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超短基線定位的海上應(yīng)用及精度評估O 引言 隨著海洋科學(xué)考察以及資源勘探的發(fā)展，水下調(diào)查設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛且重要。 在水下調(diào)查作業(yè)中，需要為水下設(shè)備進(jìn)行定位，提供其地理坐標(biāo)。 其中聲學(xué)定位是重要且有效的定位方法，主要包含長基線、短基線以及超短基線定位技術(shù)。 長基線系統(tǒng)構(gòu)成組件多，布放較為復(fù)雜，定位精度高； 短基線與超短基線基陣尺寸小， 安裝較方便，在水下設(shè)備定位中具有廣泛的應(yīng)用。 超短基線水聲定位系統(tǒng)確定水下目標(biāo)位置是通過測量信號的到達(dá)方位和距離來定位的， 而測向任務(wù)是通過測量信號到達(dá)接收基陣陣元之間的相位差來實現(xiàn)的，這是超短基線定位系統(tǒng)的關(guān)鍵。 超短基線系統(tǒng)在水下作業(yè)過程中，由于背景噪聲以及水下目標(biāo)的運動， 會出現(xiàn)無法跟蹤目標(biāo)， 出現(xiàn)短暫定位失效問題，造成定位數(shù)據(jù)不連續(xù)，不能完整反映水下目標(biāo)運動軌跡。本文以我國“向陽紅1O號”科考船裝備的超短基線為例，在介紹超短基線水下聲學(xué)定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)水下目標(biāo)相對位。置在空間和時間上的分布來識別定位跳點，并采用合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法，實現(xiàn)對跳點的剔除， 對數(shù)據(jù)缺失點進(jìn)行插值，得到可信 的連 續(xù) 水 下 聲 學(xué)定 位數(shù) 據(jù) ，基于 該 技 術(shù) 還 開 發(fā) 了 相 應(yīng) 的 數(shù) 據(jù) 處 理 軟 件 ， 并 在4 500 m 級 A U V 南海 海試 中得 到 了 良好 的應(yīng)用 。 由船載部分與水下應(yīng)答器構(gòu)成。船載部分包括電子控制單元和換能器基陣， 電子控制單元作為整個系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運行； 換能器基陣由一個發(fā)射換能器基元和4個接收換能器基元構(gòu)成，發(fā)射基元發(fā)射聲信號， 接收換能器基元接收來自水下應(yīng)答器的聲信號，當(dāng)水下應(yīng)答器在接收到發(fā)射基元信號后，會 發(fā)射應(yīng)答信號，基 陣的4個接收基元接收應(yīng)答信號。 通過計算不同接收換能器基元接收信號的時間差和相位差，獲得水下應(yīng)答器的具體位置。 超短基線基陣系統(tǒng)通常由一個位于中間的發(fā)射換能器2組兩兩相距約50cm的水聽器組成，通過測量水下應(yīng)答器的聲信號到達(dá)水聽器的時間差、 相位差和目標(biāo)到接收陣之間的斜距進(jìn)行定位。 其定位原理示意
圖 1 超短基線定位原理 超短基線系統(tǒng)通過測量水下應(yīng)答器到船底換能器基陣的聲波傳播時間來計算目標(biāo)的斜距r ，通過測量從目標(biāo)到達(dá)基陣各水聽器的聲波相位差來計算目標(biāo)的俯仰角和方位角，從而確定目標(biāo)相對基陣的相對位置 。 2 超短基線定位系統(tǒng)的校準(zhǔn)和精度評估 本文對安裝在“向陽紅 10 ”號船上的超短基線定位系統(tǒng)進(jìn)行了校準(zhǔn)分析，對采集的原始數(shù)據(jù)的異常值進(jìn)行剔除、平滑等處理，對其定位精度進(jìn)行評估。 最后將位置信息和深度信息融合，轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)下，生成目標(biāo)體高精度的三維定位數(shù)據(jù) 。 2． 1 校準(zhǔn)和精度評估方法 超短基線定位系統(tǒng)在船上安裝好以后， 由于安裝在船底的超短基線換能器基陣的三維坐標(biāo)系與船體的三維坐標(biāo)系不一致，有所偏差， 因此需要通過對基陣的校準(zhǔn)來求出基陣坐標(biāo)系相對于船體坐標(biāo)系在X 、y 和 z 三個方向上的偏差角， 確保超短基線定位的可靠性 ，提高其定位精度 。 