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單信標(biāo)水聲定位技術(shù)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用展望0 引言 21世紀(jì)是海洋世紀(jì)，世界強(qiáng)國必然是海洋強(qiáng)國。中國海岸線長達(dá) 1.8 萬多千米，擁有油氣、礦產(chǎn)、生物等豐富的海洋資源，同時也面臨著嚴(yán)峻的海洋權(quán)益挑戰(zhàn)。各類以認(rèn)識海洋、開發(fā)海洋為目的的海洋調(diào)查、地質(zhì)勘測、工程建設(shè)及保障項(xiàng)目必然需要導(dǎo)航定位[1]，潛艇、水面艦艇的調(diào)遣、作戰(zhàn)航行等軍事活動，也離不開導(dǎo)航定位。然而，由于海水介質(zhì)對電磁波的強(qiáng)吸收屏蔽效應(yīng)影響，電磁波水 下 傳 播 距 離 十 分 有 限 ， 全 球 衛(wèi) 星 導(dǎo) 航 系 統(tǒng)（ global navigation satellite system, GNSS）不再適用于水下導(dǎo)航，聲波成為水下信息傳遞的主要方式，水聲定位技術(shù)也成為水下導(dǎo)航定位的重要手段[2]。 傳 統(tǒng) 的 水 聲 定 位 系 統(tǒng) 主 要 包 括 超 短 基 線（ ultra-short baseline, USBL）系統(tǒng)和長基線（ longbaseline, LBL）系統(tǒng)。超短基線定位系統(tǒng)一般基線長度小于 1 m，系統(tǒng)構(gòu)成簡單、體積小，便于基線布放和回收，但需做大量的校準(zhǔn)工作，且定位精度與斜距相關(guān)[3]； 長基線定位系統(tǒng)多在海底布設(shè) 3 個以上的基點(diǎn)信標(biāo)，基線長度為 100~6 000 m，其定位精度與深度無關(guān)，不需要連接外部設(shè)備，定位精度相對較高。由于在 1~10 kHz 的頻率范圍內(nèi)，淺海的環(huán)境噪聲譜級基本上在 40~70 dB 之間，且隨著頻率的降低，環(huán)境噪聲隨之增大，1 kHz 以下的環(huán)境噪聲達(dá)到 70 dB 以上。 目前水聲定位系統(tǒng)工作頻率一般在 10~30 kHz，最大測距距離為 10 km 左右，定位精度不優(yōu)于 0.15%×D（ D 為作用距離）。隨著海洋研究和開發(fā)的發(fā)展，未來要實(shí)現(xiàn)百萬米級以上遠(yuǎn)距離隱蔽水聲導(dǎo)航定位，系統(tǒng)工作頻率需在 1 kHz 以下[4]，傳統(tǒng)的長基線和超短基線水聲定位系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，信標(biāo)數(shù)量要求多，覆蓋區(qū)域小，利用效率低等特點(diǎn)，無法滿足長時間遠(yuǎn)距離定位需求；而基于單信標(biāo)測距的定位技術(shù)，能簡化定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少信標(biāo)的標(biāo)校次數(shù)、數(shù)量及回收成本，節(jié)約母船同步跟蹤能耗， 提高信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的利用效率，是水下導(dǎo)航的發(fā)展趨勢，也是未來全海域聲學(xué)定位發(fā)展的一個新的研究方向[5-6]。 1 單信標(biāo)水聲定位技術(shù)概述 根據(jù)定位原理的不同， 基于單信標(biāo)的水聲定位方法主要分為兩大類： 1）基于距離及水下航行器運(yùn)動速度及姿態(tài)等信息，建立定位方程解算目標(biāo)位置。通過測量航行器在至少 3 個不同位置接收定位報文的時間，獲取不同位置時航行器與信標(biāo)的距離信息，再聯(lián)合航行器運(yùn)動姿態(tài)數(shù)據(jù)構(gòu)建定位方程，解算航行器位置。單信標(biāo)虛擬長基線定位方法即是利用斜距、速度及航向角等信息進(jìn)行定位的。 2）基于濾波技術(shù)對水下載體位置進(jìn)行跟蹤定位。將水下載體當(dāng)前狀態(tài)量與之前狀態(tài)量輸入至設(shè)計的濾波器中，預(yù)測水下載體當(dāng)前最優(yōu)估計量，確保估計量與載體真實(shí)位置之間方差最小。 2 單信標(biāo)虛擬長基線定位方法及研究現(xiàn)狀 根據(jù)水聲定位原理，單次距離測量只能得到水下載體所在的球體位置，必須聯(lián)合 AUV 等航位或姿態(tài)信息進(jìn)行單信標(biāo)定位。在單信標(biāo)水聲定位系統(tǒng)中，初始位置已標(biāo)定的聲信標(biāo)被固定在水下或者海底。單信標(biāo)虛擬長基線定位原理圖如圖 1 所示。
