超短基线定位系统在侧扫声呐水下定位中的应用

公式中相位差23可以使用仪器测量得到声时间间隔t也可以测量而声波波长为已知量将上述数据代入公式超短基线系统结构框图终可计算得到拖鱼的坐标值应用由3个收发基阵组成的最简单的超如图2所示
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２ 超 短 基 线 定 位 系统 来自 用 中 的误 差 分 析 根 据 图 １可 以 了解 到 超 短 基 线 的 数 据 来 源 主 要 有 Ｄ Ｇ Ｐ Ｓ 、
采用直角三角形基阵 ， 直 角 边 的阵 元 间 距 为 ｄ ， Ｘ 轴 指 向船 首方 向， ３ 个 基 阵 的坐 标 如 图 ２所 示 ， 分别为 （ ０ ， ｄ， ０ ） 、 （ ０ ， ０ ， Ｏ ） 、
２ ０ １ ４ 年第 ３ Ｏ期总 第 ４ ２ ０期
收 基 阵 到拖 鱼 的 相 对 方 位 角 ； 通 过 测 定 声 波 到 接 收 基 阵 的 时
由于 在 实 际 生 产 中 斜 距 ｒ远 大 于 阵元 间 距 ｄ， 因 此 可 推 导 出公 式 （ ８ ） 、 （ ９ ） ：
一
间， 再利用声速剖面修 正波速 线 ， 最 终确定 接收基 阵到拖 鱼 的
了 ３根 单 相 海 底 电 缆 ， 作为 南方 电 网主网与 海南 电 网的联络 线 。受 狭 管 效 应 影 响 ， 琼 州海峡 常年海 流较大 ， 而 海 底 电 缆 部
（ ｏ 。 ０）
分海域海床为泥沙底质 ， 易因海水 冲刷而使海底地形 地貌产 生
巨大变化 。同时琼州海峡是 国内最繁忙 的航道之一 ， 船舶抛锚
相 对距 离 ， 从 而 确 定 拖鱼 的相 对 位 置 。
一
［ ｒ — ｒ （ ＋ ［ ｒ — ｒ （ ＋
≈
≈
） ］ ≈ ｘ 手 ｃ ｓ ） ］ ≈ × 手
（ ８ ）
（ ９ ）
堡
式中 ， 为接收到 的声波波长 ； 为接 收到的声波在水 中的传播
速度 ； Ａ ｔ 为拖鱼上的应答器发 出声波后 ， 声 波 被 船 舶 上 的 接 收 基 阵 接 收 到 的 时 间 间隔 。
公式 中 ， 相位差 、 纰。 可 以使用仪器 测量得 到 ， 声波 的波
速 、 时间间隔 △ ￡ 也可以测量得到 ， 因 此 可 以计 算 得 到 斜 距 ｒ ，
图 １ 超 短 基 线 系统 结 构 框 图
而声波波长 为 已知量 ， 将上述数据 代入公式 （ ８ ） 、 （ ９ ） 、 （ ３ ） ， 最
终 可 计 算 得 到 拖 鱼 的 坐标 值 （ ｚ － ， ｙ ， ｚ ） 。
应用 由 ３个收发基阵组成的最简单的超短基 线系统 ， 原理
如图 ２ 所示 。
。 一 ［ ｒ 一 耳
一
将发射基 阵、 接 收基 阵制作到 同一探 头 内形成收 发基阵 。将 至
少 ３个 收 发 基 阵 安 装 到 船 体 不 同 位 置 ， 应 答 器 安 装 到 拖 鱼 本
［ ｒ —Ｊ — ｒ ２ ＋ｄ ２ — －２ ｄ ｘ ］
（ ５ ）
体 。系统通过测定各 接收基 阵接 收到的信 号相位 差来确 定接
理， 并 根据 实 际应用 经验 ， 分析 了影 响系统 定位 的 ２ 类 误 差主要 来源 。 关键 词 ： 超 短基 线 ； 侧 扫声 呐 ； 水 下定 位
０ 引 言
南方 电网主 网与 海 南 电 网联 网 系统 （ 以下 简 为“ 联 网系 统” ） 于 ２ ０ ０ ９年 ６月 ３ ０日建成投 产 ， 联 网系统在琼州海 峡敷设
超 短 基 线 定 位 系 统在 侧 扫 声 呐 水 下 定 位 中 的应 用
陈航伟
（ 中国南方 电 网超高 压输 电公 司广 州局 ， 海南 海 口 ５ ７ ０ １ ０ ５ ）
摘
要： 根 据侧 扫声 呐应用 于海 底 电缆 路 由检 测 过程 中 ， 需 要对 拖 鱼 进行 精 确 水 下定 位 的 实 际需 要 ， 介 绍 了超 短基 线 定位 系统 的 原
姿态传感器的稳定性 和可靠性 、 水 下作业 环境 、 海况 都是超 短
基 线 定 位 系 统 的 主 要误 差 来 源 。 为尽 可 能 减 少 误 差 ， 提 升 系 统 定位精度 ， 需 首 先 明确 超 短 基 线 定 位 系统 的 机 电信 息 （ 下转 第 １ ０ ３页） １ ０ １
现象 较 为频 繁 。为 及 时 了解 海 底 地 形 地 貌 的 变 化 情 况 ， 确保海
底电缆安全 ， 需定期使用侧扫声 呐系统对海底 电缆路 由海 域开 展地形地 貌测 量。为获取精度较高 的测量数据 ， 需精确定 位侧
扫 声 呐 的 拖 鱼 在 水 下 的 位 置 。 目前 国 内 常 见 的 定 位 方 法 是 利
一
图 ２ 超 短基 线 系统 原 理 图
［ ７干歹干万 一 ７干 ＝
一 丽
］（ １ ）
］ （ ２ ）
用水声传感器对拖 鱼进行位 置测量 ， 并辅 助其他 姿态 传感 器 ， 可以得到较高精度的拖 鱼位置信息 。
伫 。 一 ［ ７
其中 ， 坐 标 原 点 与 拖 鱼 上 的 目标 斜 距 ｒ为 ：
船载姿态传感器 、 收发基阵等 ， 因此在实际应用 中 ， Ｄ ＧＰ Ｓ ／ 船载
（ ｄ ， ０ ， ０ ） ， 拖鱼上的应答器 坐标为 （ ， ｙ ， ） ， 以位 于坐标 原点 的
基 阵为基 准点 ， 可 以 计 算 得 到 和 其 他 ２个 基 阵 的相 位 差 计 算
公式：
ｒ一
１ 超 短 基 线 系 统 定位 原 理
超 短 基 线 定 位 系 统 主 要 由发 射 基 阵 、 应 答器 、 接 收 基 阵 和 数据处理单元组成 （ 其 结 构 框 图如 图 １所 示 ） ， 实 际生 产 中 一 般
￣ ／ ＝
一 ×
］
（ ３ ）
（ ４ ）
因此 ， 将公式 （ ３ ） 带 入公 式 （ １ ） 、 （ ２ ） ， 可得公式（ ４ ） 、 （ ５ ） ：