高精度超短基線在水下定位中的應用

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1、高精度超短基線定位系統(tǒng)在水下定位中的應用張粵寧1劉鵬2（1.武漢長江航道救助打撈局，武漢430014；2.上海地海儀器有限公司，上海200233）摘要：聲學定位系統(tǒng)（AcousticPositioningSystem）的技術(shù)研究和應用開發(fā)在現(xiàn)代海洋科學調(diào)查和水下施工中起著重要作用。本文以某品牌超短基線定位系統(tǒng)為例，就超短基線（UltraShortBaseLine）聲學定位系統(tǒng)的原理、應用范圍等幾個方面展開討論，同時介紹了高精度超短基線工程中的實際應用，對使用過程中影響定位性能的主要因素進行了簡單分析。關(guān)鍵詞：超短基線水下定位1

2、概述20世紀90年代以來，世界先進國家的海洋調(diào)查技術(shù)手段逐步成熟與完善，其中超短基線（簡稱USBL）水下設(shè)備大地定位技術(shù)也獲得了長足的發(fā)展。高精度水下定位系統(tǒng)具有廣泛的用途，在海洋探測研究、海洋工程、水下建筑物施工、潛水員水下作業(yè)、水下考古、海洋國防建設(shè)等方面，都離不開水下定位系統(tǒng)為其提供高精度、高質(zhì)量的定位資料，因此高精度水下定位技術(shù)對維護國家領(lǐng)土權(quán)益和國民經(jīng)濟建設(shè)都具有重要意義。1．1關(guān)于水下聲學定位系統(tǒng)20世紀50～60年代，在國際上，隨著光、聲、磁等技術(shù)的不斷發(fā)展，在大力開發(fā)海洋自然資源和海洋工程的進程中，水下探測技術(shù)

3、得到了較大發(fā)展，相繼開發(fā)了一系列先進的、高效能的水下探測設(shè)備：在各種水下檢測的光、聲、磁技術(shù)中，由于水下光波衰減很快，即使是波長最長、傳播最遠的紅外光波在水中傳播到了幾米以后也衰減完了，而聲波和電磁波在水中有良好的傳播性，因而，聲吶、磁探和超短基線成為水下檢測的有效方法。聲學定位系統(tǒng)最初是在19世紀60年代的時候被開發(fā)出來用于支持水下調(diào)查研究。從那時起，這類系統(tǒng)便在為拖體，ROV等水下目標的定位中成為了重要角色。聲學定位系統(tǒng)能夠在有限的區(qū)域內(nèi)提供非常高的位置可重復精度，甚至在遠離海岸。對大多數(shù)用戶來說，可重復性精度要比絕對精度

4、重要。在聲學定位系統(tǒng)中，有3種主要的技術(shù)：長基線定位（LBL），短基線定位（SBL），和超短基線定位（SSBL/USBL），有些現(xiàn)代的定位系統(tǒng)能組合使用以上技術(shù)。長基線（LBL）:長基線定位能在寬廣的區(qū)域內(nèi)提供高精度的位置，它需要至少3個應答器組成的陣列部署在海底上的已知點上，水面艦只安裝一個換能器。換能器測量出到水底應答器的斜距，從而計算出自身的坐標位置。短基線（SBL）：短基線定位需要在艦船上安裝至少3個換能器陣，換能器之間的位置關(guān)系為已知，應答器安裝在需要定位的目標上，艦船上的多個換能器測量出到同一個應答器的距離，從而計

5、算出目標的位置。超短基線（SSBL/USBL）:超短基線定位的船載換能器中，有至少3個單元，應答器安裝在需要定位的目標上，換能器測量出到應答器的水平和垂直角度及斜距“這三種不同方式的聲學定位系統(tǒng)中，長基線定位（LBL）定位精度最高，但是水底布設(shè)高精度定位已知點的施工難度大且費用較高，一般使用在石油平臺監(jiān)測、水下考古打撈等需要高精度定位的工程。短基線定位（SBL）需要對船體進行改造，才能放置換能器基陣，對船只的要求使短基線的應用受一定的限制。因此，超短基線聲學定位系統(tǒng)（SSBL）的優(yōu)勢是很明顯的：只需要在船舶上安裝一個換能器及其

6、電子單元，就可以提供高精度的聲學定位。1.2超短基線定位的基本工作原理超短基線水下聲學定位系統(tǒng)是根據(jù)聲波在水中傳播的速度往返時間測量距離和同時測量相位差的方法進行定位，即是在水下發(fā)射聲波信號，依其水聽器接收陣的多個單元，按等邊三角形（或直角）布陣，水聽器之間距離只有幾厘米，將其設(shè)計裝在一個部件中，按三角形所在平面，當做基準坐標系的平面，通過測量對比水聽器單元接收的聲波信號彼此之間的相位差確定應帶其相對船艏的方位，同時測量斜距S=1/2vt,即可計算出水下應答器位置的坐標。以HPR410P為例，在SSBL中，船載換能器向應答器發(fā)

7、射脈沖訊問信號，應答器接收到訊問脈沖信號后，發(fā)射不同于訊問信號的應答脈沖信號。系統(tǒng)內(nèi)位置的計算依據(jù)測量應答器的距離和方位，解算出應答器相對于船載換能器三維空間海底位置的坐標。超短基線定位系統(tǒng)一般由聲學測量設(shè)備和數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備兩大部分組成。聲學測量設(shè)備由安裝在船體的聲學換能器和安裝在水下的聲學應答器組成，聲學換能器發(fā)射聲波信號至應答器，應答器接在收到訊問信號后，發(fā)射區(qū)別于訊問信號的響應信號回換能器，響應信號經(jīng)由通訊電纜傳輸給數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備，做進一步加工處理和計算，得到應答器相對于換能器的空間位置和深度。超短基線聲學定位原理2

8、超短基線定位的應用范圍2.1為潛水員水下作業(yè)提供高精度定位信息，確保潛水員的安全。對在建和已建長江干線航道整治工程的水下檢測目前還處于起步階段。在以往的航道施工中，水下建筑物的施工質(zhì)量檢測，主要是靠施工過程中的施工管理和水下地形測量圖及人工探摸來進行控制。尤其潛水員人工探摸，