圖 1 單信標(biāo)虛擬長基線定位原理圖 假設(shè)水下布放的單信標(biāo) Bs 在大地坐標(biāo)系下的地理位置為 Xt =[ xt, yt zt ] 水下載體運(yùn)動從 p1 位置至p4 位置時，其在大地坐標(biāo)系下的地理位要解算水下載體 p4 位置，對應(yīng)的聲學(xué)測距觀測方程為
式中： d1 、 d2 、 d3 、 d4 為水下載體運(yùn)動至 p1 、 p2 、p3 、 p4 位置時與聲信標(biāo) Bs 的距離； T 為水下載體測距周期， 第 i 個測距周期時水下載體在大地坐標(biāo)系。
式（2）相當(dāng)于將水下載體的運(yùn)動參數(shù)轉(zhuǎn)移給了實(shí)際布放的聲信標(biāo)，從而構(gòu)建出 3 個虛擬信標(biāo)B1 、 B2 、 B3 ，此時測距方程與傳統(tǒng)長基線定位物理模型完全相同。理論上，若載體運(yùn)動測量量沒有誤差， 則單信標(biāo)虛擬長基線與 LBL 定位精度相同。 若要對水下載體任意位置進(jìn)行定位解算， 可以利用任意前 i 個測距周期信息，則第 i 個測距周期對應(yīng)的測距方程可以寫成 根據(jù)上述測距方程， 可以得到一組二次非線性方程，采用常規(guī)最小二乘法，即可解算得到水下載體的當(dāng)前位置nX 的最優(yōu)解[3]。 2.2 虛擬長基線定位技術(shù)研究現(xiàn)狀 1）基于純距離測量值組合模式，其運(yùn)動模型復(fù)雜程度及非線性度一般較低。文獻(xiàn)[12]提出，當(dāng)AUV 運(yùn)動到不同位置時， 安裝在其底部的水聽器，可接收來自水下聲源周期性發(fā)出的信號，從而形成多個虛擬水聽器矩陣。 在每個虛擬 LBL 窗口中，通過頻域加權(quán)互相關(guān)的方法，獲得從聲源到每個虛擬水聽器的時間差。將 3 個以上虛擬水聽器的時間差轉(zhuǎn)化為距離值，即可建立類似 LBL 運(yùn)動方程，迭代計算得到水下機(jī)器人當(dāng)前位置。 3）基于距離+方位測量值組合模式，這類組合模式在水聲慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)使用廣泛。文獻(xiàn)[14]針對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的累積誤差問題，以單信標(biāo)測距、速度和航向角信息為觀測對象，建立了一種基于間接測量的單信標(biāo)輔助 AUV 導(dǎo)航模型，并分析得到位置的閉合表達(dá)式。 由于信標(biāo)標(biāo)定的初始位置、聲學(xué)測距、載體姿態(tài)角等測量誤差，載體運(yùn)動速度、測距周期以及虛擬信標(biāo)分布等都會影響到定位結(jié)果，不同位置、不同運(yùn)動狀態(tài)的水下載體定位精度及其分布各異。針對定位誤差模型及影響方面，文獻(xiàn)[15]分析了單信標(biāo)導(dǎo)航方式中的聲速測量、信標(biāo)位置、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（ inertial navigation system, INS）以及 AUV接收信號的到達(dá)時間（ time of arrival, TOA）等幾類典型誤差；仿真結(jié)果表明，信標(biāo)位置與 TOA 測量誤差的魯棒性較弱，對導(dǎo)航精度影響較大。文獻(xiàn)[16]較系統(tǒng)地分析了聲線彎曲、傳播時延、航行速度、收發(fā)異步，對單信標(biāo)測距誤差的影響，測距誤差與時延估計誤差、載體航行速度成正比，聲信號發(fā)射接收異步引起的測距誤差比較大。