一种水下精确定位方法及其误差分析

　　水下精确定位可由惯性导航系统、水下GPS以及水声导航系统等完成。在当前人们对海洋的探索利用中，如海洋油气开发、深海矿藏资源调查、海底光缆管线路调查与维护以及海洋权益维护等，都需要对水下运载体进行导航定位[1]。

　　水下声学定位技术是目前在水下较短距离内进行精确导航定位时使用的主流技术，近几年来发展非常迅速。本文主要对水下声学系统的分类、原理和误差及其发展进行了讨论。

　　1 水下声学定位系统的分类

　　根据声学定位系统定位基线的长度，传统上可将定位系统分为3种类型: 长基线定位系统( long baseline，LBL) 、短基线定位系统(short baseline，SBL)和超短基线定位系统(ultrashort baseline，USBL)[1-5]。定位系统的划分如表1所示。

　　1.1 长基线定位系统

　　长基线定位系统(LBL)通常由基线长度为几千米的海底应答器阵和被定位载体上的问答机组成。根据海底应答器阵的位置便可定出运载体的位置，但是这个位置坐标是相对于海底应答器阵的相对坐标，只有已知海底应答器阵的绝对地理坐标，才能得到载体在大地坐标系的绝对位置。如图1所示，将应答器阵按照一定的几何形状布设在海底，相邻的3个或4个应答器构成1个基阵，安装在水下运载体的问答机(询问/接收机)在布设基阵后发射一定频率的信号，对海底应答器进行询问，各应答器收到询问信号后，以各自的频率发射应答信号。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，可以计算出问答机与各海底应答器间的斜距，从而建立球面或双曲线等方程组，解算出载体在应答器阵中的相对位置坐标。

　　长基线定位几何模型[6]如图2所示，在主动定位方式下，采用同步方式以球面定位法定位。基阵各阵元Bi接收安装在水下运载体S上的问答机发出的同步测距声脉冲，估计载体至各阵元的声传播时间ti，S位于以Bi为球心、cti为半径的球面上，球面的交会点即S。其定位方程为

　　式中: c是水中的声传播速度; ti为声脉冲从问答机到各基元的传输时间; (xi，yi，zi)为接收基元Bi的位置; (x，y，z)为声源S的位置。

　　在海底布放3个基元，即N=3时即可实现定位。为了提高精度，使N>3可以得到多组解，采用算术平均或最小二乘法处理可以提高精度。

　　在此模型中同步测量时，尤其是浅水条件，通常在目标载体上安装深度传感器测量目标深度z，调制后通过水声信道将其发送给各基元。这时，式(1)简化为二维，N=2时即可实现定位，同时也避免了精度较低的对于深度的声学测量。在被动定位方式下，由于目标和测站间无法同步，不能直接获得ti而实现球面定位，此时可以采用双曲面定位法，依赖水下航行体的辐射噪声对其定位。