长基线声学定位系统发展现状及其应用

【编者按：声学定位技术是各类水下潜器的必备技术之一。本文重点介绍了水下长基线声学系统的组成、工作原理及国内外发展现状，分析了该技术的应用方向，为我国长基线声学定位技术的发展和应用提供参考。发表在《海洋测绘》2014年第1期上，水下声学定位技术关乎着载人深潜器等下潜系统海洋信息空间位置的获取，在我国开展“数字海洋”战略中扮演着非常重要的角色，是当前海洋观测和信息获取的必备技术之一。宁津生，1932年出生，男，安徽桐城人，大地测量学家，中国工程院院士，主要从事大地测量相关理论和方法研究。吴永亭，1969年出生，男，山东莱西人，博士，工程技术带头人，国家海洋局第一海洋研究所，主要从事主要从事导航定位、数据处理等方面的研究。】

文/宁津生 吴永亭 孙大军

一、引言

我国载人深潜器“蛟龙”号的成功研制实现了历史性的突破，数次下潜为我国科学家提供了宝贵的海洋信息。随着深远海海洋科学及海洋资源开发的需求，无人缆控机器人ＲOV (remote operated vehicle)、自航深潜器AUV(autonomous underwater vehicle)、无人深潜器UUV (unmanned underwater vehicle)、载人深潜器MSV(manned submersible vehicle)及拖曳海洋测量TMS(towed-array marine survey)等下潜系统取得了快速的发展，为人类研究海洋提供了极佳的观测平台，尤其是AUV、UUV、MSV 等系统，还反映着一个国家深海探测技术的水平高低。这些系统在工作中，水下声学定位技术担负着系统的导航、定位、跟踪等工作，关系着海洋信息的空间位置正确与否、系统和人员的安全、工程效益等。水下声学定位包括超短基线(ultra short baseline，USBL)、短基线(short baseline，SBL)、长基线(long baseline，LBL)等系统，LBL因其定位精度高、作用范围大，已经成为上述各类下潜系统的必备技术之一。

二、LBL声学定位系统组成及工作原理

LBL 声学定位系统一般由三大部分组成，即安装在水面母船的数据处理及控制系统、安装于定位目标或母船上的收发器以及布放在海底的由多个收发应答器组成的海底基阵。目标上的收发器和海底基阵阵元大多都集成有温盐深仪(CTD)，可以精确获得测量点的声速和深度。此外，海底基阵收发应答器大多都集成有声学释放机构，便于基阵布放及回收。除了上述主要部分外，根据LBL绝对定位要求，母船上还需安装水面GNSS定位系统、电罗经、声速剖面仪、姿态补偿装置等外围支持设备。

如上图所示，以最简单的三阵元海底基阵网为例，目标上的收发器向海底基阵发出测距询问声信号并接收其应答声信号，通过这种“询问－回答”，测量目标到各阵元的往返时间计算各阵元与收发器的距离，通过距离交汇获得目标的位置。记阵元A、B、C的坐标为(X₁，Y₁，Z₁)、（X₂，Y₂，Z₂) 和(X₃，Y₃，Z₃)，阵元至定位目标距离观测值为Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃，设目标位置为( X，Y，Z)，则可以组成如下方程:

(X－X₁)²+(Y－Y₁)²+(Z－Z₁)²=Ｒ₁²

(X－X₂)²+(Y－Y₂)²+(Z－Z₂)²=Ｒ₂²

(X－X₃)²+(Y－Y₃)²+(Z－Z₃)²=Ｒ₃²

求解方程组即可得到目标三维坐标(X，Y，Z)。

三、国内外LBL 技术发展现状与趋势

1958年，美国华盛顿大学的应用物理实验室为美国海军在达波湾试验靶场建成了由四个水听器组成的三维坐标跟踪水下武器靶场，该系统为后续长基线水下定位系统LBL的雏形。目前，LBL由单一定位模式发展到组合定位系统的模式；由单一跟踪定位功能发展到同时具有精密测距、通信、集成释放的功能；由复杂的标定校准技术发展到自测阵、自动校准技术。

⑴国外LBL发展现状

随着船舶及海上平台动态定位(dynamic positioning，DP)的需求，LBL通过与USBL、SBL组合，形成长基线短基线组合定位系统(L/SBL)、长基线超短基线组合定位系统(L/USBL)、长基线短基线超短基线组合定位系统(L/S/USBL)等，不仅增加了观测量，而且等同于增加了备份系统，保证了海上作业的需要。

为适应海上恶劣的作业环境，LBL使用的传统声信号--窄带脉冲信号，已逐渐被宽带数字扩频信号取代。国外著名的几大声学设备公司先后推出的新型产品中，要么兼有窄带脉冲信号工作方式和宽带信号工作方式，要么完全淘汰窄带信号工作方式。如IXSEA公司的Chirp和FSK(frequency-shift keying)联合调制技术，Nautronix公司的Acoustic Digital Spread Spectrum(ADS2)声学数字扩频技术，Sonardyne公司的Wide Band 6G宽带技术、Kongsberg的Cymbal技术等。就本质而言，这些技术均采用宽带数字扩频技术，至少带来了6～12dB的处理增益。宽带信号至少带来如下的好处：

①距离测量分辨率达到厘米级；

②应答器的工作时间延长4倍以上；

③工作频率为25kHz的LBL，其作用距离增加700m以上；

④提高了设备抗噪声的能力；

⑤海底基阵校准耗时大大缩短。

围绕LBL定位技术，Alexander Ph.Scherbatyuk研究了利用装在AUV的罗经、速度等信息，采用基阵中的单阵元实现AUV的定位导航；Teixeira PV、Olson Edwin等提出采用扩展卡尔曼滤波技术，结合预估目标轨迹线实现对AUV的定位。

