船載超短基線海上標定方法探析

王 芳，張洪欣，崔運璐

（1. 國家海洋局北海海洋技術保障中心，山東 青島266033；2. 山東省海洋生態環境與防災減災重點實驗室，山東青島 266033）

船載超短基線海上標定方法探析

王 芳1,2，張洪欣1,2，崔運璐1,2

（1. 國家海洋局北海海洋技術保障中心，山東 青島266033；2. 山東省海洋生態環境與防災減災重點實驗室，山東青島 266033）

聲學定位系統的技術研究和應用開發在現代海洋科學調查和水下施工中起著重要作用。本文以國產某型超短基線定位系統為例，結合載人深潛試驗性應用航次中對蛟龍號的定位服務，就超短基線聲學定位系統的海上標定方法展開了討論。

聲學定位系統；超短基線；水下定位；標定

0 引言

超短基線水下定位系統在現代海洋測繪中發揮著重要作用。在安裝超短基線定位系統進行水下聲學定位測量過程中，很難保證換能器中心與母船重心之間三坐標軸完全重合，即存在系統偏差，它是導致超短基線系統定位出現誤差的一個重要原因，必須對超短基線進行校準。

超短基線水下聲學定位系統是根據聲波在水中傳播的速度往返時間測量距離和同時測量相位差的方法進行定位。超短基線定位系統一般由聲學測量設備和數據采集處理設備兩大部分組成。聲學測量設備由安裝在船體的聲學換能器和安裝在水下的聲學應答器組成，聲學換能器發射聲波信號至應答器，應答器接在收到訊問信號后，發射區別于訊問信號的響應信號回換能器，響應信號經由通訊電纜傳輸給數據采集處理設備，做進一步加工處理和計算，得到應答器相對于換能器的空間位置和深度。

船載超短基線換能器中，有至少3個單元，應答器安裝在需要定位的目標上，換能器測量出到應答器的水平和垂直角度及斜距。超短基線的標定工作是確保水下目標精確定位的基礎，選擇正確的標定方法，對提高定位精度及其重要。

1 標定方法

本文中的標定過程分為淺海安裝偏差校準、深海定位精度校準和拉距試驗三步，淺海安裝偏差校準是整個標定試驗的基礎，深海定位精度校準和拉距試驗是驗證超短基線指標的重要環節。

1.1 母船噪聲測量

母船分別以0節、2節、3節、4節、6節航速的速度行駛，測量對應條件下的噪聲值，每種條件下測量20次，每2s測量記錄一次。母船整體噪聲水平在60dB/Hz左右，到達超短基線作業需求。表1為各航速條件下測得的母船噪聲譜級。

表1 母船噪聲譜級

1.2 安裝偏差標定校準試驗

安裝偏差標定校準試驗在水深1000m海域進行。試驗采用母船先順時針跑一個半徑約1000m的圓形軌跡，再以同樣半徑逆時針跑一個圓形軌跡，最后跑兩條相交直線軌跡，交叉角度為60°，如圖1、2所示。標定試驗結果表明，國產某型超短基線數據連續穩定，有效率達95.4%，定位精度為0.68%斜距。

圖1 校準航跡

圖2 校準后定位結果散點圖

表2 校準結果表格

1.3 定位精度標定校準試驗

定位精度標定校準試驗在水深3000m海域進行。試驗采用母船分別跑一個半徑約 800m的圓形軌跡和半徑為 1800m的圓形軌跡進行驗證，分別對應 15°、30°的半開角，如圖3、4、5所示。試驗結果表明，3000m水深條件下，±15°開角時超短基線定位精度大約為0.41%斜距；±30°開角時定位精度為0.62%斜距。國產某型超短基線定位性能穩定，數據有效率到達98.6%。

圖3 試驗航跡及定位結果

1.4 拉距試驗

完成定位精度測試后，母船以 4節左右的速度遠離聲信標行駛。行駛過程中驗證超短基線對聲信標的定位結果，如表 3所示。可發現，國產某型超短基線定位的穩定性很高。國產某型超短基線在開角范圍內對目標具有穩定的定位跟蹤性能。

圖4 ±30°開角的定位結果放大圖

圖5 ±15°開角的定位結果放大圖

表3 拉距試驗有效率統計結果

2 小結

本研究中國產某型超短基線海試先后完成了母船噪聲測量、淺海安裝偏差校準、深海定位精度驗證和拉距試驗4項試驗內容。試驗表明：在3000m水深條件下，±15°開角時超短基線定位精度大約為0.41%斜距；±30°開角時定位精度為0.62%斜距；國產超短基線定位性能穩定，數據有效率到達98.6%。超短基線在開角范圍內對目標具有穩定的定位跟蹤性能。該超短基線能完成對水下拖體、ROV、載人潛水器的精確定位。同時，試驗也證明本次超短基線的海上標定方法有效、簡單、快捷。

[1] 唐秋華, 吳永亭, 丁繼勝, 等. 超短基線聲學定位系統的校準技術研究[J]. 聲學技術, 2006(4): 8-10.

[2] 李想, 張殿倫, 孫大軍, 等. 高精度超短基線定位系統的實現[J]. 計算機工程與應用.2007(24):180-182.

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Analysis on Shipborne Ultrashort Baseline Calibration Approach at Sea

WANG Fang1,2, ZHANG Hong-xin1,2, CUI Yun-lu1,2
(1. State Oeanic Aministration of North Sea Marine Tchnical Spport Ceter, Qingdao 266033, China; 2. The Marine Ecological Environment and Disaster Prevention and Mitigation of Shandong Province Key Laboratory, Qingdao 266033, China)

The research and application on acoustic positioning system technology plays an important role in modern marine science survey and underwater construction. Taking some type of Ultra Short Baseline (USBL) Positioning System produced in China as an example, combining the positioning service for Jiaolong submersible in the manned deep diving trial application voyage, the calibration method of USBL acoustic positioning system at sea is discussed.

acoustic positioning system;ultra short baseline (USBL);underwater positioning;calibration

TP212

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.01.003

王芳（1978-），工程師，碩士研究生。從事載人深潛的技術保障工作。