目標(biāo)的遙測、遙控以及水下導(dǎo)航等功能。

由于船載式水聲定位系統(tǒng)存在基陣坐標(biāo)系、船只坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系等多個坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換[2-3]，其水聲定位導(dǎo)航的精度直接與坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換相關(guān)。因此，船載水聲定位系統(tǒng)在安裝完成后，需要進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得不同坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)偏移參數(shù)，經(jīng)過修正后才能實現(xiàn)水聲定位及導(dǎo)航等功能，才能確保其定位與導(dǎo)航精度。

常規(guī)需重新安裝的水聲定位系統(tǒng)無論是采用動態(tài)還是靜態(tài)校準(zhǔn)方式，均存在校準(zhǔn)工作量較大、經(jīng)濟(jì)性差、準(zhǔn)備時間過長等不足。雖然國內(nèi)外進(jìn)行了多種方法的研究和測試，在動態(tài)校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上提出了靜態(tài)校準(zhǔn)的實施方法，但均需要人工跑船或靜態(tài)吊放聲源進(jìn)行比對校準(zhǔn)。特別是在需要反復(fù)拆裝船載基陣的工程應(yīng)用上，每次船載基陣安裝后均需進(jìn)行適應(yīng)性校準(zhǔn)，試驗效率較低，且用戶使用成本較高。如能研制一種無需人工校準(zhǔn)的船載水聲定位系統(tǒng)，將大大提高工作效率，降低人工操作的復(fù)雜度，提高用戶滿意度。

1 船載水聲定位系統(tǒng)

船載式水聲定位跟蹤系統(tǒng)[4]主要由濕端設(shè)備、信號處理設(shè)備、信標(biāo)等三部分組成。其中濕端設(shè)備包括聲學(xué)基陣(船載短基線陣，由5元組合換能器構(gòu)成)、水密電子艙、電子組件等設(shè)備；信號處理設(shè)備包括模擬信號處理、數(shù)字信號處理、數(shù)據(jù)處理顯控、航姿測量、系統(tǒng)供電等設(shè)備；信標(biāo)安裝在水下目標(biāo)上，為系統(tǒng)提供定位信標(biāo)信號，由信號產(chǎn)生組件、功放組件、組合換能器和內(nèi)置電池等組成。系統(tǒng)工作示意圖如圖1所示。

圖1 船載水聲定位跟蹤系統(tǒng)示意圖

如圖1所示，船載短基線陣通過工作母船上的開放式水槽進(jìn)行布放，利用剛性連接桿與基陣固定連接。船載基陣上陣元共5個，分別布放在十字陣的四個端點和中心點。受現(xiàn)場水槽功能復(fù)用要求的限制，需要每次使用時進(jìn)行基陣的現(xiàn)場安裝，使用完后拆除。因此，與常規(guī)船載短基線水聲跟蹤系統(tǒng)相比較，本系統(tǒng)主要特點是船載基陣需要反復(fù)拆裝，并且是非固定方向的隨機(jī)安裝方式。由于每次安裝的基陣方向不同，必須進(jìn)行每次安裝后船載基陣的現(xiàn)場校準(zhǔn)。

船載水下十字型基陣(如圖1所示)布設(shè)時對其方位無嚴(yán)格要求，但需要獲知布放完成后的基陣與船只航向角之間的夾角。理論上基陣坐標(biāo)系與船只坐標(biāo)系一致是最為理想的情況，但實際施工時無法做到，并且本項目中要求船載基陣安裝方式為“盲連接”方案，不強(qiáng)制要求基陣與船只的坐標(biāo)系一致，以便于現(xiàn)場的快速安裝與固定。因此，必須考慮船載基陣每次重新安裝后的現(xiàn)場校準(zhǔn)(主要是獲得基陣方向與船只航向之間的夾角)。如果不進(jìn)行校準(zhǔn)，無法后期修正十字基陣與船只縱橫方向之間的夾角，將會導(dǎo)致水下目標(biāo)的位置信息出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，例如，本應(yīng)該在船頭方向卻被錯誤定位成船尾或船舷等其他方向。

由此可見，系統(tǒng)現(xiàn)場校準(zhǔn)是必須的。但如果每次使用時均按照船載水聲定位系統(tǒng)常規(guī)方法進(jìn)行校準(zhǔn)，存在準(zhǔn)備時間長、經(jīng)濟(jì)性差，且工作效率不高等不足。另外，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工工藝限制，每次安裝的基陣坐標(biāo)系與船只坐標(biāo)系的偏差也不盡相同，如不進(jìn)行試驗前校準(zhǔn)，將對水聲定位精度造成較大的影響，甚至無法準(zhǔn)確實現(xiàn)水下目標(biāo)的定位與導(dǎo)航等功能。

