一種水下目標定位方法*

李自超 林 勁 魏鈺博 秦同杰

（大連測控技術研究所 大連 116013）

1 引言

由于海洋中流的沖擊影響以及水聲工程作業(yè)本身的復雜性，水下目標在海面以下的位置存在一定的“隨波逐流性”，致使對布放在海底、尤其是具有較大深度的水下目標進行快速、精確定位變成難題。傳統(tǒng)的定位方法［1～2］有其局限性：長基線定位［3］精度雖然高，但定位基陣的布放耗時耗力，無法實現(xiàn)快速部署；短基線定位［4］對船只和測距系統(tǒng)的要求比較苛刻，系統(tǒng)需要做大量校準工作。本文采用水聲測距與差分GPS 聯(lián)合的方式實現(xiàn)定位［5］，詳細闡述了其實現(xiàn)原理，開展了試驗驗證，試驗證明該方法有效可行，可為水下目標定位的工程實現(xiàn)提供參考。

2 水聲測距系統(tǒng)

水聲測距系統(tǒng)［6］是以聲波作為信號、以水作為傳播介質(zhì)，通過計算聲波時延［7］來進行測距的系統(tǒng)。目前比較成熟的測距系統(tǒng)主要由同步時鐘模塊、測距信號發(fā)射接收模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)解算模塊等核心部件組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1所示的水聲測距系統(tǒng)是以主動測距的方式實現(xiàn)，其實現(xiàn)過程為：在同步時鐘［8］作用下，接收水聽器接收發(fā)射換能器發(fā)射的測距信號，通過數(shù)據(jù)解算模塊解算出收發(fā)時延，結合所處海域聲速，獲取距離信息。

3 差分GPS定位

利用傳統(tǒng)的單點GPS定位，即可初步實現(xiàn)對船舶的實時定位功能。但由于存在著軌道誤差、時鐘誤差、SA 影響、大氣影響、多徑效應以及其他誤差［9］，GPS 接收機解算出的坐標與實際坐標的定位精度達到米級以上，定位精度差。載波相位差分（RTK）GPS［10］是由基準站發(fā)送改正數(shù)，由移動站接收并對其測量結果進行改正，以獲得精確的定位結果，其定位精度可達厘米級［11］。差分GPS定位系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 差分GPS定位系統(tǒng)工作流程圖

4 聯(lián)合測距

差分GPS 與水聲測距聯(lián)合的總體思路是利用聲信號的水下傳播特性解算出水下發(fā)射器與接收器之間的時延，并結合所處海域的聲速將其轉化為相對距離；利用差分GPS解算出相應測點的位置信息。將水聲測距與差分GPS定位相結合，通過幾何關系解算出被定位目標的位置信息。設計方案如圖3所示。

圖3 設計方案圖

在被定位目標上安裝深度傳感器和發(fā)射換能器，深度傳感器用來獲取被測目標的深度，發(fā)射換能器發(fā)射測距信號；在測量船上安裝差分GPS和接收水聽器，差分GPS用來獲取相應測點的絕對位置信息，接收水聽器用來接收水聲測距信號，測量船以被測目標為中心繞圈測量。具體實現(xiàn)過程如下。

1）深度傳感器測量被定位目標的深度為h1，水聽器入水深度為h2，被定位目標與水聽器間的垂直距離h=h1-h2，點H 為被定位目標O 在海平面的投影點；

2）被定位目標上安裝的發(fā)射換能器發(fā)射測距信號，在時鐘同步的條件下，測量船上的接收水聽器接收測距信號并解算出發(fā)射與接收之間的時延，結合所處海域聲速得到被定位目標與測量船之間的距離L1、L2；

3）計算Rt△AHO 和Rt△BHO，得到海面上AH、BH的長度；

4）差分GPS放置于測量船，以獲取相應測點的經(jīng)緯度信息和測點間距離d；

5）在測點中任取兩點作為測量點A 和測量點B，利用高斯-克呂格平面直角坐標公式［12～13］將測量點A 和測量點B 的經(jīng)緯度坐標轉換為平面直角坐標（xA，yA）（xB，yB），高斯-克呂格平面直角坐標公式如下：

η=e′cosB，其中e′為地球的第二偏心率；

t=tanB；

6）在△ABH 中，H 點坐標（xH，yH）的計算公式如下：

7）在6）的基礎上用高斯-克呂格反變換公式［12～13］解算出H 點的經(jīng)緯度，也即被定位目標的經(jīng)緯度。

5 試驗驗證

依托某項目在大連海域進行了海上試驗驗證，試驗海域海水深度40m 左右，海況2 級，被定位目標與測量船的距離在300m～800m 之間。圖4 為系統(tǒng)的主要硬件組成。

圖4 差分GPS定位系統(tǒng)及水聲測距系統(tǒng)

試驗前用差分GPS 記錄被定位目標的布放位置。試驗過程中，當差分GPS輸出的測點坐標保持穩(wěn)定時開始記錄。利用式（2）～（3）解算出H點的位置坐標，標記為H（ii=1，2…N），將被定位目標的布放位置與Hi 的間距大于5m 的點作為野點剔除。從HM 開始對解算值進行處理，計算從H1 到HM 中任意兩個點之間的距離并進行求和，將到各個點距離之和最短的點記為HM，HM 作為先驗條件。從HM+1 開始，數(shù)據(jù)解算模塊輸出到n 個解算值距離之和最小的點的位置坐標。隨著采樣點增多，位置不斷進行更新，直到|?H |在某個范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，此時數(shù)據(jù)解算模塊輸出的位置記為HN，若HM 與HN 的距離小于0.5m，則以HN 作為解算模塊輸出的被定位目標位置；若HM 與HN 的距離大于0.5m，將H1 到HN 中到各個點距離之和最短的點作為先驗條件，重復上述過程。

本次試驗取前10 個有效解算值來確定HM 的位置，當連續(xù)五個點滿足|?H|≤0.2m，即認為HN的位置保持穩(wěn)定。圖5 為|?H|變化趨勢，從第23個點到第27 個點，|?H|均小于0.2m。從圖6 可以看出，HM、HN 與解算值分布在以布放位置為中心，半徑為1.7m的圓內(nèi)，計算得HM與HN的距離為0.42m，此時HN即為被定為目標的最終位置。若以被定位目標的布放位置為真值，則認為此次試驗的定位精度為1.7m。

圖5 |?H |變化趨勢

圖6 布放位置、HM、HN與解算值的位置關系

6 結語

本文針對經(jīng)典的長基線定位基陣布放復雜這一特點，根據(jù)長基線定位原理，利用單水聽器和差分GPS進行組合定位，實現(xiàn)了對水下目標的快速便捷定位，同時對試驗測試過程數(shù)據(jù)進行了誤差修正，提高了定位精度。