高精度超短基线定位系统的分析与仿真_马晓民

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２００２年第　１　期 声学与电子工程 总第　６５　期　
高精度超短基线定位系统的分析与仿真　
马晓民 田路　
（第七一五研究所　富阳３１１４００）　
摘要 本文对基阵孔径远大于半波长的超短基线定位系统作了精度分析和技术分析，并提
供了主要技术的仿真结果。

关键词 超短基线定位 应答器 宽带信号 时延测量
１引言　
近年来，在深海海洋勘探中大量使用各类深拖设备，作业中要实时测量这些设备的水下位置信息，因此需要使用水声定位系统完成这一任务。

超短基线（USBL ）定位系统是经常使用的一种定位设备，这种设备安装使用方便，价格相对便宜，但其定位精度不高，有效定位距离也不远。

常规的超短基线定位系统多采用孔径小于半波长的三元或四元基阵，使用CW 信号，通过计算各通道间的相位差估算信标方位，再利用应答或同步方式测量信标斜距，最后测得信标位置。

由于基阵孔径小，一般仅为3~5cm,系统的定位精度受限，另外，由于多途干涉的影响，CW 信号的相位会产生起伏，这也将直接影响定位精度。

为了满足深海作业需要，必须对常规USBL 定位系统进行改进，以实现远距离定位要求。

主要改进措施包括加大基阵孔径、使用宽带信号进行测向并使用高精度测量传感器进行补偿等。

２　ＵＳＢＬ系统精度分析　
利用两对相互正交配置的水听器可以构成USBL 基阵，以四元阵为例，如图1所示。

水下应答器或信标置于海上作业的拖曳设备上，USBL 基阵与水下应答器或信标T 以应答方式或同步方式实现斜距测量（需作声速校正），设基阵中心至水下应答器或信标的几何斜距为R ，声线传播距离为S ，另外，可以使用压力传感器测出水下信标的深度值t z , 并将它以水声通信方式传送到干端处理平台上。

系统可以通过水声遥控方式控制水下应答器或信标的工作方式和参数。

图1 USBL 系统示意图 r ¦Ñ
－
16 － 各符号如图1所示。

通过简单的几何计算并作适当近似，可以得到在立体空间中入射角13θ、24θ与方位角α和俯仰角β间的关系式。

应答器至1、3号基元的距离分别为1T R 和3T R ，可得下式
ρβραβθsin cos cos cos sin cos 13−= （1）
同理，可以得到
γβγαβθsin cos cos sin sin cos 24−= （2）
使用纵横摇传感器可以测得ρ和
γ，利用USBL 基阵可以测得13θ和24θ，
由(1)(2)两式不难求出α和β值。

图2
给出了在纵摇角10°时的入射角与俯
仰角及方位角关系的一组示意图。

表1第一行列出了对USBL 系统的
定位精度要求，由此可以推算出对α和
β的精度要求，计算机仿真结果表明：
13θ、24θ精度虽然与α、β、ρ和γ的
组合有一定关系，但与α、β的精度基
本上在同一量级。

表1 USBL 系统精度要求 β值范围
< 30° < 60° < 70° < 85° 相对精度
0.5% 1% 2% 5% α、β精度要求
0.2° 0.4° 0.8° 1.9° ñ、ã精度(传感器可达到的精度)
0.1°~0.15° θ13、θ24精度要求 0.2° 0.4° 0.8° 1.9°
当d >>λ/2时，通过测量各通道所接收的宽带信号的到达时间差（而非窄带信号的相位差）来确定信号入射角。

而通过信号处理算法可以得到任意两通道间的接收信号时间差(设1、3通道间的时间差为13τ，2、4通道间的时间差为24τ)　
c d 13
13cos θτ= （3） c d 24
24cos θτ= （4）　由上式不难得到如下的误差分析公式，式中用−•)(δ表示测量误差(均方差)，并假设各误差
因素间互不相关，则入射角估计误差为 21313213132131313)sin cos ()sin cos ()sin (−−−−
++=d d c c d c δθθδθθδτθδθ （5）　图2 入射角θ与俯仰角β和方位角α的关系（纵摇10°）
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224
24224242242424)sin cos ()sin cos ()sin (−−−−++=d d c c d c δθθδθθδτθδθ （6）　依以上误差公式可以知道：若利用先测入射角，再估算方位角和俯仰角，最后定位的算法，在越靠近USBL 基阵的正下方锥角区域内，测向精度越高，定位精度也越高。

按以上分析若测向精度要达到约0.2°，设中心工作频率取为20kHz ，水听器间距d 取为40cm ，为达到这一测向精度的要求，除要求航向和纵横摇传感器精度要达到0.1°外，还需保证时延测量误差小于0.5ìs ，声速测量精度应优于1.0‰，阵元位置精度应达到1mm 量级。

为了有效克服多途传播(如船体结构反射等因素)的影响，应答器或信标的发射信号需使用宽带信号，线性调频(LFM)信号是使用得较多的一种宽带信号，另外，伪随机序列直序扩频信号在时间和频率维都具有很高的分辨力，它可以有效地分离出多途信号，在USBL 定位系统中是一种合适的信号形式，若选用127元码片长度的gold 序列，带宽取为5kHz ，信号长度为25.4ms ，按文献[1]所述，其时间分辨力可达到0.07ms ，频率分辨力可达17.3Hz 。

