薛睿超，楊燕明，周鴻濤，許德偉，楊 晟

(1.國家海洋局第三海洋研究所，福建廈門361005；2.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京100000)

潛標(biāo)是獲取海洋環(huán)境噪聲信息的重要技術(shù)裝備。潛標(biāo)裝置能攜帶多種測量和探測儀器, 在惡劣海況條件下相對隱蔽地進(jìn)行長期、定點(diǎn)、連續(xù)和多層面同步測量, 所以潛標(biāo)裝置在海洋科學(xué)調(diào)查研究、海洋軍事偵察等方面得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。潛標(biāo)技術(shù)最早發(fā)展于上個(gè)世紀(jì)50年代的美國，60多年來已發(fā)展為一種主要的海洋測量設(shè)備[5]?，F(xiàn)在國際上除了美國，英國、法國、俄國、加拿大等國也成立了以水下工程技術(shù)和深潛技術(shù)為主的一批海洋高新技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)。潛標(biāo)技術(shù)也向綜合性、長時(shí)間、區(qū)域性的方向發(fā)展[6-10]。

本文中深海潛標(biāo)定位指的是潛標(biāo)入水后，底層的重塊在海流的影響下會(huì)發(fā)生漂移，在深海海域漂移的距離會(huì)隨著海深的增加而增加，導(dǎo)致潛標(biāo)在海中的實(shí)際位置與入水坐標(biāo)存在數(shù)百米的誤差。對于深海海域，潛標(biāo)整體長度在1 000～6 000 m之間，在海流的影響下，潛標(biāo)姿態(tài)往往有一定的傾斜[11-13]，主浮體和重塊的水平距離可以達(dá)到幾百米到近千米。故雖然記錄了潛標(biāo)的入水坐標(biāo)，潛標(biāo)的位置有可能發(fā)生很大的變化[14]，給潛標(biāo)的搜尋工作帶來很大的困難，甚至直接導(dǎo)致回收失敗、系統(tǒng)丟失，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了得到潛標(biāo)在水中的實(shí)際位置以便回收工作的順利進(jìn)行，有必要進(jìn)行重新定位。特別是在潛標(biāo)回收時(shí)，如果遇到釋放器失效等情況造成潛標(biāo)無法回收，衛(wèi)星通信(簡稱衛(wèi)通)設(shè)備無法工作，必須先進(jìn)行定位以及姿態(tài)分析，得到潛標(biāo)的實(shí)際位置以及水下姿態(tài)等信息才可開展打撈工作。

1 潛標(biāo)結(jié)構(gòu)介紹

為了便于本文方法的說明，先簡要介紹深海潛標(biāo)的常見結(jié)構(gòu)[15-18]，如圖1所示。各部分的功能說明如下：

(1) 衛(wèi)通設(shè)備：一般固定在主浮體上，可與衛(wèi)星通信，在水中處于休眠狀態(tài)，釋放后隨主浮體浮出水面后啟動(dòng)工作狀態(tài)，可以把主浮體的坐標(biāo)經(jīng)緯度發(fā)送給調(diào)查人員；

(2) 主浮體：提供整套潛標(biāo)系統(tǒng)的主要浮力，其上可綁漂流繩便于回收；

(3) 接收陣：潛標(biāo)搭載的記錄設(shè)備(如水聽器和深度記錄儀)，具體數(shù)量和固定位置根據(jù)海域情況和數(shù)據(jù)要求決定；

(4) 過渡繩：用于連接接收陣和底部設(shè)備的纜繩；

(5) 浮球：提供整套系統(tǒng)的部分浮力以及重要設(shè)備上浮所需要的浮力，個(gè)數(shù)和單位浮力需要具體計(jì)算；

(6) 聲學(xué)釋放器：潛標(biāo)回收的主要設(shè)備，通過與調(diào)查船上的甲板單元進(jìn)行通信，可返回聲學(xué)釋放器與甲板單元之間的距離數(shù)據(jù)，并可觸發(fā)釋放模式斷開與重塊的連接，使整套潛標(biāo)系統(tǒng)上??；

(7) 鋼纜：連接釋放器與重塊，長度不宜過短以起到緩沖作用；

(8) 重塊(或抓力錨)：使整套系統(tǒng)能沉入海底，重量需具體計(jì)算，一般應(yīng)大于系統(tǒng)整體浮力的2～3倍，其上可加減速傘以減小沉底速度。

