姬紅杰，王中秋，韓寶坤

(1.山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266000)

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水下五基元空間陣超短基線定位方法

姬紅杰1，王中秋2，韓寶坤1

(1.山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266000)

針對水下目標(biāo)定位時(shí)，單平面定位陣存在隨俯仰角變化定向精度變化大的問題，提出了水下五基元空間陣超短基線定位方法。該方法利用五基元空間陣中每個(gè)正交三元陣分別確定目標(biāo)方位，并將各正交三元陣定位結(jié)果互相修正作為目標(biāo)的最后定位結(jié)果。仿真分析表明俯仰角在80°～100°范圍內(nèi)，采用五基元空間陣超短基線定位方法，z坐標(biāo)的定位精度比單基陣定位時(shí)明顯改善，z坐標(biāo)的相對誤差沒有出現(xiàn)突變的現(xiàn)象，目標(biāo)的定位精度相對提高。

超短基線；五基元空間陣；俯仰角

0 引言

超短基線定位系統(tǒng)因?yàn)槎ㄎ换嚨某叽缧?，安裝方便，被廣泛應(yīng)用于水下目標(biāo)定位。近年來，研究更高精度的超短基線定位系統(tǒng)引起了國內(nèi)外眾多學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)的重視。例如，挪威Kongsberg公司研發(fā)的HiPAP500[1]，可在俯仰角50°的范圍內(nèi)定位精度優(yōu)于作用距離的 0.2%；英國Sonardyne公司開發(fā)的用于高頻段的Scout-USBL[2]產(chǎn)品，在俯仰角60°的范圍內(nèi)定位精度優(yōu)于作用距離的 0.5%；法國IXSEA公司[3-4]生產(chǎn)的POSIDONIA 6000型超短基線定位系統(tǒng)，當(dāng)俯仰角在30°范圍以內(nèi)時(shí)，定位精度是作用距離的0.5%，俯仰角在30°～60°范圍以內(nèi)時(shí)，定位精度是作用距離的1%；國內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)研制的“長程超短基線定位系統(tǒng)”可在俯仰角85°的范圍內(nèi)使定位精度達(dá)到±5%的斜距[5]。雖然這些研究或產(chǎn)品在某些方面取得了不錯(cuò)的成就，但對比這些成果的俯仰角和定位精度的關(guān)系，不難發(fā)現(xiàn)，水下目標(biāo)在基陣中的俯仰角變化時(shí)，目標(biāo)的定位精度隨之變化，當(dāng)目標(biāo)靠近定位基陣平面即俯仰角接近90°時(shí)，超短基線定位系統(tǒng)的定位誤差較大。本文針對此問題，提出了水下五基元空間陣超短基線定位方法。

1 五基元空間陣超短基線定位原理

傳統(tǒng)平面陣型超短基線定位系統(tǒng)的定位原理是利用收發(fā)換能器向水下目標(biāo)發(fā)送詢問信號，裝有聲學(xué)應(yīng)答器的水下目標(biāo)收到收發(fā)換能器的信號后發(fā)送不同于詢問信號的應(yīng)答信號，收發(fā)換能器通過測量發(fā)送信號到接收信號的往返時(shí)間來測定目標(biāo)與收發(fā)換能器之間的距離，再通過測量應(yīng)答信號到達(dá)收發(fā)換能器基陣各陣元的相位差或時(shí)間差來確定目標(biāo)方位[6]。

以xOy平面內(nèi)的正交三元陣USBL123為例，假設(shè)參考陣元為S2，定位結(jié)果為[7]：

(1)

本文采用的五基元空間陣[8]如圖1所示，陣元S1、S2、S3、S4和S5為五個(gè)聲壓換能器。以S1、S3和S2、S4連線的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，陣元間距為d，S1、S2、S3和S4呈正方形，陣元S5位于坐標(biāo)原點(diǎn)的正上方。

