海洋论坛∣水声定位系统的基本原理与现状

进入新世纪以来，随着陆地资源的日益枯竭，世界各国纷纷把目光投向海洋这一蕴藏丰富资源的宝库。近20年来，争夺海洋主权和海底矿产资源的“圈海运动”兴起，促使我国的海洋事业进入一个快速发展阶段，也促使与海洋开发相关的技术和装备进入发展的快车道。声学定位是海洋科学考察、海洋资源勘探、海洋资源开发、深海空间站建设等工程的必备手段，它能够提供海底勘查设备如ROV和AUV等重要的定位、导航和通信支撑。海洋中水下环境复杂恶劣，因此为水下设备进行准确的定位，对于掌握设备工作情况、回收海洋监测数据和设备具有非常重要的意义。通过在水面工作船只、水下移动平台以及作业海区上加装和布放声学定位设备，可实现水面对水下目标位置的实时监控、水面与水下平台的信息交互，如今已经广泛应用于海洋工程的各个方面。

中海达itrack-ub系列超短基线定位示意图

一、水声定位技术简介

自从1912年在美国出现了第一台水声测深仪以后，开始有了水声助航设备。二战中，对水下目标的探测和测量受到了重视，并在战后得到了迅速的发展。1958年，美国华盛顿大学应用物理实验室在达波湾建成了三维坐标跟踪水下武器靶场。这种水下定位跟踪技术在六十年代后期得到广泛应用，成为鱼雷靶场的主要测试方法。迄今为止，国内外水下武器靶场使用的水下定位跟踪系统有多种类型，按其安装方式可分为固定式跟踪系统、活动式(船载)跟踪系统和轻便式跟踪系统。固定式跟踪系统的水下测量设备大多数固定在海底，其范围大、费用高，只能在固定海区使用；活动式跟踪系统的全部设备都固定安装在活动平台上，试验时随活动平台开往试验海区；轻便式跟踪系统的体积和重量相对较小，可以随时布放和回收，并可通过飞机、车辆和船只从一个试验区运送到另一个试验区。这三种水下定位跟踪系统虽然在结构上有较大差别，但在原理上均是依赖于几何原理的水声学定位方法。根据接收基阵的基线可以将水声定位技术分为三类：长基线(LongBase-Line)、短基线(Short Base-Line)、超短基线(Ultra Short Base-Line)。下表列举了这三种水声定位技术的典型基线长度。

水声定位技术分类

定位类型	基线长度(m)	简称
长基线	100～6000	LBL
短基线	20～50	SBL
超短基线	＜10	USBL，SSBL

长基线水声定位系统的基阵长度在几公里到几十公里的量级，利用测量水下目标声源到各个基元间的距离确定目标的位置。由于长基线定位系统需要在水下布放至少3个以上的应答单元，对于深海区单点布放的水下定点测量设备来说可行性不强。

短基线水声定位系统的基阵长度一般在几米到几十米的量级，利用目标发出的信号到达接收阵各个基元的时间差，解算目标的方位和距离。短基线定位系统构成简单，便于操作，可借助已有的声学通讯装置完成水下目标的测距工作，符合设备回收对于定位方法简洁快速、准确高效的操作要求。

超短基线定位系统的基阵长度一般在几个厘米到几十厘米的量级，它与前两种不同，利用各个基元接收信号间的相位差来解算目标的方位和距离。而超短基线定位系统须建立声基阵与船体之间相互确定的坐标方位关系，且在较大水深的条件下精度不高，同时准备工作繁琐，不利于在甲板快速高效地展开定位工作。

若按照工作方式来划分，以上三种定位系统都可以选择使用同步信标工作方式或应答器工作方式。采用同步信标工作方式，要求在待测目标或测量船上都安装高精度同步时钟系统，信标按规定的时刻定时发射信号，并据此确定目标位置。应答器工作方式要求在应答和测量船上都安装询问(应答)发射机和接收机。

通常所说的水声定位系统所测得的目标位置统一结合起来进行坐标变换，就能得到水下目标在大地几何坐标中的位置或轨迹。坐标，都是相对于某一参照物的位置而言。这个参照物有时就是基阵的载体(通常相对坐标系的某一个轴线和舰船的艏艉线重合)，它并不真正给出目标的大地几何坐标位置。然而水声定位系统和其他的导航系统(如近年来获得广泛应用的卫星导航定位系统)结合起来进行坐标变换，就能得到水下目标在大地几何坐标中的位置或轨迹。

短基线定位示意图

二、水声定位系统基本原理

迄今为止，水下目标定位跟踪的主要手段仍是依赖于几何原理的水声学定位方法。通常用声基线的距离或激发的声学单元的距离来对声学定位系统进行分类。水声定位系统，根据所实施的原理和测量手段不同，又可分为“方位--方位”、“方位--距离”和“距离--距离”三种测量系统。大部分的长基线、短基线系统都属于后者。距离测量水声定位系统是通过测量水下声源所辐射的声信号从发射到接收所经历的时间及声速来确定声源到各接收点的距离，从而实现对目标进行定位的。