本系統(tǒng)采用同步式短基線水聲定位原理[4]，利用船載短基線陣實時接收水下目標(biāo)上發(fā)出的同步脈沖信號，經(jīng)過解算獲得基陣上每個水聽器接收到的聲信號傳輸時延值，利用球面交匯原理獲得水下目標(biāo)的位置信息；實時融合外部設(shè)備(如GPS/北斗、航向、航姿等)信息，進(jìn)行相應(yīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，即可獲得水下目標(biāo)的大地位置信息，完成實時水聲定位跟蹤與導(dǎo)航。

2 常規(guī)校準(zhǔn)方法

船載水聲定位跟蹤系統(tǒng)通常采用“動態(tài)”或“靜態(tài)”方式進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，基本原理是利用已知大地坐標(biāo)點位同時發(fā)射聲信號，船載水聲定位系統(tǒng)進(jìn)行水聲定位。將多個不同點位(通常需要覆蓋四個象限)的大地坐標(biāo)與水聲定位坐標(biāo)進(jìn)行比對，獲得基陣的偏移與旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣，確保水聲定位精度。

“動態(tài)”校準(zhǔn)需要船只按照規(guī)劃航路進(jìn)行航行，利用在基陣不同方位上的多個測量點進(jìn)行測量，將水聲測量數(shù)據(jù)與GPS/北斗測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，結(jié)合最小誤差原理獲得校準(zhǔn)參數(shù)[5]。典型校準(zhǔn)方案如圖2所示，其中圖2(a)為載有水聲定位系統(tǒng)的工作母船，圍繞沉底的校準(zhǔn)聲源進(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)；圖2(b)為工作母船停航或拋錨，而校準(zhǔn)船只攜帶聲源圍繞工作母船進(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)。

“靜態(tài)”校準(zhǔn)與上述“動態(tài)”校準(zhǔn)基本原理相同，利用在工作母船船舷吊放若干個應(yīng)答器(聲源)，同時獲得應(yīng)答器船只坐標(biāo)及水聲定位相對于船載基陣的坐標(biāo)，經(jīng)過處理即可得到坐標(biāo)系之間的夾角[2]，實現(xiàn)水聲定位系統(tǒng)的現(xiàn)場校準(zhǔn)。

圖2 常規(guī)動態(tài)校準(zhǔn)方法示意圖

綜上所述，無論是“動態(tài)”還是“靜態(tài)”校準(zhǔn)均需要大量人工操作，需要攜帶聲源進(jìn)行航路規(guī)劃，或在船舷附近吊放若干個聲源。存在校準(zhǔn)時間長，甚至需要多條船只配合才能完成，經(jīng)濟(jì)性及工作效率均不佳，更為重要的是對需要反復(fù)拆裝的船載水聲定位系統(tǒng)來講，幾乎難以實現(xiàn)。

3 自動校準(zhǔn)方法

由于本船載式水聲定位系統(tǒng)需要在工作母船上隨時安裝使用，任務(wù)完成后即拆除。因此，為便于使用必須采用自動校準(zhǔn)方法。為了更好地說明自動校準(zhǔn)方法，將船載水聲定位系統(tǒng)的安裝條件說明如下：

(1) 基陣通過船只固定位置的直通水槽進(jìn)行安裝布放，并且基陣與船只采用剛性連接桿進(jìn)行固定連接；

(2) 每次使用時進(jìn)行基陣的現(xiàn)場安裝布放，使用完成后拆除基陣，將水槽留給其他設(shè)備使用，但每次安裝的連接桿點位固定；

(3) 基陣每個陣元的高度由機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計保證，確保多個陣元處于同一水平面，或高度差固定且可試前測量獲得，為已知量；

(4) 基陣與連接桿之間的安裝結(jié)構(gòu)，具有單向卡槽防差錯機(jī)構(gòu)，可確?；囎鴺?biāo)系與船只坐標(biāo)系的夾角在較小范圍內(nèi)(夾角<5°)。基陣與船只連接桿一旦固定完成，其夾角便為固定值(忽略航行過程中機(jī)械結(jié)構(gòu)的微小形變)，該夾角()為未知量；

(5) 基陣中心位置以及基陣固定的連接桿上(入水端)均安裝有發(fā)射換能器(兩個發(fā)射換能器)，用于發(fā)射校準(zhǔn)聲信號；

(6) 船只絕對位置信息及航姿信息的獲取集成在一套GPS雙天線測量設(shè)備中，分別對應(yīng)(5)中的兩個發(fā)射換能器；

(7) 基陣內(nèi)部安裝有高精度姿態(tài)傳感器，可實時獲得船載基陣的姿態(tài)信息，并將其作為當(dāng)前時刻的姿態(tài)參數(shù)參與水聲定位解算。

