【学术论文】高精度水声定位技术的发展现状及关键问题- 大数跨境

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【学术论文】高精度水声定位技术的发展现状及关键问题

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2023-07-11

导读：摘要【作者】：阳凡林１，２，辛明真１，２，姜放３，朱伟刚３（１．山东科技大学测绘与空间信息学院，山东青岛

摘要

【作者】：阳凡林１，２，辛明真１，２，姜放３，朱伟刚３

（１．山东科技大学测绘与空间信息学院，山东青岛２６６５９０；２．自然资源部海洋测绘重点实验室，山东青岛２６６５９０；３．长春工程学院，长春１３００２１）

【摘要】：随着海洋开发活动的深入，海洋定位与导航的需求从水面以上转变为水上、水下的全部海洋空间。尽管全球导航卫星系统极大地推动了大地测量与导航定位领域的全新发展，但电磁波在水体中快速衰减的特性使其无法直接用于水下目标的定位与导航。声波在海水中具有良好的传播特性使得水声定位技术被广泛研究，不仅研发出了多种民用领域常用的水声定位系统，水声定位技术也成为构建海洋大地测量基准的核心技术之一。在分析总结水声定位技术方法和理论体系发展现状的基础上，对高精度水声定位技术发展的若干关键问题进行了探讨和展望。

【关键词】：水声定位；海洋大地测量基准；声线跟踪；收发分置；三维声速场

RECRUITMENT

高精度水声定位技术的发展现状及关键问题

引言

随着海洋开发活动的深入，海洋定位与导航的需求从水面以上转变为水上、水下的全部海洋空间，海洋定位与导航是开展海洋科学研究、海洋资源开发、海洋工程建设、海洋环境治理和海洋战场建设的重要基础［１－６］。尽管以ＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ、ＢＤＳ和Ｇａｌｉｌｅｏ为代表的全球导航卫星系统（ＧＮＳＳ，ＧｌｏｂａｌＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳａｔｅｌｌｉｔｅＳｙｓｔｅｍ）能够提供ＧＮＳＳ非拒止条件下的全球范围内的高精度导航定位服务，但电磁波在水体中快速衰减的特性使得ＧＮＳＳ无法直接用于水下目标定位，由此声波在海水中良好的传播特性使水声定位技术得到了广泛研究，并发展出了长基线定位系统（ＬＢＬ，ＬｏｎｇＢａｓｅｌｉｎｅＳｙｓ－ｔｅｍ）、短基线定位系统（ＳＢＬ，ＳｈｏｒｔＢａｓｅｌｉｎｅＳｙｓ－ｔｅｍ）、超短基线定位系统（ＵＳＢＬ，ＵｌｔｒａＳｈｏｒｔＢａｓｅ－ｌｉｎｅＳｙｓｔｅｍ）和ＧＡＢ定位系统（ＧＡＢ，ＧＮＳＳ－Ａ－ｃｏｕｓｔｉｃＢｕｏｙｓＳｙｓｔｅｍ）等具有代表性的系统，并在海底勘测、海洋调查、潜水员作业、水下打捞、水下工程等实际应用中发挥了重要作用［７－９］。此外，海洋大地测量基准是陆海统筹国家大地测量基准的重要组成部分［１０］，是融合了测绘基准与时空服务属性的国家基础设施，一般采用ＧＮＳＳ与声学定位相结合的技术方法，通过周期性的测量实现长期维持海洋大地测量基准，因此，水声定位技术也是构建海洋大地测量基准的核心技术［１１］。海洋大地测量基准不仅可以满足日益增长的海洋定位与导航科学的研究与民用需求，如板块运动监测、大陆架划界、深远海资源开发等［１２－１３］，又可为ＧＮＳＳ拒止环境下的海洋高精度定位与导航提供一种可替代的技术手段，如对执行长航时水下隐蔽任务的潜艇、ＡＵＶ等进行位置精确校准［１４－１５］。因其具有极为重要的科学研究价值和军事战略意义，已成为世界各国争相发展的核心设施与关键技术。随着海洋声学设备观测精度的日益提高，制约高精度水声定位技术发展的主要因素正逐渐从硬件设备的测量误差转变为理论方法的不成熟。一方面是现有的观测模型和误差模型仍有待完善［１６］，主要体现在模型中存在的近似假设和误差忽略；另一方面海洋环境的动态变化是造成观测模型和误差模型存在不确定性的主因［１７］，但现有技术手段尚无法通过对复杂海洋环境参数的大范围时空连续监测实现利用海洋环境时序变化信息对水声定位进行精确的误差改正。因此，本文旨在对高精度水声定位技术的发展现状进行系统性的分析总结，并针对该研究领域内的若干前沿问题进行探讨，从而为高精度水声定位的理论研究和技术发展提供参考。

