基于SCOUT+超短基線定位系統的海上失事飛機黑匣子探測方法

路青青，郭金運，秦建

( 1.山推工程機械股份有限公司，山東濟寧 272104；2.山東科技大學測繪學院，山東青島 266590；3.天津水運工程勘察設計院有限公司，天津 300456 )

0 引言

2014年發生的馬航MH370和亞航QZ8501兩起空難給人們敲響了警鐘，而飛機殘骸及遇難人員的搜救定位是一項復雜而又急迫的事情，特別是作為空難“見證人”的失事飛機黑匣子的搜尋定位打撈，是空難事故搜尋搜救的一項重點內容，受到人們極大的關注[1].

在馬航MH370飛機殘骸及黑匣子水下搜尋過程中，國外救援隊伍利用美國的水下自主航行器“藍鰭金槍魚-21”、水下聲波探測儀、海底聲納等先進設備進行搜救工作[1].1986年美國“挑戰者”號的找回任務及“泰坦尼克號”的搜索等任務促進了國外深海探測的發展[2-4].中國使用的黑匣子搜尋儀是手持便攜式，不適合大面積深海搜尋作業，深海搜尋技術方法與西方國家有很大差距[3].在水下信號搜尋方面，吳國清[4]利用試驗數據實現淺海水平距離500 m 內水下目標被動測距；中國科學院聲學研究所田杰等[5]給出了一種基于二元結構的水下目標定位系統及定位方法；哈爾濱工程大學[6]提出了一種基于差分技術的水下定位方法；中國船舶重工集團公司某研究所承擔的2013年科技部科技支撐計劃項目子課題系統研制及示范.該課題主要是針對淺海條件下水上作業人員的應急搜尋和定位，為深水海域水下聲信標搜尋探測奠定了技術基礎.2007年，為保障國家某海上重大專項試驗，該研究所研制了某型聲信標探測定位系統及3種頻率的聲信標，該系統至今一直在該試驗中執行關鍵設備的水下搜尋定位任務.在水下目標自主搜尋與定位方面，中國船舶重工集團公司某研究所，很早就進行了無人水下航行器(UUV)裝備和技術的研究.在20世紀70年代末開始進行水下機器人的研究，為兼顧陣元數、相位模糊和基陣孔徑大小.李想等[7]、喻敏等[8]提出了8 元陣的概念，充分利用了兩兩半波長布陣解決相位模糊問題，再利用四組換能器間的大孔徑來解決定位精度的問題；鄭翠娥等[9]進一步改進基陣結構，添加了一對用于相位抗模糊基元，使結構更加簡單，降低了系統復雜度；肖亮等[10]將傳統超短基線擴展到9元陣、單邊5元基陣的方案，較好地解決了定位精度與遠距離的問題.為了使超短基線的作用距離增加，同時考慮相位模糊與基陣孔徑的問題，劉增力等[11]采用了24 元線陣來定向黑匣子信標.

本文結合參與亞航QZ8501黑匣子搜尋工作經驗，針對我國海上遇險目標搜尋定位應急需求，以解決高效快速確定飛機殘骸墜落區域、黑匣子精確搜尋定位為目標，形成一套完整有效的海上飛機黑匣子搜尋定位技術方法.提出一套系統的黑匣子應急定位打撈體系，驗證利用超短基線聲吶定位系統精確定位黑匣子位置的可行性和可靠性.

1 超短基線黑匣子搜尋定位原理方法

1.1 超短基線黑匣子定位原理

超短基線定位系統(USBL)的定位原理為：通過測量信號的到達方位和距離來定位，而測向任務是通過測量信號到達接收基陣陣元之間的相位差來實現的，這是超短基線定位系統的關鍵[12].在超短基線換能器中有5個成圓形均勻分布的水聽器和在圓心中的聲學發射器，通過發射器發射聲波，5個水聽器接收信標信號進行距離交匯來定位信標位置.

如圖1所示，以船艏向為X軸正方向，以船右舷為Y軸正方向，符合右手坐標系.在某一時刻，由超短基線收到的信標信號計算得出的斜距S與Xa、Ya和黑匣子所處水深Z之間的關系為

圖1 超短基線定位原理

Z為超短基線信標位置水深，在超短基線定位中，其值需根據現場情況進行人為輸入.

從而解得信標在Y軸上的分量為

1.2 黑匣子快速定位

解算式(9)便可得出最后黑匣子所在位置.

2 SCOUT+超短基線黑匣子海上搜尋方法

由英國Sonarydne 公司生產的SCOUT+UABL，可兼容四種信標Wideband Sub Mini、OBC、AODC、水深測位儀(pinger).其中pinger模式可進行黑匣子搜尋作業.為了盡可能真實地進行黑匣子海上搜尋，本次海試選取天津港臨港工業區博邁科港池，水深較平坦約為10 m，航道處水深約15～20 m，測試位置圖如圖2所示，海試流程如圖3所示.