仿真結(jié)果表明，水下載體航行速度為 1 m/s 時，水平定位誤差就達(dá)到幾米。文獻(xiàn)[17]通過建立靜基座捷聯(lián)式 慣 性 導(dǎo) 航 系 統(tǒng) （ strapdown inertial navigationsystem, SINS）誤差方程，研究載體姿態(tài)角SINS位置誤差的影響；仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在[0, 5°]范圍內(nèi)，載體航向角對經(jīng)度誤差漂移的影響最大，其次為橫滾角，俯仰角影響最小。針對定位精度提升方面，文獻(xiàn)[3]建立了單信標(biāo) VLBL 定位模型，解決虛擬信標(biāo)幾何分布不理想情況下位置解算發(fā)散問題， 提出聲學(xué)雙精度差值最優(yōu)化的航向角補(bǔ)償方法，并利用穩(wěn)健卡爾曼濾波（ Kalman filter, KF）克服收發(fā)非共點(diǎn)影響；海試試驗(yàn)驗(yàn)證了虛擬測距信標(biāo)的定位方法的可行性和有效性，單信標(biāo)定位結(jié)果與組合導(dǎo)航的偏差為 (18.57 8.24) ± m，定位精度約為 1.4%。文獻(xiàn)[18]海試結(jié)果表明，通過廣義差 分 全 球 定位 系 統(tǒng) （ global positioning system,GPS） （ GPS 的定位精度約 2 m）定位的測量船，采用等效平均聲速法，校準(zhǔn)水下單信標(biāo)位絕對位置，水平位置精度可達(dá)到 5 m 以內(nèi)。文獻(xiàn)[19]分析了 AUV 水下單信標(biāo)定位系統(tǒng)誤差來源，提出針對噪聲空間基于分布密度進(jìn)行聚類的算法（ densitybased spatial clustering of applications with noise,DBSCAN）修正信標(biāo)位置。仿真結(jié)果表明，經(jīng)該算法修正后，信標(biāo)平均水平定位誤差從 3.662 1 m 減少到 2.101 9 m，減小了 42.6%。文獻(xiàn)[20]對比分析了單信標(biāo)、雙信標(biāo)、三信標(biāo)輔助慣導(dǎo)系統(tǒng)時的性能差異。試驗(yàn)結(jié)果表明，目標(biāo)水平方初始位置誤差為[10 m,10 m]時，利用單信標(biāo)距離信息輔助慣導(dǎo)系統(tǒng)之后，定位精度修正在 5 m 以內(nèi)。文獻(xiàn)[21]提出利用 VLBL 技術(shù)輔助 SINS 定位的組合導(dǎo)航方式；仿真實(shí)驗(yàn)表明，在純慣導(dǎo)作用下， AUV 定位誤差均值為 13.344 5 m，利用分層等梯度聲速跟蹤算法、加權(quán)互相關(guān)算法及周期移動時間窗 VLBL 修正后，定位誤差均值降低為 1.881 4 m。研究表明，信標(biāo)標(biāo)定誤差、 TOA 測量誤差以及 AUV 信號發(fā)射接收異步對定位誤差影響較大，利用 VLBL 定位技術(shù)輔助慣性系統(tǒng)導(dǎo)航，能有效修正位置誤差，提高AUV 水下組合導(dǎo)航定位精度。 3 單信標(biāo)位置跟蹤定位方法及研究現(xiàn)狀 單信標(biāo)虛擬長基線定位采用了球面交匯常規(guī)解算模式，具有較高的定位精度，但系統(tǒng)更新速率較低、穩(wěn)定性較差。現(xiàn)代濾波算法及理論較為成熟，選取合適的濾波器進(jìn)行改進(jìn)可有效地提升定位精度。 KF 技術(shù)可分析 AUV 的運(yùn)動狀態(tài)， 將 AUV運(yùn) 動 航 向 姿態(tài) 數(shù) 據(jù) 和 聲學(xué) 測 距 數(shù) 據(jù)進(jìn) 行 信 息 融合，構(gòu)建載體運(yùn)動跟蹤模型，更穩(wěn)定、更高速率地更新定位結(jié)果，從而降低了目標(biāo)運(yùn)動對定位精度的影響。常規(guī)的卡爾曼濾波適用于觀測線性系統(tǒng)；擴(kuò)展卡爾曼濾波（ extended Kalman filter, EKF）通過泰勒級數(shù)展開，同時忽略二階以上的高階非線性項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)函數(shù)線性化處理。由于 AUV 與單信 標(biāo) 之間 的位 置 觀測 方程 為 非線 性模 型 ，且AUV 常做勻低速運(yùn)動，機(jī)動性弱， EKF 算法應(yīng)用最為廣泛。 在單信標(biāo)水聲定位系統(tǒng)中， 初始位置已標(biāo)定的聲信標(biāo)被固定在水下或者海底，水下 AUV 深度可由壓力傳感器精確測得時，定位問題可簡化為平面求解問題[22]。 AUV 平面運(yùn)動模型如圖 2 所示。