⑵国内LBL发展现状

相对于国外，国内尚处于仪器设备相关技术的吸收和消化阶段。19世纪80年代初，国内靶场引进了一套法国Oceano公司的LBL系统，用于对目标实施精确导航及轨迹测量；2012年国内有关单位相继引进了Sonardyne 6G和IXSEA LBL定位系统。在LBL系统研制方面，2002年哈尔滨工程大学通过将GPS定位技术与声学技术结合，研制了GRAT LBL水下定位系统，该系统是我国第一套高帧率、大范围、无线电遥控浮标阵水声跟踪系统；2004年中国测绘科学研究院与中国船舶重工集团公司第七一五研究所研制了“高精度水下GPS立体定位”系统，该系统实际就是LBL 定位系统的逆应用。

围绕LBL数据处理理论和方法研究，付进针对LBL定位中的信号处理若干关键技术进行了研究，分析了单阵元时延估计误差对LBL定位精度的影响，论证了目标位于阵内不同位置时直达声和海面一次反射声相位差的变化规律，探讨了界面反射对LBL定位精度影响的物理机理，并利用信号叠加特征提出了一套信道多途(多路径)抑制新策略。张明磊、冯海泓等提出一种迭代方法进行声线修正而提高距离测量精度的方法；孙万卿针对浅海环境的特点，研究了浅海声场计算问题，将有穷状态自动机理论应用到基于射线理论的浅海声场中，对浅海声场的有效声速进行求解。李莉、王先华根据长基线同步定位原理对测阵方法进行了仿真研究。高剑等针对阵元未校准情况，提出了一种基于无迹卡尔曼滤波的同步定位与地图创建方法，实现了高质量LBL跟踪定位解的输出。

⑶LBL发展趋势

随着深海油气资源开发和海洋科学研究的需要，以及信号处理技术、定位算法、高精度集成技术的运用，LBL定位技术呈现出以下发展趋势：

①通过集成INS(inertial navigation system)、DVL(Doppler velocity logger)形成综合定位系统，为AUV、UUV 定位带来更高的工作效率；

②基于卡尔曼滤波的综合定位数据融合方法研究；

③新材料的研究和使用将有效消除多路径的影响；

④采用逆向USBL基于单阵元的定位技术研究。

四、LBL系统的应用

随着海底板块研究、海底滑坡研究、海洋工程技术等对观测技术提出的高精度要求，LBL为这些应用和研究提供了宝贵的观测数据。

⑴1994～1996年，美国国家航空航天局(NASA)在北美洲太平洋海中的Juan de Fuca海脊两侧布设3个水声阵元，跨越海脊最窄处(约30～50m)，准确地量测出了海脊张裂速率，经过2 年间歇式观测，分析指出其张裂速率约－3mm/年，与传统的NUVEL－1全球模型预估的+56mm/年有很大差异。

⑵采用LBL水下定位系统监测重点海区海底沉积物运移变化，弥补了传统监测手段不足。通过对海底沉积物运移的监测以及对海底沉积地层的物质组成和物理力学性质(抗剪强度、含水量和孔隙水压力)的垂直变异监测，可实现对海底浊流、滑坡、垮塌等地质灾害的预警与形成机理的研究。基于海底高精度LBL水声定位系统监测手段的出现，弥补了示踪剂法、取样法和声学探测法等传统监测手段的直观性、连续性及效率等方面的不足，将推动海底沉积层科学研究的发展。

⑶海底滑坡研究已成为当今国际海洋灾害地质研究领域的热点。尽管海底滑坡坡度较小，但滑动体较大，滑动距离较长，速度较高(如面积90000km²和体积3000km³的滑动体，滑动距离和滑动速度分别可达850km和70km/h)，易诱发海啸等次生灾害，海底滑坡比陆地滑坡具有更大的破坏性。未来，采用高精度水声定位监测海底滑坡运动变化是LBL系统应用的方向之一。

⑷在深海油气资源开发全过程中，如钻井平台的归位，平台水下构筑物和线束的安装，海底管道路由区地质调查、敷设施工及后期海管维修维护全过程，都需要LBL定位系统为其提供有力保障。

⑸基于LBL高精度定位技术的AUV，作为多传感器集成系统，其应用范围将进一步扩大，如小目标探测，AUV在影像、图形和数据获取方面具有无可比拟的优势。

⑹在海洋精密工程测量中，LBL系统很方便地为海洋工程有关的精密测量和施工建立起高精度的海底控制网，其高精度测距又为海洋工程变形监测提供了最直接的观测数据。

⑺现代LBL水声定位系统具有的传感器搭载功能以及数据遥控遥测功能，为多学科同步观测提供了必要的技术支撑。

五、结束语

21世纪是人类大规模开发和利用海洋的新时代，我国已制定了本世纪海洋强国战略，海洋勘查研究、海洋开发和利用正紧锣密鼓地进行。目前，包括我国在内的世界强国正积极的开展“数字海洋”战略，水体和海底信息是其中一个重要的组成部分，如何实现这些信息的获取、准确地描述信息的时空变化，已成为海洋研究和开发利用中最基础和最迫切的问题。以AUV、MSV为代表的观测系统是当前海洋观测和信息获取的前沿技术之一，LBL水下定位技术在这些观测系统中扮演着非常重要的角色，在我国开展与LBL技术相关的系统研发和理论方法研究是非常必要的。