论文库| 超短基线定位系统声线弯曲误差修正方法研究

張惠軍 2017-04-11

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摘要: 对于水声定位系统，由于声速不均匀垂直分布引起的声线弯曲严重影响了系统的定位精度，必须进行声线修正。超短基线水声定位系统是根据信号到达接收基阵阵元之间的时延差进行目标定位解算的，其声线弯曲误差修正方法与长基线定位系统不同，需要同时修正距离信息和角度信息。本文提出了一种适用超短基线定位系统的声线弯曲误差修正方法，根据射线声学理论修正距离信息，根据几何关系修正角度信息。湖上试验数据处理结果表明，该方法能有效修正声线弯曲引起的定位误差，大大改善超短基线定位系统的定位精度。

关键词: 声线修正；超短基线；定位精度

引言

水声定位技术是当前水下目标定位的主流技术，是国防建设、海洋开发、海洋资源勘探、海洋科学考察等领域不可或缺的技术保障。超短基线定位系统是水下声学定位技术中的一种，它是根据发射信号到达定位基阵阵元之间的时延差计算得到目标在基阵坐标系下的相对位置，再根据定位基阵的方位姿态数据和大地坐标数据经过坐标转换获得目标的绝对位置。

针对水声定位系统，由于声速不均匀分布引起的声线弯曲严重影响了系统的定位精度，必须进行声线修正。目前常用的声速修正方法大部分都是基于射线声学理论进行的。超短基线定位系统的声线弯曲误差修正方法与长基线定位系统不同，需要同时修正距离信息和方向角信息。本文提出了一种适用超短基线定位系统的声线弯曲误差修正方法，根据射线声学理论修正距离信息，根据几何关系修正方位角信息。由于USBL定位系统的特殊性，它是可以求出声线的掠射角的，因此无需进行大范围声线搜索，仅需要在小范围内进行声线搜索即可，这就大大降低了实时运算量。

本文在推导消除声线弯曲影响的 USBL 定位解算方法基础上，通过湖上试验数据处理结果验证了本文提出的方法能有效修正声线弯曲引起的定位误差，大大改善超短基线定位系统的定位精度。

1 超短基线定位基本原理

设定超短基阵的四个阵元构成的左手直角坐标系为基阵坐标系，其中 1 号和 3 号阵元在 x 轴上， 2 号和 4 号阵元在 y 轴上，基阵中心 O 为坐标原点，阵元间距为 D (指 1、3 阵元间距和 2、4 阵元间距)，如下图1所示。设目标位于 S 处，其在基阵坐标系下的坐标为 (x, y, z) 。

图 1 超短基线定位原理示意图

目标径矢为OS ，其在基阵坐标系下的方向角向量为 a = é?axayazù? ' ，若 R 为目标斜距，设定基阵尺寸相对于目标斜距很小，在平面波近似下可得：

其中c 为水中声速，t13 、t24 分别为 1、3 阵元和 2、4 阵元接收信号时延差， cos(az ) 的符号根据先验信息获得。

设定入射声线与以基阵中心点为原点的大地坐标系的方向角向量为 b ，根据坐标旋转理论可知：

其中： RT 为从载体坐标系到大地坐标下的旋转矩阵， RT 为从基阵坐标系到载体坐标系的旋转矩阵。

这样在已知斜距 R 情况下，可得到以基阵中心点为原点的大地坐标系下的目标位置坐标为，其中。

2声线弯曲误差修正方法

2.1 距离修正方法

根据计算得到的入射声线与以基阵中心点为原点的大地坐标系的方向角余弦向量 cos(b) ，可求得入射声线与以基阵中心点为原点的大地坐标系下的水平面的夹角余弦为：

其中q 即为入射声线到达基阵中心点为原点的大地坐标系下的水平面的掠射角，符号根据声线的入射方向确定。

已知入射声线到达基阵中心点的掠射角、声速分层分布、发射点的深度和接收点的深度，在不发生反转的情况下，根据射线声学理论可反推得到从声源出发的声线轨迹，从而可计算得到收发之间的直线斜距 R，这样就实现定位解算中的距离修正。在掠射角q存在误差情况下，只要在q附近小范围搜索即可快速得到收发之间的水平距离。

仅仅完成距离修正并没有完全修正声线弯曲引起的定位误差，因为此时我们得到的目标方向角向量还是入射声线(曲线)与基阵中心点为原点的大地坐标系的夹角向量，并没有得到收发之间的直线连线在以基阵中心点为原点的大地坐标系下的方向角向量，因此还需要进行方向角修正。

2.2 方向角修正方法

图 2 方向角修正几何关系示意图

设定收发之间的直线连线与以基阵中心点为原点的大地坐标系的方向角向量为，则可知目标在以基阵中心点为原点的大地坐标系的坐标为：

下面我们来分析夹角向量 r 与 b 、 j 之间的关系。

设定以基阵中心点为原点的大地坐标系为O-NEU 坐标系，其中O 为基阵中心点。设定未进行方向角修正前的目标位置为 S1 ，其在水平面上的投影为 S ' ， S 与基阵中心点之间的水平距离为 r ，则 OS1 与水平面 NOE 的夹角为 q 。设定目标真实位置为 S，其在水平面 NOE 上的投影为 S￠，S 与基阵中心点之间的水平距离为 r ， OS 与水平面 NOE 的夹角为 j ，且 cosf =r R 。声线弯曲不会改变声线在水平面上的投影位置，因此 S1 和 S 在水平面上的投影在同一条直线上，如上图 2 所示，平面 OS S' 和平面 OSS ' 是重合的。

因此根据几何关系可得到：

这样就得到了声线弯曲修正后的超短基线定位系统定位解算公式。

3 湖试数据处理结果

采用上述的声线弯曲修正方法对某超短基线定位系统湖上试验数据进行处理，试验区域的声速分布数据已知。试验时目标深度约为 88.6m，基阵布放深度约为 3m，目标沉底布放，定位基阵从距离目标550m左右由远及近靠近目标航行。图3给出航次 1 试验数据声线修正前后的定位结果对比，图 4 给出航次 1 试验数据声线修正前后的水平距离误差对比结果，由图中结果可看出，随着距离的增加，声线弯曲引起的定位误差逐渐增大，这与实际情况是相符的，声线弯曲修正后，定位误差显著减小，在500m作用距离内水平定位误差小于 2m。图5 和图 6 分别是航次 2 试验数据声线修正前后的定位结果对比和水平距离误差结果对比，由图中结果可看出，声线弯曲误差修正方法同样有效。根据两个航次湖上试验数据处理结果可知，采用上述的声线弯曲误差修正方法，可有效修正声线弯曲引起的系统定位误差，显著提高超短基线系统的定位精度。