一種適于淺水定位的超短基線裝置與定位方法

祝 侃，尹飛星

（1.中國船舶集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2.清江創新中心，湖北 武漢 430076；3.嘉興易聲電子科技有限公司，浙江 嘉興 314000）

0 引言

隨著海洋事業的發展，在海洋探測研究、海洋工程、海洋礦產資源、水下考古、海洋國防建設等方面，都離不開水下定位系統為其提供高精度、高質量的定位數據[1-3]。超短基線定位 （Ultra-short Baseline，USBL）是一種水下聲學定位技術[4-7]，其基線長度一般為幾厘米至幾十厘米，由于其安裝簡單、使用方便而得到了廣泛應用。在實際測量時，需要測量聲速、聲信號往返時間、基陣坐標及基陣的方位和姿態角度[8]。超短基線定位系統利用各個陣元之間的相位差 （或者時延差）來測量運動目標或固定目標的方位，通過發射與接收之間的時間差來測量兩者之間的距離，再融合高精衛星定位數據等實現目標的三維定位[9-10]。

然而，水聲信道復雜，尤其淺水環境下，其邊界及介質起伏效應明顯，造成多徑時延擴展，信號衰落嚴重，即使利用了寬帶信號檢測技術，但由于多途效應會導致對信號真正到達時刻的時延計算仍然存在一定難度。因此，如何在這種復雜的水聲環境下，獲取高質量的聲學定位數據，是水下定位的難點之一。本文提出一種附有約束條件的互相關時延估計方法用于淺水超短基線定位，該方法適用海洋石油勘探開發、水下打撈、搜救等海洋工程涉及的水下目標定位需求，可對水下航行體、拖魚、潛標、潛水員及其它水下目標進行精確定位和跟蹤。

1 淺水定位的超短基線裝置

適用于淺水定位的超短基線裝置包括定位基陣、甲板單元和輔助設備，裝置的系統框圖如圖1所示。甲板單元通過主控軟件實現對定位基陣的控制和數據采集，主控軟件用于解算和顯示水下目標的實時位置和運動軌跡，可顯示多個目標信息，包含相對定位基陣的位置信息以及絕對的大地坐標信息。同時也可顯示艦船的位置軌跡和航姿變化，并能進行快速的聲學性能分析。

圖1 超短基線裝置系統框圖Fig.1 Block diagram of USBL system

定位基陣采用一體化基陣，包括接收基陣、電子羅盤、信號處理板、發射換能器以及水密殼體。接收基陣采用短間距四元十字交叉設計，各個陣元處于同一平面，各個陣元同時接收聲學信號，并且把聲電轉換后的數據送給信號處理板。電子羅盤安裝在水密殼體內，實時測量定位基陣的三軸姿態信息，并把數據送給信號處理板進行解算。信號處理板是整個定位基陣的核心，負責聲學信號的調理、采集、發射、處理和傳輸。信號處理板的處理器采用FPGA和DSP組合架構，FPGA完成數據采集、信號處理、信號檢測等任務，DSP完成脈沖挑選和數據分析及通訊等任務。發射換能器布置在接收基陣的中間，用于在應答方式下發射特定制式的聲脈沖信號。水密殼體是定位基陣的載體，為圓筒形結構，并采用鈦合金材料制成，以便滿足對設備重量和耐海水腐蝕的要求。

甲板單元包括機箱、電源模塊和接口處理板。機箱是甲板單元的載體，前面板用于顯示狀態，后面板為開關控制區并且設置有可插拔的接插件。電源模塊主要包括輸入電源處理模塊、開關電源模塊和線性穩壓模塊等，主要向甲板單元、定位基陣等設備提供穩定的直流電。接口處理板是甲板單元的中繼，用于接收和轉發數據、指令、同步信號。甲板單元具有標準網絡輸出接口，可融合航姿，GPS等信息進行精確自定位。此外，超短基線裝置在使用時還需配備包括GPS設備、授時儀和聲學信標等輔助設備，信標支持同步和應答2種工作模式。

2 附有約束條件的互相關時延差估計方法

四元十字交叉接收基陣定位原理如圖2所示。圖2中，1、2、3、4分別為4個水聽器（或4個接收陣元），兩兩陣元1和3、2和4相互間隔d，單位 m。目標位于S（x，y，z），目標矢徑為OS，R為目標到基陣中心的距離，矢徑OS與x軸和y軸的夾角分別為θmx、θmy，陣元1和3、2和4接收到目標的時延差分別為τ13、τ24，根據空間幾何關系有：

圖2 四元接收基陣定位原理圖Fig.2 Schematic diagram of 4-element receiving array positioning principle

式中：c為水中聲速，m/s，通過聲速儀測量；R為通過回波測距法測得的斜距。因此，定位精度主要取決于時延差τ的精度，即準確估計時延差，是提高定位精度的關鍵。

本文提出一種適用于淺水超短基線定位的附有約束條件互相關時延差估計方法，該方法主要涉及脈沖挑選和時延差相位修正。在超短基線裝置中，需要估計各個通道的時延，具體過程如下：