圖1 五基元空間陣定位示意圖Fig.1 Schematic diagram of five-element arrays

設(shè)目標(biāo)聲源的球坐標(biāo)為T(R,θ,φ)，即目標(biāo)T到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為R，俯仰角為θ，水平方位角為φ。當(dāng)目標(biāo)聲源T到基陣的距離遠(yuǎn)大于陣元間距d時(shí)，可以假設(shè)基陣接收的信號是平面波信號。

以S1為參考陣元，設(shè)聲源信號到達(dá)S1的時(shí)間為t1，到達(dá)陣元S2、S3、S4、S5相對于到達(dá)S1的時(shí)間延遲分別為τ21、τ31、τ41和τ51，則聲源信號傳播到S2、S3、S4、S5與傳播到S1的聲程差分別為d21、d31、d41和d51[9]：d21=τ21·c,d31=τ31·c,d41=τ41·c,d51=τ51·c，c為聲音在水中的傳播速度。

設(shè)目標(biāo)T相對于基陣坐標(biāo)原點(diǎn)的單位向量為T，則：

T=isin θcos φ+jsin θsin φ+kcos θ

(2)

由于采用了遠(yuǎn)場平面波假設(shè)，陣元S1為參考陣元，則目標(biāo)到陣元S2、S3、 S4和S5的聲程差為：

(3)

(4)

(5)

(6)

五基元空間陣超短基線定位系統(tǒng)是利用水平面內(nèi)的USBL123、USBL234、USBL341、USBL412和正交三元陣USBL135、USBL245分別確定目標(biāo)方位，然后通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將定位結(jié)果轉(zhuǎn)換到參考坐標(biāo)系中。俯仰角變化到目標(biāo)靠近各定位基陣平面時(shí)，通過改變各基陣定位結(jié)果在目標(biāo)定位結(jié)果中所占的權(quán)重來解決定位精度變化大的問題。

2 俯仰角對定位精度的影響

當(dāng)目標(biāo)靠近定位基陣平面時(shí)，定位精度突然惡化。俯仰角為哪個(gè)范圍時(shí)認(rèn)為目標(biāo)靠近定位基陣平面，則需要通過分析俯仰角對定位精度的影響來確定。

預(yù)設(shè)水平方位角為45°，俯仰角在0°～180°范圍內(nèi)變化。單一基陣定位時(shí)，x坐標(biāo)相對誤差(y與x相對誤差變化趨勢相同)如圖2所示。圖3為單一基陣定位時(shí)，z坐標(biāo)相對誤差變化。

圖2 x坐標(biāo)的相對誤差圖Fig.2 Relative error figure of x coordinate

圖3 z坐標(biāo)的相對誤差圖Fig.3 Relative error figure of z coordinate

從圖2中可以看出x坐標(biāo)相對誤差受俯仰角的影響變化不大；圖3中z坐標(biāo)相對誤差在俯仰角為80°～100°范圍內(nèi)急劇增大。對比圖2和圖3可看出x、z坐標(biāo)相對誤差變化均關(guān)于俯仰角為90°對稱；俯仰角變化時(shí)，主要是z坐標(biāo)測量誤差導(dǎo)致基陣的定位誤差發(fā)生急劇變化。

3 五基元空間陣定位仿真分析

假設(shè)目標(biāo)是位于可以近似為平面波的位置，傳播介質(zhì)均勻且不存在多徑干擾，斜距測量精確。仿真中水平方位角φ=45°，俯仰角在0°～90°變化，目標(biāo)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為R=500m，信噪比為10dB，仿真過程中僅考慮時(shí)延誤差的影響，本文采用相對誤差的均值代表定位精度。

目標(biāo)模擬過程中，假設(shè)背景干擾噪聲為高斯白噪聲，接收陣的尺寸為d=0.08m，目標(biāo)發(fā)射信號為長度5ms的線性調(diào)頻信號，中心頻率為fc=13.5kHz，頻帶寬度為B=3kHz，采樣頻率fs=2MHz，聲速c=1 500m/s，陣元間的時(shí)延根據(jù)目標(biāo)與各陣元聲程差反向推導(dǎo)添加到各陣元接收信號中。

