水下声定位系统的分类与应用

水下声定位系统的分类与应用

水下噪声管理系统是指利用水下声波定位的系统，通常称为声音管理系统。利用水声定位可以高精度、准实时、连续、自动地标识水下物体的位置,对于海底地形勘探、水下航行器控制和水下遥控作业等应用领域有重要的意义。同时随着海洋开发事业和科学技术的发展,利用水声定位实现水下目标的跟踪、定位,海上石油勘探,海底管道和光缆、电缆的铺设定位及故障维修,潜航器的水下导航、水下结构施工和定位等领域得到了十分广泛的应用。水声定位技术已经研究和发展了很多年,目前水声定位的主要手段仍是依赖于几何原理的水声学定位方法。国外对声学定位系统研究较早的是挪威EongsbergSimrad公司,已有30多年的历史,法国的OCEANOTechnologies公司推出了Posidonia6000长程超短基线定位系统,工作水深6000m,最大作用距离8000m,在6000m水深30度开角范围内,测距精度为0.5%。英国的Sonardyne公司生产的长基线定位系统克服了传统的长基线定位系统的布设和校准应答器阵列所需要花费大量时间的局限性,开发了智能型COMPATT应答器,进行各对应答器之间的直接基线测量。在定位技术上,由于结构及应用原因,主要采用异步工作方式,对于同步工作方式,虽有硬件的支持,但尚需进一步的开发工作。我国目前仅有少数机构进行水声定位技术研究,与国外的发展水平具有一定的差距,大部分设备需要从国外引进。本文中首先简要概述了水声定位系统的分类,随后对当前的典型3种水声定位方式(短基线、超短基线、长基线)逐一进行分析研究,指出了各自优缺点,及相应的应用范围。1超声定位技术水声定位系统利用沿不同距离路径传播的水下声脉冲的时间差或者相位差对水面、水中目标进行定位。它的基本组成部分为基元,基元间的连线称为基线。参照,根据接收基阵中基线长度来分类,水声定位系统可以分为短基线(ShortBaseline,SBL)、超短基线(UltraShortBaseline,USBL或SuperShortBaseline,SSBL)和长基线(LongBaseline,LBL)定位系统。表1中列出了3种定位系统的分类。水声定位技术按照工作方式来划分,可以分为同步信标工作方式和应答器工作方式。表1中所述的3种定位系统都可以选择使用这2种工作方式。采用同步信标方式,要求在待测目标或者测量船上安装高精度同步时钟系统,信标按规定的时刻发射信号,并据此确定目标位置;采用应答器工作方式,要求测量平台发射询问信号,应答器接收到此信号后转发应答信号,这样完成一次定位过程。这里讲述的水声定位系统所测得目标位置坐标,是相对于某一参照物的位置而言,它需要和其他导航系统结合起来,才能给出水下目标在大地几何坐标中的位置或轨迹。通常,各种定位系统声学频带的选择是由测量目标所需的精度和其所需覆盖的范围来决定的。水声定位系统的工作频率和作用距离可以归纳成表2,当然这里所讲述的高频、超高频等频率不同于无线电中的频率,这是根据水下声波传播的性质划定的频率范围。2定位原理与定位误差分析2.1测距误差的计算短基线系统是由安装在载体不同部位的多个水听器接收声脉冲,从而定出应答器或声信标的位置。如图1与图2所示,被定位的载体上至少有3个以上的换能器组成,它们形成三角形或者四边形的基阵,基阵的坐标系和载体的坐标系通过常规测量来确定其相互关系。短基线定位的具体测量方式为:载体上的发射换能器发射询问信号,水下的应答器接收询问信号并发射应答信号,载体上的水听器阵接收来自应答器发出的信号,进而测出各水听器(H1～H4)与应答器的斜距值R,通过一定的解算关系最终获得应答器相对基阵的三维位置坐标。如果需要换算成大地坐标,则还需要配备GPS,姿态传感器(MRU),罗经(Gyro)等提供载体的位置、姿态、载体的航向值。短基线系统的测量误差来源为σ2SBL=σ2R+Rσ2MRU(1)σSBL2=σR2+RσΜRU2(1)其中:σ2SBLSBL2为短基线的总误差;σ2RR2为系统测距误差;σ2MRUΜRU2为姿态传感器测角误差;R为测量斜距;一般来说,时间测量误差可以达到相当高的精度,声速误差也不大,两者的相对误差均在10-3的量级,时间的测量误差和声速的不均匀性产生系统的测距误差较小,为式(1)中的σ2RR2。基阵的各个阵元与基阵构架虽是刚性连接,但是拆卸和组装时难免会使得实际基元位置和设计位置有偏差,同时,因受海洋环境和载体摇摆的影响,水下接收阵元的姿态并不固定,使得定位解算产生误差,为式(1)中的σ2MRUΜRU2。2.2超短基线系统的误差测量超短基线系统是短基线系统的一个变种,是20世纪后期发展起来的水声定位技术。如图3所示,超短基线定位系统确定水下目标位置是通过测量信号的到达方位和距离来定位的,而测向任务是通过测量信号到达接收基阵基元之间的相位差来实现的。超短基线系统的特点是基阵尺寸很小(一般为几厘米到几十厘米),所以其安装比较方便,特别适合于小艇上安装。