一種適于淺水定位的超短基線裝置與定位方法

祝 侃，尹飛星

（1.中國船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2.清江創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430076；3.嘉興易聲電子科技有限公司，浙江 嘉興 314000）

0 引言

隨著海洋事業(yè)的發(fā)展，在海洋探測(cè)研究、海洋工程、海洋礦產(chǎn)資源、水下考古、海洋國防建設(shè)等方面，都離不開水下定位系統(tǒng)為其提供高精度、高質(zhì)量的定位數(shù)據(jù)[1-3]。超短基線定位 （Ultra-short Baseline，USBL）是一種水下聲學(xué)定位技術(shù)[4-7]，其基線長度一般為幾厘米至幾十厘米，由于其安裝簡單、使用方便而得到了廣泛應(yīng)用。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，需要測(cè)量聲速、聲信號(hào)往返時(shí)間、基陣坐標(biāo)及基陣的方位和姿態(tài)角度[8]。超短基線定位系統(tǒng)利用各個(gè)陣元之間的相位差 （或者時(shí)延差）來測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)或固定目標(biāo)的方位，通過發(fā)射與接收之間的時(shí)間差來測(cè)量兩者之間的距離，再融合高精衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)等實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的三維定位[9-10]。

然而，水聲信道復(fù)雜，尤其淺水環(huán)境下，其邊界及介質(zhì)起伏效應(yīng)明顯，造成多徑時(shí)延擴(kuò)展，信號(hào)衰落嚴(yán)重，即使利用了寬帶信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，但由于多途效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致對(duì)信號(hào)真正到達(dá)時(shí)刻的時(shí)延計(jì)算仍然存在一定難度。因此，如何在這種復(fù)雜的水聲環(huán)境下，獲取高質(zhì)量的聲學(xué)定位數(shù)據(jù)，是水下定位的難點(diǎn)之一。本文提出一種附有約束條件的互相關(guān)時(shí)延估計(jì)方法用于淺水超短基線定位，該方法適用海洋石油勘探開發(fā)、水下打撈、搜救等海洋工程涉及的水下目標(biāo)定位需求，可對(duì)水下航行體、拖魚、潛標(biāo)、潛水員及其它水下目標(biāo)進(jìn)行精確定位和跟蹤。

1 淺水定位的超短基線裝置

適用于淺水定位的超短基線裝置包括定位基陣、甲板單元和輔助設(shè)備，裝置的系統(tǒng)框圖如圖1所示。甲板單元通過主控軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)定位基陣的控制和數(shù)據(jù)采集，主控軟件用于解算和顯示水下目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，可顯示多個(gè)目標(biāo)信息，包含相對(duì)定位基陣的位置信息以及絕對(duì)的大地坐標(biāo)信息。同時(shí)也可顯示艦船的位置軌跡和航姿變化，并能進(jìn)行快速的聲學(xué)性能分析。

圖1 超短基線裝置系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of USBL system

定位基陣采用一體化基陣，包括接收基陣、電子羅盤、信號(hào)處理板、發(fā)射換能器以及水密殼體。接收基陣采用短間距四元十字交叉設(shè)計(jì)，各個(gè)陣元處于同一平面，各個(gè)陣元同時(shí)接收聲學(xué)信號(hào)，并且把聲電轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送給信號(hào)處理板。電子羅盤安裝在水密殼體內(nèi)，實(shí)時(shí)測(cè)量定位基陣的三軸姿態(tài)信息，并把數(shù)據(jù)送給信號(hào)處理板進(jìn)行解算。信號(hào)處理板是整個(gè)定位基陣的核心，負(fù)責(zé)聲學(xué)信號(hào)的調(diào)理、采集、發(fā)射、處理和傳輸。信號(hào)處理板的處理器采用FPGA和DSP組合架構(gòu)，F(xiàn)PGA完成數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、信號(hào)檢測(cè)等任務(wù)，DSP完成脈沖挑選和數(shù)據(jù)分析及通訊等任務(wù)。發(fā)射換能器布置在接收基陣的中間，用于在應(yīng)答方式下發(fā)射特定制式的聲脈沖信號(hào)。水密殼體是定位基陣的載體，為圓筒形結(jié)構(gòu)，并采用鈦合金材料制成，以便滿足對(duì)設(shè)備重量和耐海水腐蝕的要求。