在实现方法上，应使用高精度时延测量技术、基阵阵形校准技术和声速/声线修正技术[2][3]，并要保证USBL 基阵基线和纵横摇传感器基线间的安装精度。

３关键技术　
３．１高精度时延测量技术　
为了保证上述高精度时延测量误差要求，仅利用拷贝相关峰值位置的估计精度是远远不够的，还需要利用信号的相位信息以提高信号的时延估计精度。

高精度时延估值方法原理框
图见图3。

设采样率为f s ，FFT 尺寸为N ，频率分辨元宽度为f s /N ，信号通带内相邻分辨元间的相位差为ψ，对这些相位差值求均值−
ψ以减小误差，可以得到时延修正量 )1mod()ð2(s
s m f f N −=ψτ （7） 式中，mod()代表取模运算。

若相关峰值的时间位置为p τ（为采样周期的整数倍），则精确的时延值为
m p τττ+= （8）
由于相位(差)估计受噪声影响很大，故时延估计精度受输入信噪比的影响也很大，为保
成图3高精度时延测量方法
－
18 － 证必要的时延估计精度，USBL 定位系统一般在高输入信噪比条件下工作，通带内的输入信噪比通常要大于15dB 。

３．２　基阵精密校准技术　
为便于使用，USBL 基阵通常设计为可升降式结构，在使用时从船的围井放入水中，放入船下约0.5~1.5m ，一般在船速低于6节条件下使用。

由于每次使用时升降杆的歪斜状态不同，USBL 基阵阵元位置与理想状态不一致，而如前所述，USBL 系统对基阵精度要求极高，因此在每次使用前需对基阵作现场校准，待基阵校准完成后再转入正式的跟踪工作状态。

校准方法较为复杂，先是布放一只坐底的应答器，在校准过程中应答器的位置是始终不动的，作业船围绕应答器运动并同时测量应答器位置，测量次数可达上百次，这些测量值分布在应答器真实位置值附近。

由于基阵位置误差对测量误差的影响明显高于设计要求，为此需建立以基阵阵元位置为未知参数的上百个测量方程，最终估算出基阵阵元位置偏差。

３．３可靠应答及数据传输技术　
水下应答器需解决的关键技术除深水宽带换能器外，还需要有可靠的应答措施并能可靠传送传感器数据。

可靠的应答包括不漏答、不虚答、应答反应时间固定等方面，实质上这要求应答器的信号处理部分要有较好的检测性能。

对于工作在深水中的应答器，由于传播条件较好，可以从USBL 基阵发送CW 信号给应答器（可以有两种或多种频率选择），为保证可靠，可以利用固定的发射间隔信息进行时间过滤以去除虚警。

对于工作在数千米水深的情况，相比于声速测量精度，应答时间精度只需做到数毫秒就可满足要求。

应答器的数据传输采用伪随机序列直序扩频信号[4]，其特点不在这里赘述。

４仿真结果　
图4给出了一组宽带信号的
时延估计仿真结果。

仿真中所用
宽带信号为LFM 信号，所用高
斯噪声的带宽与信号相同，应答
器与USBL 基阵间有3节的相对
速度。

图中所给出的是时延估计
误差与输入信噪（混）比的关系，
虚线表示噪声背景下的仿真结
果，可见当输入信噪比高于3dB
时，时延测量精度可达到0.7ìs ，
当输入信噪比高于14dB 时，时延测量精度可达到0.3ìs ；实线表
示混响背景下的仿真结果，当信混比高于16dB 时，时延估计精度可达到0.3ìs ，当信混比低于12dB 时，时延估计误差显著增大。

图5给出了一组USBL 系统定位的仿真结果，这组结果只利用深度信息和USBL 基阵的时延13τ、24τ信息，仿真中应答器深度为2000m ，其深度测量精度为2m ，平均声速估计精度为0.5‰，时延测量精度为0.5ìs ，基元有1mm 的位置误差，基阵的纵横摇角最大可达20°, 纵图4 高精度时延估计仿真结果
－ 19 － 横摇传感器测量精度为0.15°。

图5的上图为一组结果的平面轨迹示意，下图为依园锥角（俯仰角）所得到的误差结果，其中虚线为指标要求的结果。

从图中可见，当应答器在50°锥角内时，定位精度满足要求，但当应答器在50°锥角外时，定位精度不满足要求。

图6是利用深度信息、时延信息以及应答器斜距信息的最小二乘计算结果，斜距误差为3‰，其它条件与前相同。

从结果看，在小锥角情况下，结果与前一种方法大致相当，但在大锥角应用时，则定位精度显著提高。

虽然深海使用多数是小锥角情况，但在浅海和大陆架区，则使用在大锥角情况还是较多的，因此，有效利用应答器的斜距信息还是必要的。

５结束语　
本文是对USBL 系统分析的初步结果。

尽管在本文仿真中已考虑了多个因素，但仍有一些还未涉及，如基阵校准技术及其所能达到的精度，这一部分内容是高精度USBL 定位必需的，将另文研究。

在设计中曾得到海洋局第二研究所包更生和海洋技术研究所郭纪捷两位研究员的帮助，在具体工作中也曾得到夏铁坚、刘德中和邱俭军等同事的帮助，在此一并表示感谢。

参考文献
1 朱埜．主动声纳检测信息原理．北京：海洋出版社，1990
2 刘伯胜等．水声学基础．哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，1993
3 李家彪．多波束勘测原理技术与方法．北京：海洋出版社，1999
4 张贤达等．通信信号处理．北京：国防工业出版社，2000.
图6 USBL 定位仿真结果（2）
图5 USBL 定位仿真结果（1）。