超短基線定位系統應用及其誤差分析

楊正請 高陽 劉振宇

摘要：聲學定位系統技術的研究和應用開發在現代海洋科學調查中起著重要作用。本文以超短基線定位系統為例，討論了超短基線聲學定位系統的原理、應用范圍、定位誤差；通過最大程度地減少誤差來提高系統的定位精度，從而獲取高質量的海洋科研調查資料。

關鍵詞：聲學定位系統；超短基線；誤差

1 引言

水下聲學定位技術是隨著聲納的發明開始出現的。聲波在水中能夠傳播幾百公里而沒有明顯的損失，因此水下主要采用聲學系統進行定位和導航。聲學定位是海洋科學考察、海洋資源勘探、海洋資源開發等工程的必備手段，它能夠提供海底勘查設備如ROV的定位和導航。從20世紀70年代開始，國際上逐漸形成了超短基線定位系統（USBL/SSBL）、短基線定位系統（SBL）和長基線定位系統（LBL）。

定位系統由聲學測量設備和數據采集與處理設備兩大部分組成。聲學測量設備由水下拖體的聲學應答器和安裝在船體水下的換能器及聲學信號處理機所組成，以設定的時間間隔連續測量目標的相對方位和距離，數據處理設備實時完成數據采集和定位坐標計算。聲學設備的換能器發射聲波信號至應答器，應答器接在收到訊問信號后，發射區別于訊問信號的響應信號，經測量設備的軟件處理后得到水下目標的相對方位和距離。這些測量數據經由通訊電纜傳輸給數據采集處理設備，做進一步加工處理和計算，最后得到目標的大地坐標數據或相對位置數據。

2超短基線定位系統原理及誤差分析

基于基線的水下定位系統主要是通過基線構成一個相對的測量參考基準，在此參考基準下，測量各個水聲信號傳播的延遲或延遲差，依據聲音信號在水中的傳播速度，間接測量聲源到達基線水聽器的距離或者距離差。

2.1超短基線定位誤差

超短基線定位系統由聲基陣、聲標、主控系統和外部設備等組成。聲基陣一般由兩對相互正交的水聽器和一個發射換能器組成，基陣孔徑為幾厘米至幾十厘米，置于船底或船舷；聲標內置電源、收發電路、換能器和壓力傳感器等，通過測定與聲基陣不同水聽器之間的距離和聲脈沖到達的相位差來確定聲標相對于聲基陣的位置；外部設備主要包括高精度航向、縱橫搖改正的運動傳感器（MRU）和聲速剖面測量儀等。

圖1 超短極限定位原理

如圖A、B、C、D為四個相互垂直分布的水聽器，M為目標發射聲源。在AMC平面中，由于AC之間的距離d很小，聲源M到基線陣的距離L >>d，則可以近似將聲源信號看成平面波信號，即到達兩點的聲線近似平行。設M點發射的聲信號到達A點和C點的入射角為β，則聲信號到達A點和C點時存在行程差ΔR，它與聲脈沖信號入射角β之間存在下列關系：

水聽器A、C存在相位差：

同理，對另外一組與A、C垂直的水聽器B、D則：

在超短基線陣所構成的坐標系中

對上式分別求微分得：

由于該方法中包含了距離比例因子D/L，定位精度將隨著聲源距離的變化而變化，當距離增大，定位精度顯著惡化，當測相存在誤差時，坐標的誤差將以距離相關的系數變化，所以超短基線只適合短距離的定位。

2.2 船只姿態對測量影響

船只航行時航行軌跡的瞬間變化是與氣候和海況好壞有著直接關系，超短基線定位計算的瞬間起算大地坐標是通過GPS提供的，換能器安裝在搖擺不定的調查船上，隨著船只擺幅的大小變化，定位航跡與實際航跡并不完全一致。如不考慮GPS自身定位誤差的影響，依其接收天線安裝高度，船只姿態對GPS的影響亦是不可忽視的因素，所以，這樣的瞬間位置變化直接傳遞給超短基線聲學定位系統確定計算拖體位置的大地坐標，顯然有較大的誤差影響。因此，平滑航行軌跡和瞬間位置改正計算是完全必要的。一般來說，數據平滑適合于平直測線，瞬間位置改正計算才是比較理想的，但需要在船上安裝姿態運動垂直參考傳感器，如MRU，TSS等設備，用來測定船只瞬間橫搖，縱搖和起伏值的變化，由計算機進行修正，以將誤差減少到最小并求得準確位置。

圖2 船體搖擺引起的定位誤差

船縱傾角為A，橫搖角為B，GPS天線至水平面高度為R， 和 為船只姿態的待改正坐標，即以船艏向為坐標軸的修正量 ， 為：

計算時可先求得以船艏向為坐標軸的旋轉坐標 ， 量 ， 其計算式為：

超短基線系統的測量誤差包括超短基線基陣測距誤差、超短基線基陣姿態測量誤差、測角誤差、測距交會求解造成的誤差、超短基線基陣陣元的相位差引起的誤差、聲傳播引起的誤差、聲學噪聲引起的誤差、超短基線基陣和應答器安裝引起的誤差、校準誤差、水下工作環境引起的誤差、載體運動速度變化引起的誤差、超短基線數據和GPS數據融合是的誤差等。

其中， 為超短基線系統的總誤差， 為水平角測量誤差， 為仰角測量誤差， 為姿態傳感器測角誤差， 為系統測距誤差，R為測量斜距。

3小結

聲學定位系統的技術研究和應用開發在現代海洋科學調查中起著重要作用。本文以超短短基線定位系統為例討論了超短基線聲學定位系統的原理、應用范圍、超短基線定位誤差，過最大程度地降低減少誤差，高系統的定位精度，而獲取高質量海洋科研調查成果。

參考文獻

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作者簡介：楊正清（1987-），男，山西晉中人，工程師，從事海洋測繪技術研究工作。

（作者單位：1.天津水運工程勘察設計院；

2.青島光電工程技術研究院

3.天津市水運工程測繪技術重點實驗室）