[科普中国]-水下声学定位

水下声学定位是指用水声设备确定水下载体或设备的方位、距离的技术。1

简介水下声学定位（underwater acoustic positioning）是用水声设备确定水下载体或设备的方位、距离的技术。根据从构成基阵的三个以上声应答器接收到的声脉冲信号到达时间或相位进行定位。按应答器基阵基线长度分为长基线定位（long baseline positioning），短基线定位（short baseline positioning）、超短基线定位（ultrashort baseline positioning）。1

主要类型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，下面为目前应用的主要三类声学定位系统：

超短基线定位系统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/angie）。

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。

短基线定位系统短基线定位系统由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lom，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4om；系统安装时，换能器需在船坞严格校准。

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）。

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。

组合定位系统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（range/angie）。1

发展现状国内技术现状国内已有成熟的声学定位技术，但不能满足长距离的定位需要。哈尔滨工程大学已研制出三种超短基线定位系统：“深水重潜装潜水员超短基线定位系统”；“探索者”号水下机器人超短基线定位系统；“灭雷具配套水声跟踪定位装置”。前两种都是简易的系统，仅用于近程的特殊使用场合，最后一种是型号产品，该系统的显著优点是浅海定位性能优良，即使对于水平方向（目标俯仰角为0 ）的目标，定位精度仍优于3%斜距，浅海作用距离达到3km，可实时给出3个目标的轨迹。这些系统由于种种原因，没有推向市场。

中科院声学所、厦门大学、6971厂、国家海洋局海洋技术研究所等单位在声学定位技术领域都进行过广泛研究。

国外技术现状国外对声学定位系统研究较早的是挪威Kongs-bergSimrad公司。该公司产品涵盖了超短基线、短基线和长基线三种类型，其研究开发有近30年的历史，有一系列成熟的产品投入到军方及民用。

法国OCEANOTechnoIogies公司（原MORS公司）于1997年推出的POSIDONIA6000长程超短基线定位系统，工作水深6000m，最大作用距离8000m，在6000m水深、30 开角范围内，测距精度为0.5%斜距，询问频率为8~14kHz，应答频率为14~18kHz，该系统已经成功地推向市场。此外，英国的Sonardyne公司，是一家专门从事生产水下声学仪器设备的厂家，其产品也涵盖三种类型。另外，澳大利亚的Nautronix公司、美国的ORE公司也从事声学定位系统的技术研究及产品开发。

多数的声学定位系统采用声脉冲群定位技术（tonebur stranging technigues），该技术是用固定的频率按一定的探测方向发射，所有用此技术的定位系统都使用正的信噪比，这种技术容易降低信噪比，使系统探测的范围及精度降低。现在有些公司，如Nautronix、Sonardyne等公司正在试验或已经初步开发了一种称为扩展频谱定位技术（spread spectrumranging technigues），相对于声脉冲群距离修正技术，该技术可以将信噪比提高6~12dB，使用这项技术可以得到亚米级的距离测量分辨率，并且对水面的噪声要求不严；另外一些公司，如Kongsberg Simrad公司，使用波束控制（beam steering）、零控（nuIIsteer-ing）、自适应噪声消除（adaptive noise canceIing）、声学栅隔（acousticbaffIes）等技术已经开发或正在试验新的产品。1

应用声学定位技术是国民经济建设和国防建设的基本技术，具有广泛的用途，主要包括：

海洋工程———海洋油气开发、海底光缆管线铺设及维护等工程，提供水下导航定位技术支持。大洋调查———利用深拖设备如ROV、UUV、AUV等进行深海矿产资源的探测和开发。

国防建设———潜艇、水面舰只的调遣、作战航行离不开导航定位，特别对潜艇来说，仅仅依靠无线电、GPS、惯性导航是不够的，而使用声学定位系统导航，再配合电子海图，则可以大大提高潜艇的作战能力。

其他方面———海洋灾害性地质研究、水下考古探测等，需要声学定位系统为其资料提供准确的空间位置。1

本词条内容贡献者为:

屈明 - 副研究员 - 西南大学