習(xí)慣上認(rèn)為基陣的X軸相對船體的偏差角為艏向偏差角、基陣的y軸相對船體的偏差角為縱搖偏差角、基陣的z軸相對船體的偏差角為橫搖偏差角 。 超短基線基陣進(jìn)行校準(zhǔn)前，先在試驗海域進(jìn)行CTD聲速剖面測量，給超短基線定位系統(tǒng)提供聲速剖面數(shù)據(jù)； 超短基線基陣的校準(zhǔn)地點選擇海底較為平坦、水深約1500 1TI左右的區(qū)域 。 開始校準(zhǔn)時 ，將投放于海底的超短基線聲學(xué)應(yīng)答器作為校準(zhǔn)應(yīng)答器，保證羅經(jīng)信號中艏向偏差角的精度在0. 1。 以內(nèi) 、縱搖偏差角和橫搖偏差角的精度在0.01。以內(nèi)。 然后通過升降桿將超短基線基陣放至船底以下2m ，在系統(tǒng)調(diào)試正常后，為確保工作母船船底聲學(xué)基陣工作的安全穩(wěn)定，工作母船在應(yīng)答器的上方以2～ 3 kn的速度 按照“8”字形的軌跡運動2個周期，第1個周期的數(shù)據(jù)用于計算船底聲學(xué)基陣相對于船體坐標(biāo)系的偏差矩陣，第2個周期的數(shù)據(jù)用于計算船底聲學(xué)基陣坐標(biāo)系相對于船體坐標(biāo)系在3 個坐標(biāo)軸方向上每個夾角的偏差。
2015年7月， 選擇在南海進(jìn)行超短基線基陣的校準(zhǔn)及精度評估試驗，在良好的海況下，取得2組“8 ”字?jǐn)?shù)據(jù) ，列為A、B兩組，應(yīng)答器的定位數(shù)據(jù)分布情況如圖3和圖4 所示。 從圖中可以看出，第 1 次校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)較為分散， 主要分布在200 m × 200 m 的矩形范圍內(nèi)；第2次校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)較為集中，主要分布在2Om X2Om的矩形范圍內(nèi)。 數(shù)據(jù)情況分析如表1所示 ，兩組數(shù)據(jù)的有效數(shù)據(jù)比例都在80以上，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。
圖 3聲 學(xué)應(yīng)答器校準(zhǔn)的第1次定位數(shù)據(jù)分布圖
圖 4 聲學(xué)應(yīng)答器校準(zhǔn)的第2次定位數(shù)據(jù)分布圖
表 1 基陣的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)情況分析表 2.3 超短基線定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件在海上的應(yīng)用 為方便科考隊員在海上進(jìn)行超短基線數(shù)據(jù)的快速處理，基于M atlab程序開發(fā)了一 款超短基線數(shù)據(jù)后處理軟件，該軟件先對聲學(xué)應(yīng)答器定位跳點數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，然后對剔除后的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波， 并可以保存處理后的數(shù)據(jù)，并成圖 。 圖5是目標(biāo)體定位的原始數(shù)據(jù)，圖6是經(jīng)該軟件處理后的數(shù)據(jù)。
圖 5 聲學(xué)應(yīng)答器的原始定位數(shù)據(jù)
圖 6 經(jīng)過軟件處理后的數(shù)據(jù) 從圖5和圖6的對比中可以看出， 經(jīng)過軟件處理后的數(shù)據(jù)，跳點明顯減少，數(shù)據(jù)曲線也光滑許多， 提高了超短基線定位數(shù)據(jù)的處理效率。 3 小 結(jié) 超短基線定位系統(tǒng)能方便快速地對水下目標(biāo)進(jìn)行定位，經(jīng)超短基線基陣的海上校準(zhǔn)試驗，驗證了該基陣的測量精度能滿足海上設(shè)備的水下定位要求，超短基線的數(shù)據(jù)后處理軟件也能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理。由于受海況、船舶噪聲、 GPS 信號、 羅經(jīng)信號等的影響 ，導(dǎo)致2次校準(zhǔn)的差值較大，另可能因基陣安裝位置的原因?qū)е驴v搖偏差 角也較大，需要后期在基陣維護(hù)上注意。目前，數(shù) 據(jù)后處理軟件只能進(jìn)行簡單的處理，未能做進(jìn)一 步的差值處理、 誤差分析以及精度評估等，有待進(jìn)一 步的改進(jìn)。 |