圖2 博邁科港池測試位置圖

圖3 海試流程圖

3 試驗及結果分析

3.1 試驗過程

設備連接好后，在SCOUT+USBL 中添加pinger模式信標和OBC信標.特別注意的是，在添加pinger模式信標時，需要輸入跟蹤海域水深，由式(1)可以看出，水深h值也是影響平面位置的一個因素.把OBC信標和黑匣子模擬器并排同時固定在重物上并拋入海底，信標和模擬器幾何中心距離為10 cm，可認為兩者位置相同，忽略兩者安裝距離誤差.精確跟蹤OBC信標30 min 后，取OBC信標平面坐標的平均值，作為黑匣子模擬器的真實位置坐標.以此為中心布設長為300 m 的測線由遠及近進行pinger 模式跟蹤，設置水深為20 m，記錄數據.本文對黑匣子定位精度評定分為兩種方法：第一種是采用Scout+自帶軟件USBL 采集黑匣子模擬器結果與OBC信標所測位置進行比較分析；第二種是采用我院開發的定位軟件通過角度定位結果，對比Scout+安裝位置與OBC信標所測位置實時真實角度進行分析.在采集數據過程中，分別更改USBL 中信標參數個更新率(update rate)，從1～6 s分別測試探測黑匣子模擬器信號質量，發現在其他環境不變的情況下，使用4 s的update rate采集的數據質量相對較好.更改receive pulse length 對本次試驗信號質量無本質上的影響.所以最后采集數據時，設置receive pulse length 為1 ms，updaterate為4 s.

3.2 平面定位結果分析

文中使用實際海況下采集的4條300 m 測線上的數據進行匯總計算，與OBC信標采集的最終位置對比，進行其位置精度評定.實際數據采集時，超短基線換能器距離黑匣子最近距離約為27 m，其中兩條為往返測線，對比結果如表1.

表1 pinger 模式模擬器位置與OBC信標最終位置對比m

通過超短基線進行pinger 模式對黑匣子模擬器進行跟蹤定位.由表1和圖4可知，與實際位置對比，隨著距離的增加，數據質量下降，約為20～70 m，數據波動較小，數據質量比較穩定.但是在20 m 水深情況下，最大位置差達到20 m，最小位置差也在2 m 以上，位置差的平均值為8.41 m，對比結果的均方根(RMS)值為10.50 m.以此可以看出：通過超短基線pinger 模式，借助人工設置水深情況下，對黑匣子模擬器平面位置的跟蹤定位精度不高，超過80 m 距離以后，數據質量已經不可靠.分析原因可能是由于水深太淺，遠距離情況下超短基線換能器接收信號角度受到限制.引起位置誤差較大原因，可能與在設置pinger 模式時輸入的水深數值有關，從式(5)、式(6)可以看出，探測黑匣子在平面位置坐標與水深h值有很大關系，而實際海試中，水深h值也只是輸入的某一區域的大概水深.從對比結果可以看出：雖然通過超短基線進行黑匣子模擬器搜尋的平面定位精度不高，但其測量精度滿足對黑匣子初步探測搜尋需求.

圖4 pinger 模式跟蹤位置與實際位置比較圖

3.3 角度測量精度分析

文中采用4條測線中超短基線跟蹤pinger 模式下黑匣子模擬器所得到的角度值，與同一時刻黑匣子模擬器實際位置位于超短基線換能器時的實際角度進行對比，結果如表2所示.

表2 角度定位中測量角度與實際角度對比表(°)

由表2和圖5可知，通過超短基線pinger 模式進行黑匣子探測定位，角度測量與實際位置角度差值，最大為4.9°，最小為0.2°，角度測量差的RMS 值為2.64°，其數標準差為0.88°，由RMS可以看出，角度測量的精度在3°以內.

圖5 角度定位中測量角度與實際角度對比成果圖

實際差值統計中，有80%的差值接近3°，分析可能是因為換能器艏向安裝誤差引起，由于使用的漁船船舷弧度過大，導致超短基線換能器安裝桿不能固定牢固，在行駛過程中由于水流原因導致換能器方向改變.考慮到此因素，在原角度差值中剔除3°的儀器安裝誤差.進行數據分析如表3所示.

表3 角度定位中剔除3°安裝誤差后測量角度與實際角度對比表(°)

由表3可知，在剔除3°的儀器安裝誤差后，角度差值的最大值為0.9°，最小值已經達到0°，RMS值為0.40°，角度測量的定位精度已經在1°以內.測量結果可以達到快速搜尋黑匣子的定位精度要求.

4 結束語

超短基線pinger 模式信標搜尋功能為黑匣子海上搜尋提供了技術支持.天津水運工程勘察設計院有限公司海洋勘察處承擔的亞航QZ8501遇難飛機殘骸搜尋和黑匣子搜尋的實際經驗為超短基線黑匣子搜尋技術提供了寶貴經驗.

本文利用Sonardye公司生產的SCOUT+USBL，在真實海上環境進行黑匣子模擬器的搜尋定位試驗，并對取得的數據進行分析，得出其定位精度在10 m量級，可以進行黑匣子模擬器的初步搜尋定位需求.通過SCOUT+USBL 的pinger 模式進行黑匣子搜尋定位提供的角度數據，使用快速角度定位軟件，進行超短基線定位數據融合，使得其角度RMS定位精度達到0.40°.

由本文的結果看，通過pinger 模式進行黑匣子搜尋定位精度達到1°以內，結果可靠.