超短基线系统的测量误差包括超短基线基阵测距误差、超短基线基阵姿态测量误差、测角误差、测距交会求解造成的误差、超短基线基阵阵元相位差引起的误差、声传播引起的误差、声学噪声引起的误差、超短基线基阵和应答器安装引起的误差、校准误差、水下工作环境引起的误差、载体运动速度变化引起的误差、超短基线数据和GPS数据融合时的误差等,如式(2)为σ2USBL=Rσ2θ+Rσ2<+Rσ2MRU+σ2R(2)σUSBL2=Rσθ2+Rσ<2+RσΜRU2+σR2(2)其中:σ2USBLUSBL2为超短基线的总误差;σ2θθ2为水平角测量误差;σ2<为超短基线仰角测量误差;σ2MRUΜRU2为姿态传感器测角误差;σ2RR2为系统测距误差;R为测量斜距;超短基线系统中姿态传感器测角误差、系统的测距误差的产生和短基线系统中产生的原因相同。超短基线系统是通过相位差的测量,确定信标或应答器在基阵坐标系中的位置。然而阵元之间的相位与水平角和仰角有关。水平角是基阵参考中心和信标的连线与水平的两个互相垂直基线的夹角,仰角是基阵参考中心和信标的连线与竖直方向的夹角。随着水平角的减小,阵元间的相位差增大,声速、时间以及阵元间距的误差影响愈来愈大,从而导致超短基线系统只在基阵下方一个锥度范围内斜距相对定位精度较高。根据不同的定位误差衡量标准,量值随仰角的减小趋势是不同的。超短基线的优点是集成系统低价、操作简便容易,只需一个换能器,安装方便。超短基线的主要缺点是定位精度低,测量目标的绝对位置精度依赖于外围设备精度—电罗经、姿态传感器和深度传感器。改善超短基线定位系统定位误差的方法有很多,如可以利用匹配滤波技术或者采用宽带信号可以达到很好的测时精度,提高信号的信噪比可以改善角度测量的精度,同时,增大阵元之间的间距而其他条件不变的情况下,按照如下图4所示的改进型阵元,位置测量误差减小到原来的d/D倍,则其定位精度可以提高N倍。2.3海底应答器阵位置测量长基线水声定位系统一般在海底布设3个以上的水声应答器,构成一定的几何形状,各应答器的坐标位置要进行精密测量,各基元间的间距可与海深比拟,被测定的载体一般位于应答器布放的范围以内。如图5所示,海底较远距离按照一定的几何形状布设应答器阵,相邻的三个或者四个应答器构成一个基阵。布设基阵后,安装在船上的问答机(询问/接收机)发射一定频率的信号(CommonInterrogationFrequency,CIF),对海底应答器进行询问,各应答器收到询问信号后,以其自己的频率(IndividualReplyFrequency,IRF)发射应答信号。另外一种工作方式为,问答机按一定顺序依次发射一系列频率(IndividualInterrogationFrequency,IIF)的信号,各应答器回复相同的应答频率(CommonReplyFrequency,CRF)或各自不同频率(IRF)的信号。通过测量应答器发射询问信号到接收到应答信号的时间延时,由此可以计算出问答机与各个海底应答器间的斜距,从而建立球面或双曲线等方程组,解算出舰船在应答器阵中的相对位置坐标。长基线系统的测量误差为σ2LBL=σ2R+σ2array+σ2clock(3)σLBL2=σR2+σarray2+σclock2(3)式中:σ2LBLLBL2为长基线的总误差;σ2RR2为系统测距误差;σ2clockclock2为系统时间的漂移产生的误差;σ2arrayarray2为海底应答器阵位置校准误差;R为测量斜距。为了减小海底应答器阵位置的校准误差,布放海底应答器阵时应尽可能避免出现过短的基线长度和四边形很小的锐角,即要注意海底应答器阵的阵形。短基线和超短基线系统所要确定的目标是信号或者应答器,得到的是信标或应答器相对于水听器阵元中心参考点的坐标。定位坐标轴是相对于水听器阵元的直角坐标。长基线系统和它们不同,它是利用海底应答器阵来确定载体的位置,定出的位置坐标是相对于海底应答器阵的相对坐标,可以通过海底应答器真的绝对地理坐标换算出载体在大地坐标系下的绝对位置。海底应答器阵的绝对位置必须进行位置校准,可以用无线电定位或卫星导航设备定出它们的地理位置。长基线系统的优点:独立于水深值,具有较高的定位精度;对于大面积的调查区域,可以得到非常高的相对定位精度;换能器非常小,易于安装。长基线系统的缺点在于系统复杂,操作繁琐;声基阵数量巨大,费用昂贵,需要长时间布设和收回海底声基阵;需要对海底声基阵校准测量。2.4组合系统的使用传统的3种水声定位系统有各自的优势和特点,应该根据不同的定位要求,可以各个系统单独使用,也可以有机的结合,构成组合系统。组合系统可以利用可靠的冗余,并发挥各个系统的优点,提高定位的可靠性。应用比较广泛的组合系统有:长/超短基线系统、长/短基线系统、短/超短基线系统和长/短/超短基线系统等。3水下超声定位的应用在人类对海洋进行探索和研究工作中导航定位技术一直是一项重要