超短基线定位系统应用及其误差分析

杨正请 高阳 刘振宇

摘要：声学定位系统技术的研究和应用开发在现代海洋科学调查中起着重要作用。本文以超短基线定位系统为例，讨论了超短基线声学定位系统的原理、应用范围、定位误差；通过最大程度地减少误差来提高系统的定位精度，从而获取高质量的海洋科研调查资料。

关键词：声学定位系统；超短基线；误差

1 引言

水下声学定位技术是随着声纳的发明开始出现的。声波在水中能够传播几百公里而没有明显的损失，因此水下主要采用声学系统进行定位和导航。声学定位是海洋科学考察、海洋资源勘探、海洋资源开发等工程的必备手段，它能够提供海底勘查设备如ROV的定位和导航。从20世纪70年代开始，国际上逐渐形成了超短基线定位系统（USBL/SSBL）、短基线定位系统（SBL）和长基线定位系统（LBL）。

定位系统由声学测量设备和数据采集与处理设备两大部分组成。声学测量设备由水下拖体的声学应答器和安装在船体水下的换能器及声学信号处理机所组成，以设定的时间间隔连续测量目标的相对方位和距离，数据处理设备实时完成数据采集和定位坐标计算。声学设备的换能器发射声波信号至应答器，应答器接在收到讯问信号后，发射区别于讯问信号的响应信号，经测量设备的软件处理后得到水下目标的相对方位和距离。这些测量数据经由通讯电缆传输给数据采集处理设备，做进一步加工处理和计算，最后得到目标的大地坐标数据或相对位置数据。

2超短基线定位系统原理及误差分析

基于基线的水下定位系统主要是通过基线构成一个相对的测量参考基准，在此参考基准下，测量各个水声信号传播的延迟或延迟差，依据声音信号在水中的传播速度，间接测量声源到达基线水听器的距离或者距离差。

2.1超短基线定位误差

超短基线定位系统由声基阵、声标、主控系统和外部设备等组成。声基阵一般由两对相互正交的水听器和一个发射换能器组成，基阵孔径为几厘米至几十厘米，置于船底或船舷；声标内置电源、收发电路、换能器和压力传感器等，通过测定与声基阵不同水听器之间的距离和声脉冲到达的相位差来确定声标相对于声基阵的位置；外部设备主要包括高精度航向、纵横摇改正的运动传感器（MRU）和声速剖面测量仪等。

图1 超短极限定位原理

如图A、B、C、D为四个相互垂直分布的水听器，M为目标发射声源。在AMC平面中，由于AC之间的距离d很小，声源M到基線阵的距离L >>d，则可以近似将声源信号看成平面波信号，即到达两点的声线近似平行。设M点发射的声信号到达A点和C点的入射角为β，则声信号到达A点和C点时存在行程差ΔR，它与声脉冲信号入射角β之间存在下列关系：

水听器A、C存在相位差：

同理，对另外一组与A、C垂直的水听器B、D则：

在超短基线阵所构成的坐标系中

对上式分别求微分得：

由于该方法中包含了距离比例因子D/L，定位精度将随着声源距离的变化而变化，当距离增大，定位精度显著恶化，当测相存在误差时，坐标的误差将以距离相关的系数变化，所以超短基线只适合短距离的定位。

2.2 船只姿态对测量影响

船只航行时航行轨迹的瞬间变化是与气候和海况好坏有着直接关系，超短基线定位计算的瞬间起算大地坐标是通过GPS提供的，换能器安装在摇摆不定的调查船上，随着船只摆幅的大小变化，定位航迹与实际航迹并不完全一致。如不考虑GPS自身定位误差的影响，依其接收天线安装高度，船只姿态对GPS的影响亦是不可忽视的因素，所以，这样的瞬间位置变化直接传递给超短基线声学定位系统确定计算拖体位置的大地坐标，显然有较大的误差影响。因此，平滑航行轨迹和瞬间位置改正计算是完全必要的。一般来说，数据平滑适合于平直测线，瞬间位置改正计算才是比较理想的，但需要在船上安装姿态运动垂直参考传感器，如MRU，TSS等设备，用来测定船只瞬间横摇，纵摇和起伏值的变化，由计算机进行修正，以将误差减少到最小并求得准确位置。

图2 船体摇摆引起的定位误差

船纵倾角为A，横摇角为B，GPS天线至水平面高度为R， 和 为船只姿态的待改正坐标，即以船艏向为坐标轴的修正量 ， 为：

计算时可先求得以船艏向为坐标轴的旋转坐标 ， 量 ， 其计算式为：

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、超短基线基阵阵元的相位差引起的误差、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数据融合是的误差等。

其中， 为超短基线系统的总误差， 为水平角测量误差， 为仰角测量误差， 为姿态传感器测角误差， 为系统测距误差，R为测量斜距。

3小结

声学定位系统的技术研究和应用开发在现代海洋科学调查中起着重要作用。本文以超短短基线定位系统为例讨论了超短基线声学定位系统的原理、应用范围、超短基线定位误差，过最大程度地降低减少误差，高系统的定位精度，而获取高质量海洋科研调查成果。

参考文献

[1] 张修志，张吟. 超短基线水声定位系统基阵安装误差校准方法研究[J].水雷战与舰船防护. 2012（03）.

[2] 刘文勇，江林，钱立兵，张慧滨. 超短基线水下定位校准方法的探讨与分析[J]. 测绘通报. 2011（01）.

[3] 金鑫. 超短基线定位系统检测技术研究[D].哈尔滨工程大学 2008.

[4] 赵民召. 超短基线定位系统显控及算法实现技术研究[D].哈尔滨工程大学 2008.

[5] 庞雷. 高精度水下定位系统[D].西北工业大学 2007.

作者简介：杨正清（1987-），男，山西晋中人，工程师，从事海洋测绘技术研究工作。

（作者单位：1.天津水运工程勘察设计院；

2.青岛光电工程技术研究院

3.天津市水运工程测绘技术重点实验室）