船載水聲定位系統(tǒng)基陣的具體安裝示意圖如圖3所示。

圖3 智能化船載水聲定位跟蹤系統(tǒng)安裝示意圖

圖3中①、②分別為GPS雙天線測量設(shè)備的兩根天線，③為上述連接桿入水端上固定連接的發(fā)射換能器，④為上述基陣中心位置的發(fā)射換能器。本智能化方法的關(guān)鍵設(shè)計點如下：

(1) ①和④對應(yīng)且在同一垂線上(或安裝偏差固定可測量)，由機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和安裝結(jié)構(gòu)保證；

(2) ③固定連接(通常為焊接)在連接桿入水端，并且③與②在同一垂線上(或安裝偏差固定可測量)；

(3) 數(shù)據(jù)處理艙(如圖3所示)內(nèi)的信號處理設(shè)備可實時獲得①和②兩點的GPS位置信息，同時可控制③和④的發(fā)射換能器進(jìn)行校準(zhǔn)聲信號的依次發(fā)射與停止；

(4) 基陣上的每個陣元均由收發(fā)合置的換能器組成，可受控進(jìn)行發(fā)射或接收。

實際上，圖3中①、②處的GPS天線為船載固定裝置，在試驗后不進(jìn)行拆除，而③亦為船載套管(船載基陣的連接桿穿過套管)上固定安裝的設(shè)備，需要①和④為對應(yīng)在同一垂線上，③與②在同一垂線上，或者兩者之間的垂直偏差可測量修正，也就是說需要①和④、③與②在同一垂線上或偏差量可測。如果垂直對應(yīng)的偏差量沒有進(jìn)行修正，將直接影響水聲定位精度。假設(shè)③與②垂線上位置偏差為0.1 m，垂直高度假設(shè)為8 m，其夾角為arctan(0.1/8)≈0.7°。航向角偏差近似為0.7°，在距離為2 000 m的情況下，由此夾角帶來的水聲定位誤差為2 000tan(0.7)≈25 m。

另外，上述方案考慮了船載基陣在航行狀態(tài)下的實際情況。本方案的船載基陣(安裝完成后)和GPS天線等參考點均與試驗船只剛性固定連接，在不考慮剛性連接形變的基礎(chǔ)上，重新安裝后的船載基陣與船只之間的夾角可自動計算出，以供在后續(xù)定位算法中進(jìn)行修正。由于在風(fēng)浪情況下，船只、基陣、GPS天線之間的相對位置是固定的，所以本校準(zhǔn)方法可獲得相對夾角，以保證水聲定位精度。

智能化船載水聲定位系統(tǒng)的流程圖如圖4所示。其主要工作流程是：基陣完成布放后，數(shù)據(jù)處理艙內(nèi)的顯控軟件(用戶界面)自動進(jìn)行入水監(jiān)測，如基陣入水則進(jìn)行自校準(zhǔn)，否則在軟件界面上進(jìn)行信息提示；然后利用基陣上的多個收發(fā)合置換能器依次發(fā)射校準(zhǔn)聲信號，顯控軟件獲得陣元間距；之后控制③和④依次進(jìn)行校準(zhǔn)聲信號發(fā)射，同時融合當(dāng)前時刻①和②兩點的GPS位置信息，分別獲得基陣坐標(biāo)系與船只坐標(biāo)系的偏移量(，)和旋轉(zhuǎn)偏角()；最后代入基陣內(nèi)部的姿態(tài)相關(guān)信息[6]，進(jìn)行綜合處理計算，最終獲得水下目標(biāo)的精確定位信息。

圖4 船載水聲定位系統(tǒng)自動校準(zhǔn)流程圖

4 實航試驗

船載基陣為5元十字陣，與工作母船采用剛性連接桿進(jìn)行固定連接，實物如圖5所示。基陣孔徑為2 m，鋁合金結(jié)構(gòu)。由于受到風(fēng)浪及涌流的影響，基陣孔徑發(fā)生變化，而且基陣平面也會發(fā)生變化。根據(jù)常規(guī)誤差分析可知，由基陣孔徑的形變帶來的水聲定位誤差為×(?/)，假設(shè)為2 000 m，為2 m，?為0.002 m，則由基陣形變帶來的誤差即為2 m。因此，為了提高水聲定位系統(tǒng)的定位精度，需要對當(dāng)前的基陣孔徑進(jìn)行自動校準(zhǔn)修正，進(jìn)一步降低系統(tǒng)誤差。另外，除了試驗船只航行受海況影響外，本校準(zhǔn)方法對海況無特殊要求。