甲板單元包括機(jī)箱、電源模塊和接口處理板。機(jī)箱是甲板單元的載體，前面板用于顯示狀態(tài)，后面板為開關(guān)控制區(qū)并且設(shè)置有可插拔的接插件。電源模塊主要包括輸入電源處理模塊、開關(guān)電源模塊和線性穩(wěn)壓模塊等，主要向甲板單元、定位基陣等設(shè)備提供穩(wěn)定的直流電。接口處理板是甲板單元的中繼，用于接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)、指令、同步信號(hào)。甲板單元具有標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)輸出接口，可融合航姿，GPS等信息進(jìn)行精確自定位。此外，超短基線裝置在使用時(shí)還需配備包括GPS設(shè)備、授時(shí)儀和聲學(xué)信標(biāo)等輔助設(shè)備，信標(biāo)支持同步和應(yīng)答2種工作模式。

2 附有約束條件的互相關(guān)時(shí)延差估計(jì)方法

四元十字交叉接收基陣定位原理如圖2所示。圖2中，1、2、3、4分別為4個(gè)水聽器（或4個(gè)接收陣元），兩兩陣元1和3、2和4相互間隔d，單位 m。目標(biāo)位于S（x，y，z），目標(biāo)矢徑為OS，R為目標(biāo)到基陣中心的距離，矢徑OS與x軸和y軸的夾角分別為θmx、θmy，陣元1和3、2和4接收到目標(biāo)的時(shí)延差分別為τ13、τ24，根據(jù)空間幾何關(guān)系有：

圖2 四元接收基陣定位原理圖Fig.2 Schematic diagram of 4-element receiving array positioning principle

式中：c為水中聲速，m/s，通過聲速儀測(cè)量；R為通過回波測(cè)距法測(cè)得的斜距。因此，定位精度主要取決于時(shí)延差τ的精度，即準(zhǔn)確估計(jì)時(shí)延差，是提高定位精度的關(guān)鍵。

本文提出一種適用于淺水超短基線定位的附有約束條件互相關(guān)時(shí)延差估計(jì)方法，該方法主要涉及脈沖挑選和時(shí)延差相位修正。在超短基線裝置中，需要估計(jì)各個(gè)通道的時(shí)延，具體過程如下：

1）采用寬帶信號(hào)系統(tǒng)的拷貝相關(guān)估計(jì)時(shí)延。

設(shè)聲源發(fā)出的信號(hào)為s（t），其信號(hào)持續(xù)時(shí)間T。陣元接收到的信號(hào)x（t）表示為

式中：k表示信號(hào)的幅度；τ是信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)延；n（t）是加性噪聲。

接收到的信號(hào)x（t）與參考信號(hào)s（t）進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)函數(shù)為

式中：Rss（τ）是s（t）的自相關(guān)函數(shù)；P（τ）是參考信號(hào)s（t）分別與n（t）相關(guān)得到的結(jié)果。

由于自相關(guān)函數(shù)Rs（sτ）滿足，若選擇合適的信號(hào)形式s（t），其自相關(guān)函數(shù)峰值尖銳，使得R（τ）在τ時(shí)刻受P（τ）的影響較小，那么則可以用檢測(cè)R（τ）峰值位置的方法來獲得確定時(shí)延τ和幅度a，取出峰值點(diǎn)處的相位ρ，進(jìn)而確定信號(hào)到達(dá)的時(shí)延和相位和幅度。

定位基陣通過方法1）解算出接收信號(hào)的時(shí)延和相位以及幅度信息后，通過電纜傳輸?shù)桨渡系募装鍐卧賯鬏數(shù)街骺剀浖M(jìn)行定位解算。

2）脈沖挑選過程。

由于淺水環(huán)境的多徑效應(yīng)，方法1）求出的每個(gè)陣元滿足條件的峰值脈沖可能有多個(gè)，在主控軟件內(nèi)需再進(jìn)一步篩選滿足約束條件的脈沖。

