超短基线水下声学定位数据处理

　　0 引言

　　水下定位技术是解决水下作业的前提与关键。目前，法国Ixsea、挪威Simrad、英国Sondardyne等公司都推出了中深水的商用超短基线水下声学定位系统产品，但对其数据的处理与应用则很少提及[1-3]。

　　国内只有少数机构在进行水声定位技术的研究，到目前为止，没有成熟的产品，大部分都限于国外引进。本文便是以“大洋一号”装备法国Ixsea公司的Posidonia 6000深水超短基线为例，在介绍超短基线定位原理的基础上，依据水下目标相对位置x、y、z3向在时间轴上各自的分布来识别定位跳点、并采用合理的数据结构与算法，实现对跳点的交互式剔除，得到可信的水下声学定位数据; 这一部分已开发出成熟的处理软件，并在中国大洋第21、22航次近700天的海上作业中得到了充分的应用[4-6]。

　　1 超短基线水下声学定位原理

　　超短基线定位系统通过测量从水下应答器( 简称目标) 到船底换能器阵(简称基阵) 的声波传播时间(简称测时) 来计算目标的斜距r，通过测量从目标到达基阵各水听器的声波相位差(简称测相) 来计算目标的俯仰角和方位角，从而确定目标相对基阵的相对位置(x，y，z); 最后通过(x，y，z)和基阵的GPS大地坐标换算出目标的大地坐标。

　　由于船底换能器基阵的尺寸很小(d<<r)，可按近似平面波场来处理; 同时依据船底换能器阵与水下目标间的几何关系，可得出[1]:

　　其中，λ为水下声波传播的波长; d为船底换能器基阵的阵元间距; ψ为船底换能器阵x轴相邻基元接收信号相位差; ξ为船底换能器阵y轴相邻基元接收信号相位差。

　　超短基线实际的测量值为斜距r和相位差ψ、ξ。斜距r通过回波测距测得，具有很高的精度; 目标的相对坐标(x，y，z)是其最终的水下大地坐标唯一的制约因素，其精度主要取决于相位差ψ、ξ的测量[2]。

　　2 超短基线水下声学定位数据处理

　　超短基线水下声学定位系统在实际的现场作业中，既会受到涌浪、风、海流等不同的自然环境影响，又会受到船载多波束、ADCP、浅地层剖面等同时作业的声学系统影响，更会受到母船船泊动力定位系统的干扰，导致不可避免的出现:

　　(1) 在其解算出的定位数据中存在跳点;

　　(2) 在动态测量环境下长时间不能给出定位数据，形成一个时段内定位数据空白的现象。

　　为满足现实作业需求，给水下目标上的各传感器提供可信的定位信息，本文依据水下目标x，y，z3向在时间轴上各自的分布，采用交互式剔除的方法来排除粗差定位点，并在此基础上介绍了基于航位推算的定位数据匹配方法，以实现对水下目标定位数据稀少时段进行补足，从而提升水下定位数据的效率。