⒈ 超短基线定位系统

如下图所示，超短基线的所有声单元(≥3)集中安装在一个收发器中，组成声基阵，声单元之间的相互位置精确测定，组成声基阵坐标系，声基阵坐标系与船的坐标系之间的关系要在安装时精确测定，包括位置(X、Y、Z偏差)和姿态(声基阵的安装偏差角度：横摇、纵摇和水平旋转)。系统通过测定声单元的相位差来确定换能器到目标的方位(垂直和水平角度)；换能器与目标的距离通过测定声波传播的时间，再用声速剖面修正波束线，确定距离。以上参数的测定中，垂直角和距离的测定受声速的影响特别大，其中垂直角的测量尤为重要 ,直接影响定位精度，所以多数超短基线定位系统建议在应答器中安装深度传感器，借以提高垂直角的测量精度。超短基线定位系统要测量目标的绝对位置(地理坐标)，必须知道声基阵的位置、姿态以及船艏向，这可以由 GPS、运动传感器和电罗经提供。系统的工作方式是距离和角度测量(range/angle)。

超短基线定位示意图

超短基线的优点：低价的集成系统、操作简便容易；只需一个换能器，安装方便；高精度的测距精度。超短基线的缺点：系统安装后的校准需要非常准确，而这往往难以达到；测量目标的绝对位置精度依赖于外围设备精度———电罗经、姿态传感器和深度传感器。

⒉ 短基线定位系统

短基线定位示意图

如上图所示，短基线定位系统由3个以上换能器组成，换能器的阵形为三角形或四边形，组成声基阵。换能器之间的距离一般超过10m，换能器之间的相互关系精确测定，组成声基阵坐标系，基阵坐标系与船坐标系的相互关系由常规测量方法确定。短基线系统的测量方式是由一个换能器发射，所有换能器接收，得到一个斜距观测值和不同于这个观测值的多个斜距值，系统根据基阵相对船坐标系的固定关系，配以外部传感器观测值，如GPS、MRU、Gyro提供的船的位置、姿态、船艏向值，计算得到目标的大地坐标。系统的工作方式是距离测量(range/range)。

短基线的优点：低价的集成系统、操作简便容易；基于时间测量的高精度距离测量；固定的空间多余测量值；换能器体积小，安装简单。短基线的缺点：深水测量要达到高的精度，基线长度一般需要大于40m；系统安装时，换能器需在船坞严格校准。

⒊ 长基线定位系统

长基线系统包含两部分，一部分是安装在船只上的收发器(transducer)或水下机器人，另一个部分是一系列已知位置的固定在海底上的应答器，至少三个以上。应答器之间的距离构成基线，长度在上百米到几千米之间，相对超短基线、短基线，称为长基线系统。长基线系统是通过测量收发器和应答器之间的距离，采用测量中的前方或后方交会对目标定位，所以系统与深度无关，也不必安装姿态、电罗经设备，即长基线定位是基于距离测量从原理上讲，系统导航定位只需要2个海底应答器就可以，但是产生了目标的偏离模糊问题，另外不能测量目标的水深，所以至少需要3个海底应答器才能得到目标的三维坐标。实际应用中，需要接收4个以上海底应答器的信号，产生多余观测，提高测量的精度。系统的工作方式是距离测量(range/range)。如下图所示。

长基线定位示意图

长基线系统的优点：独立于水深值，具有较高的定位精度；多余观测值增加；对于大面积的调查区域，可以得到非常高的相对定位精度；换能器非常小，易于安装。长基线的缺点：系统复杂，操作繁琐；数量巨大的声基阵，费用昂贵；需要长时间布设和收回海底声基阵；需要详细对海底声基阵校准测量。

⒋ 组合定位系统

如下图所示，组合系统有多种形式，组合系统的最大优点是选取不同系统的优势，提高定位精度、扩大应用范围，但是组合系统的设备组成和操作也变得更为复杂，组合系统一般是应用户的特殊需要定制，目前应用较多的是超短基线/长基线组合系统和超短基线/短基线组合系统。系统的工作方式是距离测量(range/range)或距离角度测量(range/angle)。

组合系统定位示意图

三、国外发展现状

目前国外水声定位技术比较成熟，已经实现水声定位系统的产品化、产业化、系列化，国际上主要的水声定位系统生产厂商主要有：法国Ixsea、澳大利亚Nautronix、挪威Kongsberg、英国Sonadryne、美国LinkQuest等几家公司。

挪威Kongsberg公司有一系列成熟的产品投入到军方及民用，已经成为该项技术的标准。该公司于1997年推出了长程超短基线定位系统—HiPAP350，作用距离达3000米；随后推出HiPAP500，作用距离达4000米；新近推出的HiPAP100，作用水深达10000米，测距精度优于50cm，目前HiPAP系列产品已经由单纯的超短基线定位系统升级为综合定位系统，能够同时以长基线与超短基线两种模式工作。