步驟一，低幅值脈沖剔除。剔除最大幅值脈沖的0.4倍以下幅值的脈沖，避免能量小的脈沖參與到定位中，滿足脈沖幅值的約束條件為

式中，amax表示脈沖的最大幅值，系數(shù)0.4是基于多途模型下多途的脈沖幅值不大于真實(shí)信號(hào)脈沖的倍數(shù)假設(shè)。

步驟二，周期間脈沖剔除。根據(jù)最大工作周期和最大航速所能產(chǎn)生的最大時(shí)延變化，每個(gè)脈沖與本陣元?dú)v史脈沖進(jìn)行比較，剔除周期間變化大于此限制的脈沖。與歷史脈沖相比，本周期的脈沖時(shí)延變化滿足的約束條件為

式中：T工作周期為系統(tǒng)定位工作周期，s；V航速為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)航速，kn。

步驟三，陣元間脈沖剔除。根據(jù)基線長度引起的陣元間最大時(shí)延差，計(jì)算兩兩陣元間的時(shí)延差，剔除陣元間變化大于此限制的脈沖，兩兩陣元間的脈沖時(shí)延差滿足的約束條件為

根據(jù)以上剔除后，所剩脈沖均滿足幅值要求、工作周期、工作航速、基線長度所能容許的最大誤差。

步驟四，時(shí)延差脈沖選取。求取與歷史兩兩陣元間時(shí)延差最小所對(duì)應(yīng)的脈沖。

3）時(shí)延差相位修正。

通過上述脈沖挑選獲取到的目標(biāo)脈沖求取兩兩陣元間的時(shí)延差為時(shí)延差的初測(cè)值，為進(jìn)一步提高超短基線的定位精度，還需再進(jìn)行相位修正，即相位差值反映到時(shí)延差的修正值，時(shí)延差初測(cè)值和時(shí)延差修正值的差值，即為時(shí)延差相位修正值：

式中：Δρ為兩兩陣元間的相位差；f0為寬帶信號(hào)的中心頻率。

3 湖試實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

圖3和圖4分別為自主研發(fā)的超短基線定位系統(tǒng)和配套的合作聲學(xué)信標(biāo)。在某湖試實(shí)驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)了 10～40 m淺水條件下對(duì)水下目標(biāo)的超短基線定位功能。

圖3 eSTS-H超短基線定位系統(tǒng)Fig.3 eSTS-H USBL system

圖4 eBN801聲學(xué)信標(biāo)Fig.4 eBN801 acoustic beacon

圖5 湖上試驗(yàn)中的聲信號(hào)多徑效果時(shí)頻域圖Fig.5 Time-frequency domain diagram of multipath effect of acoustic signals in lake experiment

陣元1和3、2和4通道采集的原始時(shí)延差和經(jīng)過附有約束條件跟蹤后的時(shí)延差分別如圖6和圖7所示。對(duì)比處理前后的時(shí)延差可以看出，通過約束條件互相關(guān)時(shí)延估計(jì)的時(shí)延差曲線的光滑度和連續(xù)性都有明顯提高。2種時(shí)延差對(duì)目標(biāo)軌跡進(jìn)行跟蹤定位的結(jié)果如圖8和圖9所示，藍(lán)色曲線為采用原始時(shí)延差的定位結(jié)果，紅色曲線是時(shí)延差跟蹤后的定位結(jié)果，紅色曲線的定位軌跡光滑、穩(wěn)定，定位精度高。

圖6 通道1、3時(shí)延差Fig.6 Time delay difference between Channel 1 and 3

圖7 通道2、4時(shí)延差Fig.7 Time delay difference between Channel 2 and 4

圖8 x方向定位結(jié)果Fig.8 Positioning results inxdirection

圖9 y方向定位結(jié)果Fig.9 Positioning results in ydirection

4 結(jié)束語

本文提出一種附有約束條件的互相關(guān)時(shí)延差估計(jì)方法，并應(yīng)用于某超短基線定位裝置。通過對(duì)原始時(shí)延差附有約束條件后的處理，提高了時(shí)延差估計(jì)值的光滑度和連續(xù)性，使最終的目標(biāo)定位軌跡更加光滑、穩(wěn)定，提高了定位精度。湖上試驗(yàn)證明了方法的有效性和實(shí)用性，結(jié)果表明本文所提方法，在湖上淺水試驗(yàn)條件下的定位效果更好。