1、水声定位技术方法

水声定位技术是通过测量声学信号在水体中传播的时延、相位等信息，对水下目标进行距离交会定位或测距测向定位，根据技术方法的不同研发出了ＬＢＬ、ＳＢＬ、ＵＳＢＬ和ＧＡＢ等典型系统［１８］。如图１所示，LＢＬ利用海底精确校准的声学基准对目标进行距离交会定位，具有定位精度高、跟踪范围大的优势，但声学基准的布设和回收过程较为复杂；ＳＢＬ利用测量载体安装的多个声学基阵进行距离交会定位，尽管不再需要布设水下声学基准，但受测量载体结构的限制，使得定位精度和跟踪范围也受到较大影响；ＵＳＢＬ通过将多个声学单位集成到一个声学换能器中，对水下目标进行测距测向定位，测量精度有限但操作简便灵活；ＧＡＢ是以多个ＧＮＳＳ浮标为水面载体，利用浮标上的声学换能器对目标进行距离交会定位，是一种具有重要发展前景的水声定位技术方法。

由此可见，现有的水声定位技术主要是应用距离交会定位和测距测向定位原理，其中，距离交会定位可通过增加声学基准点的数量获得有效的多余观测信息，因此相比于测距测向定位，在高精度水下定位作业中的应用更为广泛。此外，为弥补各单一系统的不足，水声组合定位系统也受到了广泛的研究，主要包括ＬＢＬ／ＵＳＢＬ、ＬＢＬ／ＳＢＬ以及ＳＢＬ／ＵＳＢＬ等。如ＬＢＬ／ＵＳＢＬ组合系统既保证了独立于深度的高精度定位又兼有操作简便的特点，能够实现水下载体的连续、高精度导航定位。在相应的设备研制方面，技术发达的国家已实现了水声定位系统的商业化、产品化和系列化，代表性的生产厂商有挪威Ｋｏｎｇｓｂｅｒｇ、英国Ｓｏｎａｒｄｙｎｅ、法国ＩＸＳＥＡ、美国ＬｉｎｋＱｕｅｓｔ、法国ＯＲＣＡ、澳大利亚Ｎａｕｔｒｏｎｉｘ等［１９］。国内的水声定位技术尽管起步较晚，但在水声定位设备研制方面取得了长足进步，哈尔滨工程大学、中国科学院声学研究所、山东科技大学等科研院校和江苏中海达海洋信息技术有限公司等民营企业都具备了高精度声学设备的自主研制能力，尤以哈尔滨工程大学的研究成果较为突出，研制了国内首套具有自主知识产权的深海高精度超短基线定位系统［２０］。在国家８６３计划资助下，中国测绘科学研究院与中国船舶重工集团公司第七一五研究所联合研制开发了国内首套水下ＧＰＳ高精度定位导航系统［２１］，在高精度水声定位技术方面做出了有益探索。

2、海洋大地测量基准建设

由于海洋大地测量基准本质上是对水下静态目标在参考框架下的高精度定位与维持，因而大都采用ＧＮＳＳ与水声定位技术相结合的方法，目前仅有个别发达国家具备了相应的技术条件。美国Ｓｃｒｉｐｐｓ海洋研究所安装了一套ＧＮＳＳ－Ａｃｏｕｓｔｉｃ测量系统（图２（ａ）），用于监测海底板块的运动［２２］美国国防高级研究计划局提出构建深海定位导航系统（ＰＯＳＹＤＯＮ），利用深海基准点为潜艇或水下机器人提供ＧＰＳ拒止条件下的精密定位与导航服务［２３］。日本海上保卫厅的海洋水文部在日本南海海槽、日本海沟等海域布设了大量的声学基准点，构建起了世界最大的海洋大地测量基准网（图２（ｂ））［２４］。国际大地测量协会（ＩＡＧ）正式设立了海洋大地测量工作组，以推动海洋空间基准与水下定位技术发展［１］。