圖 2 AUV 平面運(yùn)動模型 在使用濾波方法處理信息融合問題時， 先要建立能夠準(zhǔn)確反應(yīng)系統(tǒng)發(fā)展規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，即目標(biāo)系統(tǒng)準(zhǔn)確的狀態(tài)方程和量測方程�？紤]洋流速度（假設(shè)為常數(shù)）影響下，系統(tǒng)狀態(tài)方程[23]為
式（4）經(jīng)離散化得到
給定 AUV 初始位置坐標(biāo)和估計均方誤差，根據(jù) k 時刻的量測值 Rk ，依據(jù) EKF 計算公式，可推算得到 AUV 的位置估計值。 3.2 位置跟蹤定位研究現(xiàn)狀 單信標(biāo)位置跟蹤定位方法中， 可采用不同的量測值進(jìn)行組合建立運(yùn)動模型，一般包括水下移動節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)之間的距離及自身速度信息，即可實(shí)現(xiàn)位置跟蹤。文獻(xiàn)[24]基于信標(biāo)與航行器的距離值、航向角和相對水流速度，設(shè)計 EKF 跟蹤預(yù)測航行器當(dāng)前位置及洋流速度。文獻(xiàn)[25]通過 GPS對海面單信標(biāo)位置進(jìn)行標(biāo)定，以斜距和水下移動節(jié)點(diǎn)的航位信息作為測量量，建立移動節(jié)點(diǎn)運(yùn)動模型，分析對比了基于 EKF 和粒子濾波的位置估計方法，并試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。文獻(xiàn)[26]中， AUV 需搭載慣性測量單元獲取航位信息，將AUV 航位推算結(jié)果與聲波的傳播時間作為輸入，建立包含偏差的 EKF， 實(shí)現(xiàn)位置跟蹤。 文獻(xiàn)[27]結(jié)合聲線軌跡推導(dǎo)出斜距和傳播時延，提出水下移動節(jié)點(diǎn)在異步條件下的被動定位模型，解算出與單信標(biāo)的相對距離以及自身的航行速度、航向角等參數(shù)變量，利用 EKF 算法降低定位過程中的累積位置誤差。文獻(xiàn)[28]分析了不同輔助測量值下系統(tǒng)的可觀性，指出偏航角和距離值二者組合是系統(tǒng)可觀測的最簡量測組合。 4 單信標(biāo)定位技術(shù)分析與應(yīng)用展望 前文介紹的不論是單信標(biāo)虛擬長基線， 還是位置跟蹤定位方法，研究學(xué)者大多是在聲學(xué)范疇內(nèi)，圍繞系統(tǒng)可觀測性、定位建模、誤差分析及定位精度、組合導(dǎo)航系統(tǒng)中數(shù)據(jù)融合等內(nèi)容展開了一系列研究，仿真驗(yàn)證了單信標(biāo)水聲定位技術(shù)的可行性及算法的有效性；在單信標(biāo)距離信息輔助慣導(dǎo)定位方面，主要采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn)行位置跟蹤，取得了一定成果，但開展實(shí)驗(yàn)較少，實(shí)驗(yàn)距離短，且缺乏長航時、大范圍的水下航行器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，定位精度比 LBL 定位技術(shù)約低 1 個數(shù)量級。 基于單信標(biāo)水聲定位的部分關(guān)鍵技術(shù)仍需進(jìn)一步在以下 3 個方面進(jìn)行深入研究： 1）在定位方法上，目前單信標(biāo)定位技術(shù)研究的多是基于固定布放于海底的單信標(biāo)，未來可以向移動單信標(biāo)水聲定位或多運(yùn)動載體協(xié)同定位方向拓展。 