1）采用寬帶信號系統的拷貝相關估計時延。

設聲源發出的信號為s（t），其信號持續時間T。陣元接收到的信號x（t）表示為

式中：k表示信號的幅度；τ是信號傳輸的時延；n（t）是加性噪聲。

接收到的信號x（t）與參考信號s（t）進行相關運算，得到相關函數為

式中：Rss（τ）是s（t）的自相關函數；P（τ）是參考信號s（t）分別與n（t）相關得到的結果。

由于自相關函數Rs（sτ）滿足，若選擇合適的信號形式s（t），其自相關函數峰值尖銳，使得R（τ）在τ時刻受P（τ）的影響較小，那么則可以用檢測R（τ）峰值位置的方法來獲得確定時延τ和幅度a，取出峰值點處的相位ρ，進而確定信號到達的時延和相位和幅度。

定位基陣通過方法1）解算出接收信號的時延和相位以及幅度信息后，通過電纜傳輸到岸上的甲板單元，再傳輸到主控軟件進行定位解算。

2）脈沖挑選過程。

由于淺水環境的多徑效應，方法1）求出的每個陣元滿足條件的峰值脈沖可能有多個，在主控軟件內需再進一步篩選滿足約束條件的脈沖。

步驟一，低幅值脈沖剔除。剔除最大幅值脈沖的0.4倍以下幅值的脈沖，避免能量小的脈沖參與到定位中，滿足脈沖幅值的約束條件為

式中，amax表示脈沖的最大幅值，系數0.4是基于多途模型下多途的脈沖幅值不大于真實信號脈沖的倍數假設。

步驟二，周期間脈沖剔除。根據最大工作周期和最大航速所能產生的最大時延變化，每個脈沖與本陣元歷史脈沖進行比較，剔除周期間變化大于此限制的脈沖。與歷史脈沖相比，本周期的脈沖時延變化滿足的約束條件為

式中：T工作周期為系統定位工作周期，s；V航速為目標運動航速，kn。

步驟三，陣元間脈沖剔除。根據基線長度引起的陣元間最大時延差，計算兩兩陣元間的時延差，剔除陣元間變化大于此限制的脈沖，兩兩陣元間的脈沖時延差滿足的約束條件為

根據以上剔除后，所剩脈沖均滿足幅值要求、工作周期、工作航速、基線長度所能容許的最大誤差。

步驟四，時延差脈沖選取。求取與歷史兩兩陣元間時延差最小所對應的脈沖。

3）時延差相位修正。

通過上述脈沖挑選獲取到的目標脈沖求取兩兩陣元間的時延差為時延差的初測值，為進一步提高超短基線的定位精度，還需再進行相位修正，即相位差值反映到時延差的修正值，時延差初測值和時延差修正值的差值，即為時延差相位修正值：

式中：Δρ為兩兩陣元間的相位差；f0為寬帶信號的中心頻率。

3 湖試實驗與結果分析

圖3和圖4分別為自主研發的超短基線定位系統和配套的合作聲學信標。在某湖試實驗中，實現了 10～40 m淺水條件下對水下目標的超短基線定位功能。

圖3 eSTS-H超短基線定位系統Fig.3 eSTS-H USBL system

圖4 eBN801聲學信標Fig.4 eBN801 acoustic beacon

圖5 湖上試驗中的聲信號多徑效果時頻域圖Fig.5 Time-frequency domain diagram of multipath effect of acoustic signals in lake experiment

陣元1和3、2和4通道采集的原始時延差和經過附有約束條件跟蹤后的時延差分別如圖6和圖7所示。對比處理前后的時延差可以看出，通過約束條件互相關時延估計的時延差曲線的光滑度和連續性都有明顯提高。2種時延差對目標軌跡進行跟蹤定位的結果如圖8和圖9所示，藍色曲線為采用原始時延差的定位結果，紅色曲線是時延差跟蹤后的定位結果，紅色曲線的定位軌跡光滑、穩定，定位精度高。

圖6 通道1、3時延差Fig.6 Time delay difference between Channel 1 and 3

圖7 通道2、4時延差Fig.7 Time delay difference between Channel 2 and 4

圖8 x方向定位結果Fig.8 Positioning results inxdirection

圖9 y方向定位結果Fig.9 Positioning results in ydirection

4 結束語

本文提出一種附有約束條件的互相關時延差估計方法，并應用于某超短基線定位裝置。通過對原始時延差附有約束條件后的處理，提高了時延差估計值的光滑度和連續性，使最終的目標定位軌跡更加光滑、穩定，提高了定位精度。湖上試驗證明了方法的有效性和實用性，結果表明本文所提方法，在湖上淺水試驗條件下的定位效果更好。