除了前述已构建或计划构建的专门用于海洋定位与导航的海洋大地测量基准系统，各国已广泛建设的海洋环境监测网，以研究地震海啸、海气交换、海洋生态为主要目的，主要包括美国和加拿大的海王星计划（ＮＥＰＴＵＮＥ，图２（ｃ））、欧洲海洋观测网（ＥＳＯＮＥＴ）、欧洲多学科海底观测（ＥＭＳＯ）、日本密集海底地震和海啸网络系统（ＤＯＮＥＴ）等［２５］，它们需要采用海洋定位与导航技术为其提供时空基准与位置服务，且具备升级为海洋大地测量基准的基础条件。

尽管我国的北斗卫星导航系统和水声定位技术得到了长足发展，但在海洋大地基准建设领域仍落后于那些技术发达的国家，并滞后于国家社会经济发展的新形势和国防战略需求［１，１０］。近年来，国家重点研发的“海洋大地测量基准与海洋导航新技术”计划面向国家战略需求和技术差距，在突破陆海统一的海洋大地测量基准构建与实现、海底框架点建设与维护、水下高精度定位导航等关键技术壁垒，集合了行业内的优势力量，通过深海综合试验完成了海底方舱、高精度声学设备、基准定位方法的技术验证工作，为我国自主建设海洋大地测量基准积累了宝贵的技术和经验［２６］。

3、水声定位误差处理

水声定位的误差来源主要包括声学时延的测量误差、仪器的安装校准偏差声速相关误差等（图３）［２７－２８］，对于前两类误差，目前可通过精细校准、模型改进等方法进行有效消除或减弱。对于声速相关误差，又可细分为两种：其一是声波折射效应引起的误差，一般考虑结合实测声速剖面，采用声线跟踪计算的方式消除折射效应的影响［２９］；其二是由于非实时实地测量声速剖面引起的声速剖面代表性误差，因受制于现有的声速测量手段，所以实现一定范围内海水声速的时空连续监测非常困难［１６－１７］。因此，如何有效地消除声速相关误差影响已成为制约高精度水声定位的关键因素。

对于声速相关误差的消除，目前需要重点解决两方面的问题：一方面是在声速剖面准确的情况下，解决由观测时延准确改正得到距离观测值的问题，即结合射线声学理论方法，根据声速分布实现声波传播路径的准确反演；另一方面是消除声速剖面代表性误差的影响，现有研究主要是通过构建三维声速场获取更加精细的声速分布信息，而三维声速场的构建需要一定数量的实测声速剖面作为基础，或者通过定位模型优化或增加观测约束的方式来消除误差影响，而这就要求模型或约束条件本身具有相当的精度，才能保证对声速误差消除起到有效的作用。

在声线跟踪方法研究方面，常梯度声线跟踪方法的计算精度高且应用广泛，存在常梯度层内弧长积分和弦长积分两种不同的积分方法［３０］。为了提高常梯度声线跟踪方法的计算效率，推导出了利用常梯度等效声速剖面来代替复杂实际声速剖面的等效声速剖面法［３１］。但无论是常梯度声线跟踪法或是等效声速剖面法，进行声线跟踪的前提都要求波束入射角已知，而采用距离交会原理的水声系统通常未对波束入射角进行直接观测，导致常用的声线跟踪方法无法直接应用于水声定位。为此，笔者研究团队提出顾及波束入射角的水下定位声线跟踪方法，使得上述问题得到有效解决［３２］，通过迭代计算过程实现波束入射角和目标位置的渐次修正。