法国的Ixsea公司产品涉及长基线、短基线、超短基线。其中超短基线产品主要有两款：GAPS和Posidonia。GAPS定位精度2‰斜距，其集成了惯导和GPS，其在交付使用前由厂家负责精密校准工作，用户则享受“即装即用”的便利。近期公司还推出了Ramses产品，主要用途为测距，可以扩展为长基线系统使用，也可与惯导系统组合导航定位。

英国Sonadryne公司关于定位导航的产品包括了长基线、短基线以及超短基线定位系统和 组合定位系统。其中长基线系统主要有Fusion LBL；超短基线主要有Fusion USBL，Ranger US BL，Scout USBL；综合定位系统则推出了Marksman LUSBL系统。此外该公司还推出了Compatt系列多功能应答器，其集释放、自测阵功能、多种传感器、声通信机于一身。该公司目前已将其宽带定位技术升级为第二代，产品测距、定位性能大为提高。

水声定位系统在蛟龙号上的应用

三、国内发展现状

我国只有少数机构在进行水声定位技术的研究，由于人力、资金及市场需求的限制，与国外的发展水平还有一定的差距。到目前为止，没有成熟的市场化产品，大部分都只限于国外引进，如综合海洋科学考察船“大洋一号”装备的就是法国Ixsea公司的Posidonia 6000定位系统。

上世纪70年代末，在中国工程院杨士莪院士的带领下，哈尔滨工程大学研制了长基线水声定位系统，这是我国第一套水声定位系统，自此揭开了我国水声定位技术研究的序幕。

自十五以来，在国家863计划的支持下，水声定位技术得到长足的发展，特别是哈尔滨工程大学的超短基线、长基线定位技术与装备，和中国测绘科学研究院与中船重工集团第七一五所联合研制的水下GPS定位技术，已打破国外的技术垄断。

在“十五”国家863计划支持下，哈尔滨工程大学与国家海洋局第一海洋研究所研制了“长程超短基线定位系统”，于2006年5月在南海进行了深水定位试验验证。结果表明，系统工作稳定可靠，工作水深超过3700米，作用距离达到8.6km,并且具有水下动态目标跟踪功能，其定位精度为0.2～0.3％斜距，超出预定要求，填补了我国在该技术领域的空白，为满足水下探测和作业的高精度定位需求提供了技术储备。目前，在国家863计划的重点项目“深海拖曳观测系统及其水下定位系统工程化”的支持下，已经进行该项成果的工程化，并于2013年底实现国产高精度深水超短基线定位系统在新建科考船“科学号”的装备服役。

此外，哈尔滨工程大学在“十一五”863的支持下，完成了“高精度水下声学综合定位关键技术研究”，解决深水耐压超短基线声学基阵设计、宽带技术应用等几项关键技术，利用现有的硬软件资源构建试验系统进行湖上试验验证关键技术，为深海集成系统研制和试验奠定坚实技术基础。

在国家“863”计划的支持下，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出国内第一套水下高精度定位导航系统。千岛湖试验表明，在水深45米左右的水域，系统的水平定位精度达到5厘米，测深精度为30厘米，,水下授时精度为0.2ms，该系统的成功研制，打破了发达国家对水下GPS的垄断。

日前，江苏中海达海洋公司在国内率先推出拥有自主知识产权的市场化水声定位产品：iTrack-UB系列超短基线水声定位系统和iTrack-LB系列长基线水声定位系统，是真正具有市场化应用前景的产品。其中iTrack-UB超短基线系列作用距离为1000m、3000m、8000m，工作深度为500m、1000m、6000m，定位精度为0.5%～1.2%斜距；iTrack-LB长基线系列作用距离为1000m、3000m、8000m，工作深度为500m、1000m、6000m，定位精度为优于0.3%斜距。该系列产品基于高精度时间同步技术和宽带扩频技术，具有作用距离长，抗干扰能力强和能对海量应答器进行定位等优点。适用于海洋勘探、海洋开发和军事等领域，具有广阔的应用前景。

总体而言，与世界先进水平比较起来，我国在水声定位技术及其装备的发展差距较大，尽管相关科研机构、大专学校及涉海企业已经开启了市场化进程，但还是难以满足国内海洋工程中对水声定位设备的迫切需求。通过引进国外先进技术与水声定位产品可以缓解相应海洋工程需求，却存在引进周期长、费用高、技术封锁及售后维护跟进困难等问题。因而研制具有完全自主知识产权的水声定位系统，摆脱对国外设备的依赖，改变我国海洋装备落后的局面，就是摆在我们面前非常紧迫的任务，它的推广应用也极具市场前景，必将产生深远影响。

■参考文献

[1]吴永亭,周兴华,杨龙.水下声学定位系统及其应用[J],海洋测绘,2003,23(4):18-21.

[2]钱洪宝,孙大军.水声定位系统现状[J],声学技术,2011,30(3):389-391.

[3]罗宇,施剑.中海达iTrack系列水声定位系统的应用,“海洋信息”微信公众平台.

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