仿真結(jié)果如圖4所示，圖中分別為上述條件下正交三元陣USBL123和五基元空間陣的定位誤差隨俯仰角變化的趨勢。

圖4 z坐標(biāo)的相對誤差圖Fig.4 Relative error figure of z coordinate

對比兩條曲線可以看出俯仰角在80°～100°范圍內(nèi)，采用五基元空間陣定位時(shí)，z坐標(biāo)的定位精度比單基陣定位時(shí)明顯改善，z坐標(biāo)的相對誤差沒有出現(xiàn)突變的現(xiàn)象，目標(biāo)的定位精度相對提高。

4 結(jié)論

本文提出了水下五基元空間陣超短基線定位方法。該方法利用五基元空間陣中每個(gè)正交三元陣分別確定目標(biāo)方位，并將各正交三元陣定位結(jié)果互相修正作為目標(biāo)的最后定位結(jié)果。仿真分析表明，俯仰角在80°～100°范圍內(nèi)，采用五基元空間陣超短基線定位方法，z坐標(biāo)的定位精度比單基陣定位時(shí)明顯改善，z坐標(biāo)的相對誤差沒有出現(xiàn)突變的現(xiàn)象，目標(biāo)的定位精度相對提高。

[1]HIPAP500HighPrecisionAcousticPositioningSystem[EB/OL].[2016-03-27].http://www.kongsberg.com.

[2]VincentRicordel,SebastienParis.TrajectoryEstimationforUltra-shortBaselineAcousticPositioningSystems[J].IEEEProceedings, 2001, 14(4):1791-1796.

[3]NewsOceano[EB/OL].[2016-3-27].http://www.ixsea-oceano.com/news/20020125.html

[4]Posidonia-TransPonderUser’sManual[EB/OL].[2016-03-27]http://www.oceano.co.uk/tech-info.

[5]張曉亮. 長程超短基線定位系統(tǒng)信號處理算法仿真及軟件設(shè)計(jì)[D]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院, 2004.[6]馮守珍, 吳永亭, 唐秋華. 超短基線聲學(xué)定位原理及其應(yīng)用[J].海岸工程, 2002, 21(4):13-18.

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[8]Mikhail Arkhipov. Designing a USBL System Based on a Square Pyramid Array with a Complete Set of Three-Element Arrays[C]// Mexico:IEEE Xplore, 2012.

[9]何軻, 張效民, 韓鵬,等. 一種四元非典型陣水下超短基線聲定位方法[J]. 探測與控制學(xué)報(bào), 2008, 30(2):13-17.

Ultra-short Baseline Localization Using Five-Element Arrays

JI Hongjie1,WANG Zhongqiu2,HAN Baokun1

(1.College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China;2.Shandong Institute of Marine Instruments and Meters, Qingdao 266000, China)

Based on the orientation variety within wide limits as pitch angle change in single plane for acoustic localization, an approach of ultra-short baseline localization using five-element arrays was proposed. In this method, the every orthogonal ternary array in the five-element space arrayswas used to determine target range, and the localization results of every three orthogonal array element were correctted by each other to get the final positioning result. Simulation results showed that when the pitch angle was between 80deg and 100deg, by using the five-element spatial arrays of ultra-short baseline positioning method, the Z coordinate of the positioning accuracy was improved obviously than that of single array positioning, target localization accuracy was relatively increased.

ultra-short baseline;five-element arrays;pitch angle

2016-03-27

姬紅杰(1988—)，女，山東泰安人，碩士研究生，研究方向：系統(tǒng)振動(dòng)與噪聲控制。E-mail:sunnyjhj@sina.com。

TJ43

A

1008-1194(2016)05-0049-03