在构建三维声速场的研究方面，赵建虎等［６］认为构建声速场模型是削弱声速代表性误差的有效途径，存在的困难是海洋声速短时变化大且规律性不强。笪良龙等［３３］提出了经验正交函数随机多项式展开方法，实现了海洋声速空间非均匀和时变条件下的声场预报；李博［３４］基于Ａｒｇｏ数据开展了海洋时空声速预测方法研究，提出了基于人工神经网络的高空间分辨率处理方法，通过对多时间跨度数据进行统一处理以提高精度；Ｚｕｊｅｖ等［３５］利用经验正交函数进行海面温度和盐度的数据同化处理，采用流域尺度重建进行了可行性研究。前述研究表明合理利用海洋要素的反演信息对于提高水声定位精度是切实有效的，但准确的三维海洋要素场的构建需要以一定的实测信息为基础，而在深海海域依靠测量船进行大量的海洋剖面采集的效率低且成本高。

4、水声定位模型构建

一般认为当距离观测值仅受偶然误差影响时，水声距离交会定位的非差最小二乘法是最有效的解算方法，但受复杂海洋环境动态变化的影响，水声距离观测值受到各类偶然误差、系统误差甚至粗差的综合影响，因此，构建起完善的水声定位模型成为当前的研究重点之一。在定位模型构建研究方面，ＸｕＰ［３６］提出并证明了差分定位可有效消除系统性误差的影响，但实际应用中受观测结构影响常常表现出严重的病态性；笔者［３７］提出了无声速剖面水下定位的概念，并通过构建测距误差与声学时延关系模型消除了声速剖面代表性误差的影响；赵建虎等［３８］提出并验证了深度约束定位方法可有效提高水声定位精度，但前提是需要将深度计测量的压强值转换为深度值，而压强—深度转换的实用方法及其精度评定等关键问题仍有待研究；笔者研究团队［３９］提出了一种基于等效声速的ＴＯＡ／ＡＯＡ水下定位方法，能够实现等效声速梯度和目标位置的准确解算，但具备高精度测角能力的矢量水听器尚未成熟。前述几种具有代表性的方法分别采用差分解算、误差拟合、观测约束以及参数解算等形式在海洋大地基准定位模型优化方面进行了有益探索，也证明了完善水下定位模型是消除误差影响、提高定位精度的有效途径。

值得注意的是，现有的定位观测模型和误差模型均基于收发同置假设（图４（ａ）），即认为声波的往返路径相同。但实际情况下，声波在传播的往返过程中，水面测量载体及其搭载设备都处于运动状态，因此在声波的发射时刻和接收时刻，测量载体及其搭载设备的位置、姿态必然发生变化，此即收发分置问题（图４（ｂ））。一般认为，在浅水的主动水声定位中采用收发同置假设是可以接受的，但对于深海高精度水声定位而言，假如在声速为１５００ｍ／ｓ的情况下，对３０００ｍ距离的目标进行声学测距观测，此时声波的往返时延将达到４ｓ之多，这种情况下仍采用收发同置假设必然在定位结果中引入较大的误差。早期研究之所以无法充分考虑水声定位的收发分置问题，主要是因为水下定位的声线跟踪方法尚不完善，而距离交会定位的单程准确声线跟踪直到近些年才得以有效解决［３２］。

5、结语

当前我国在水声设备研制和卫星导航系统建设方面已取得了长足进步，但在高精度水声定位导航技术领域仍然与技术发达国家存在较大差距，一方面体现在具有自主知识产权的技术装备竞争力和影响力不强，另一方面是基础性的水声定位导航理论体系尚不完善。未来应重点关注的若干问题和举措包括：１）重视高精度水声定位理论方法研究和技术体系构建，建立定位模型和误差模型实现水声定位误差的有效消除，由理论突破带动水声定位技术的创新发展；２）开展涵盖水声定位、惯性导航、匹配导航等多技术手段的多源融合导航技术研究，通过不同类型传感器的优化组合提高水下导航的精度、效率和可靠性；３）加快推动海洋大地测量基准网的建设实施、构建起服务于“一带一路”国家战略的海洋大地测量基准和海洋位置服务技术体系；４）加快水声定位导航技术成果向现实生产力的转化，制定水声定位导航技术标准和规范规程，推动具有自主知识产权的技术装备占据国内市场、走向国际市场。

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作品来源

本文整理自《长春工程学院学报》（自然科学版） 2021年第22卷第2期，转载请备注论文作者，说明文章来源，并备注由“智慧海洋公众交流平台”微信公众号整理。

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