高精度超短基線在水下定位中的應(yīng)用

1、高精度超短基線定位系統(tǒng)在水下定位中的應(yīng)用張粵寧1劉鵬2（1.武漢長(zhǎng)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：摘要：聲學(xué)定位系統(tǒng)（AcousticPositioningSystem）的技術(shù)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)在現(xiàn)代海洋科學(xué)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（UltraShtBaseLine）聲學(xué)定位系統(tǒng)的原理、應(yīng)用范圍等幾個(gè)方面展開(kāi)討論，同時(shí)介紹了高精度超短基線

2、工程中的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)使用過(guò)程中影響定位性能的主要因素進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：超短基線水下定位1概述概述20世紀(jì)90年代以來(lái)，世界先進(jìn)國(guó)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(jiǎn)稱USBL）水下設(shè)備大地定位技術(shù)也獲得了長(zhǎng)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(cè)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(guó)防建設(shè)等方面，都離不開(kāi)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

3、技術(shù)對(duì)維護(hù)國(guó)家領(lǐng)土權(quán)益和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)都具有重要意義。11關(guān)于水下聲學(xué)定位系統(tǒng)關(guān)于水下聲學(xué)定位系統(tǒng)20世紀(jì)50～60年代，在國(guó)際上，隨著光、聲、磁等技術(shù)的不斷發(fā)展，在大力開(kāi)發(fā)海洋自然資源和海洋工程的進(jìn)程中，水下探測(cè)技術(shù)得到了較大發(fā)展，相繼開(kāi)發(fā)了一系列先進(jìn)的、高效能的水下探測(cè)設(shè)備：在各種水下檢測(cè)的光、聲、磁技術(shù)中，由于水下光波衰減很快，即使是波長(zhǎng)最長(zhǎng)、傳播最遠(yuǎn)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

4、而，聲吶、磁探和超短基線成為水下檢測(cè)的有效方法。聲學(xué)定位系統(tǒng)最初是在19世紀(jì)60年代的時(shí)候被開(kāi)發(fā)出來(lái)用于支持水下調(diào)查研究。從那時(shí)起，這類系統(tǒng)便在為拖體，ROV等水下目標(biāo)的定位中成為了重要角色。聲學(xué)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(fù)精度，甚至在遠(yuǎn)離海岸。對(duì)大多數(shù)用戶來(lái)說(shuō)，可重復(fù)性精度要比絕對(duì)精度重要。在聲學(xué)定位系統(tǒng)中，有3種主要的技術(shù)：長(zhǎng)基線定位（LBL），短基線定位（SBL），和超短基線定位（SSBLUSBL），有些現(xiàn)代的

5、定位系統(tǒng)能組合使用以上技術(shù)。長(zhǎng)基線（長(zhǎng)基線（LBLLBL）:長(zhǎng)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(gè)應(yīng)答器組成的陣列部署在海底上的已知點(diǎn)上，水面艦只安裝一個(gè)換能器。換能器測(cè)量出到水底應(yīng)答器的斜距，從而計(jì)算出自身的坐標(biāo)位置。這三種不同方式的聲學(xué)定位系統(tǒng)中，長(zhǎng)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(diǎn)的施工難度大且費(fèi)用較高，一般使用在石油平臺(tái)監(jiān)測(cè)、水下考古打撈等需要高精度定位的工程。短基線定位（SBL）需

6、要對(duì)船體進(jìn)行改造，才能放置換能器基陣，對(duì)船只的要求使短基線的應(yīng)用受一定的限制。因此，超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)（SSBL）的優(yōu)勢(shì)是很明顯的：只需要在船舶上安裝一個(gè)換能器及其電子單元，就可以提供高精度的聲學(xué)定位。1.21.2超短基線定位的基本工作原理超短基線定位的基本工作原理超短基線水下聲學(xué)定位系統(tǒng)是根據(jù)聲波在水中傳播的速度往返時(shí)間測(cè)量距離和同時(shí)測(cè)量相位差的方法進(jìn)行定位，即是在水下發(fā)射聲波信號(hào)，依其水聽(tīng)器接收陣的多個(gè)單元，按等邊三角形（或直角）

7、布陣，水聽(tīng)器之間距離只有幾厘米，將其設(shè)計(jì)裝在一個(gè)部件中，按三角形所在平面，當(dāng)做基準(zhǔn)坐標(biāo)系的平面，通過(guò)測(cè)量對(duì)比水聽(tīng)器單元接收的聲波信號(hào)彼此之間的相位差確定應(yīng)帶其相對(duì)船艏的方位，同時(shí)測(cè)量斜距S=12vt即可計(jì)算出水下應(yīng)答器位置的坐標(biāo)。以HPR410P為例，在SSBL中，船載換能器向應(yīng)答器發(fā)射脈沖訊問(wèn)信號(hào)，應(yīng)答器接收到訊問(wèn)脈沖信號(hào)后，發(fā)射不同于訊問(wèn)信號(hào)的應(yīng)答脈沖信號(hào)。系統(tǒng)內(nèi)位置的計(jì)算依據(jù)測(cè)量應(yīng)答器的距離和方位，解算出應(yīng)答器相對(duì)于船載換能器三維