2）在定位精度上，航行器與信標(biāo)時間同步、信號傳播時延、聲線彎曲、非共點(diǎn)測距等問題值得深入；信標(biāo)標(biāo)定位置、 TOA 測量誤差、信號發(fā)射接收異步情況對定位誤差影響較大，信標(biāo)位置、TOA、 航行速度與運(yùn)動姿態(tài)等多信息聯(lián)合跟蹤定位方法也值得進(jìn)一步研究。 3）在數(shù)據(jù)融合方法上，可以建立水下載體不同機(jī)動狀態(tài)的運(yùn)動模型，研究分析不同運(yùn)動狀態(tài)下系統(tǒng)自適應(yīng)跟蹤性能。當(dāng)測量方程的非線性程度較為嚴(yán)重時，嘗試運(yùn)用更多如無跡卡爾曼濾波和粒子濾波等不受非線性影響的濾波方法[29]。 4.2 單信標(biāo)定位技術(shù)應(yīng)用展望 1）單信標(biāo)定位與水下授時技術(shù)協(xié)同發(fā)展。在單信標(biāo)水聲定位系統(tǒng)中，常假定信標(biāo)與 AUV 時間同步，但 TOA 測量誤差是影響定位精度的主要因素。水聲信號傳播速度低，時間延遲大，國內(nèi)水下授時相關(guān)技術(shù)能達(dá)到的精度約為亞毫秒級，與衛(wèi)星授時精度更是相差約 6~7 個數(shù)量級，水下授時能力嚴(yán)重不足。要建立重點(diǎn)海域甚至是全球海域統(tǒng)一的時空基準(zhǔn)，高精度的單信標(biāo)授時技術(shù)必然是水下 PNT 體系重要支撐。鑒于水下測距精度與時間精度二者息息相關(guān)，聯(lián)合開展水下單信標(biāo)定位與水下授時技術(shù)研究，對于提升單信標(biāo)定位精度，實(shí)現(xiàn)水下 PNT 體系建設(shè)具有現(xiàn)實(shí)意義。 2）單信標(biāo)定位與超短基線定位系統(tǒng)一體設(shè)計。隨著深海勘探任務(wù)從錳、鈷結(jié)核發(fā)展到尋找熱液等，深海作業(yè)領(lǐng)域需要更為精確的定位結(jié)果，長基線定位系統(tǒng)精度高，但信標(biāo)陣列投放和回收成本高，使用單信標(biāo)定位能有效減少作業(yè)成本。基于單信標(biāo)與超短基線的組合定位系統(tǒng)，定位精度即獨(dú)立于工作水深，又兼具超短基線機(jī)動靈活的特點(diǎn)，可以對水下載體實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近不同區(qū)域連續(xù)高精度導(dǎo)航定位[37]。英國聲吶達(dá)因（ Sonardyne）公司推出的組合定位系統(tǒng) AvTrak 6 Nano，將 LBL 和 USBL 技術(shù)組合在一起，利用海底應(yīng)答器陣列為 AUV 提供高精度參考位置， 并通過 USBL 技術(shù)進(jìn)行水面跟蹤，系統(tǒng)工作深度達(dá) 7 000 m， 測距精度優(yōu)于 15 mm[38]。 單信標(biāo)水聲定位技術(shù)集成慣導(dǎo)， 可作為遠(yuǎn)程引導(dǎo)測量的一種重要手段，提升慣導(dǎo)定位性能。如法國愛科斯布魯（ iXblue）公司推出的 RAMSES 型長基線定位系統(tǒng)，能夠與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和 DVL 組合使用，在 1 個應(yīng)答器的情況下，將聲波距離與慣導(dǎo)導(dǎo)航方程融合，得到 LBL 的稀疏位置，作用距離可達(dá) 4 000 m，定位精度可達(dá)分米級別[41]。 4）單信標(biāo)定位系統(tǒng)與海洋傳感器模塊集成。各類海洋環(huán)境要素是人類認(rèn)識海洋、開發(fā)海洋必不可少的重要數(shù)據(jù)源，海洋傳感器在長期的觀測中，傳感器穩(wěn)定性、漂移、準(zhǔn)確度以及采集的數(shù)據(jù)信息，需要利用水下通信手段進(jìn)行傳遞。單信標(biāo)水聲定位系統(tǒng)與傳感器集成化、一體化設(shè)計，可以有效提高系統(tǒng)使用便捷性及作業(yè)效率。挪威康斯博格（ Kongsberg）集團(tuán)推出的 cNODE 系列聲學(xué)應(yīng)答器，頂端是收發(fā)換能器，并可以根據(jù)實(shí)際需求選擇壓力、聲速、溫度、傾角等傳感器模塊靈活裝配 [42]。 5 結(jié)束語 班寧產(chǎn)品匯總 |