在國內(nèi)某水域進(jìn)行試驗測試，船載水聲定位系統(tǒng)安裝完成后，約兩分鐘即完成自動校準(zhǔn)工作進(jìn)入定位跟蹤狀態(tài)。

圖5 船載基陣實物圖

利用試驗船只吊放聲源(聲源上對應(yīng)有全球差分定位系統(tǒng)(Differential Global Positioning System, DGPS)天線)的方式，采用動態(tài)跑船方法對系統(tǒng)定位功能和精度進(jìn)行驗證，其實際航行試驗定位跟蹤結(jié)果如圖6所示。

圖6 水聲定位系統(tǒng)和GPS在某水域跑船試驗定位跟蹤軌跡對比圖

圖6中有兩條軌跡，分別為水聲定位系統(tǒng)實時記錄的水下目標(biāo)位置信息，以及跑船試驗的船只GPS軌跡。由于GPS與聲源處于同一垂直面上，理論上這兩條軌跡應(yīng)該重合。因此，通常以GPS軌跡為基準(zhǔn)來判斷水聲定位的總體精度。

圖6中的湖上試驗為在約2～3級湖況下的實際航行試驗，證明本方法在一定風(fēng)浪情況下可使用，并保證其水聲定位精度。由圖6可見，經(jīng)過校準(zhǔn)后的水聲定位誤差由67.5 m縮減至12.5 m。

由圖6可知，試驗船只的DGPS軌跡和水聲定位軌跡重合度較好，以圖6最遠(yuǎn)處(標(biāo)注為“最大偏差處”)為例，實際經(jīng)校準(zhǔn)的水聲定位偏差為12.5 m，遠(yuǎn)小于常規(guī)的定位偏差67.5 m。因此，實際航行試驗證明了經(jīng)過自動校準(zhǔn)的船載水聲定位系統(tǒng)具備較高的定位精度，并且校準(zhǔn)效率高，具有較高的工程應(yīng)用價值。

5 結(jié)論

本文在水聲定位系統(tǒng)常規(guī)校準(zhǔn)方法的基礎(chǔ)上，利用與船只固定連接的多元組合式短基線陣，以及連接桿上的發(fā)射換能器，結(jié)合對應(yīng)的GPS雙天線測量設(shè)備，提出一種船載水聲定位系統(tǒng)自動校準(zhǔn)方法。該方法無需試前人工校準(zhǔn)，具有使用效率高、人工操作簡單、智能化程度高，且對現(xiàn)場安裝精度要求不高等優(yōu)點。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在某工程項目上得到成功應(yīng)用。

該方法具有廣泛的適應(yīng)性，不僅適應(yīng)于船載式機(jī)動性強(qiáng)的水聲定位系統(tǒng)，又可應(yīng)用于其他水聲定位系統(tǒng)，經(jīng)過擴(kuò)展和改進(jìn)還可應(yīng)用在相類似的海洋工程上，具有較高的工程實用價值。

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Research on automatic calibration technique of shipborne underwater acoustic positioning system

ZHANG Qing-guo, KUANG Biao, YAO Qing-sheng, LIAN Li

(Kunming Shipborne Equipment Research & Test Center, Yunnan, Kunming 650051, Yunnan,China)

On the basis of analyzing the calibration methods of conventional underwater acoustic positioning system, an automatic calibration method combining the development of the shipborne underwater acoustic positioning system is proposed. This method does not require routine dynamic or static calibration, and the system can be automatically detected and calibrated after each installation. The method uses both the transmitting transducer at the center of the array and the transmitting transducer at the water inlet end of a fixed connecting rod with the vessel to transmit acoustic calibration signals in turn, so that the acoustic positioning coordinates are obtained, and the GPS coordinates are obtained by two GPS antennas which are fixed correspondingly with the two transmitting transducers; then translates and deflects the acoustic positioning trajectory to make it well coincide with the GPS trajectory of running ship, and to obtain the offset parameter matrix. Thus, the system calibration is implemented. The experimental results show that this calibration method can complete all self-checking and calibration within two minutes. The most important operation in this method is to make the underwater acoustic positioning trajectory coincide well with the GPS trajectory of the running ship. The method has high calibration efficiency and high measuring accuracy.

shipborne system; underwater acoustic positioning system; automatic calibration method

U666.7

A

1000-3630(2018)-06-0535-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.06.004

2017-09-06;

2018-02-10

張慶國(1981－), 男, 黑龍江人, 研究方向為水聲工程技術(shù)。

張慶國, E-mail: ZQG750@126.com