2 定位方法

2.1 十字交叉法

2.1.1 設(shè)計(jì)原理

十字交叉定位法的原理是基于幾何方法的中垂線定理，具體是：通過聲學(xué)釋放器的測距功能，設(shè)計(jì)船舶行駛的多條測線，并在途中進(jìn)行多次測距，最終找到距離潛標(biāo)最近的坐標(biāo)。該方法原理簡單易懂，便于操船人員理解和執(zhí)行，缺點(diǎn)是較費(fèi)船時(shí)，精度較低。

2.1.2 實(shí)施方式

首先根據(jù)記錄的重塊入水點(diǎn)，船舶航行至目標(biāo)點(diǎn)附近距離1海里(1海里=1 852 m)左右，以正北方向距船舶一海里處為目標(biāo)點(diǎn)，然后分別確定試探測線、確定測線以及驗(yàn)證測線。

試探測線：由目標(biāo)點(diǎn)和船舶的連線確定，長度為1～2海里，具體視測量結(jié)果決定。

圖1 常見潛標(biāo)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The universal structure chart of submerged buoy

確定測線：根據(jù)試探測線的結(jié)果，以其垂直線和最小測距坐標(biāo)為垂足確定確定測線，通過確定測線可初步得到重塊沉底的位置坐標(biāo)；

驗(yàn)證測線：以確定測線的垂線和第二次最小測距坐標(biāo)為垂足驗(yàn)證測線，通過驗(yàn)證測線來驗(yàn)證最終重塊的沉底位置。

“十字交叉法”船舶航行軌跡由圖2所示。具體實(shí)施步驟如下：

(1) 船舶航行通過AB測線，期間每隔5 min做一次聲學(xué)釋放器應(yīng)答實(shí)驗(yàn)，并記錄距離值和坐標(biāo)，根據(jù)距離值的變化情況(如從大到小再到大)，提取兩個(gè)距離值最相近的點(diǎn)連線，其中垂線所在位置可定出確定測線CD；

(2) 船舶航行通過CD測線，同AB測線步驟可得另一中垂線EF，兩條中垂線的交點(diǎn)可定出坐標(biāo)點(diǎn)G點(diǎn)；

(3) 最后船舶航行通過EF測線，同樣進(jìn)行聲學(xué)釋放器應(yīng)答實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。如經(jīng)過G點(diǎn)前后距離值由大變小再變大，則證明G點(diǎn)為最終計(jì)算得到的水泥塊沉底坐標(biāo)。

由圖2可知，實(shí)際航行路線為A→B→C→H→E→F。

2.2 三點(diǎn)法

2.2.1 設(shè)計(jì)原理

本文所要介紹的另一種定位方法是三點(diǎn)式潛標(biāo)定位法，該方法只需要對3個(gè)非同一直線上的坐標(biāo)進(jìn)行測距，測量過程在回收航行過程中即可完成，即能準(zhǔn)確地定位重塊在海底的實(shí)際位置。相比十字交叉法，該方法基于數(shù)學(xué)計(jì)算和幾何模型，執(zhí)行難度較低，節(jié)省了船時(shí)。

圖2 “十字交叉法”船舶航行軌跡Fig.2 Ship tracks for "cross method" localization

為實(shí)現(xiàn)上述目的，所采用的技術(shù)方案包括如下步驟：

(1) 獲取三個(gè)釋放器響應(yīng)距離內(nèi)不同位置的經(jīng)緯度和相應(yīng)的測距值；

(2) 把數(shù)據(jù)代入本文的幾何模型中；

(3) 通過自編的計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算處理，得到重塊經(jīng)緯度和深度的計(jì)算值和示意圖。

步驟(1)中需要在調(diào)查船靠近潛標(biāo)的航行中做3次測量(其間距離不宜過小)，相對于十字交叉法，需要設(shè)計(jì)特定的測線進(jìn)行定位，節(jié)約了船舶航行的時(shí)間和成本，這是本方法的一大優(yōu)勢。步驟(2)中涉及的計(jì)算方法構(gòu)建的幾何模型如圖3所示：3次測量實(shí)驗(yàn)的坐標(biāo)計(jì)為A、B、C(3點(diǎn)應(yīng)相距一定的距離且不在同一直線上)，所測得的3個(gè)距離值計(jì)為ra、br、cr，設(shè)L點(diǎn)為重塊在海中的坐標(biāo)，以A為球心、ra為半徑的球與以B為球心，rb為半徑的球相交于面1。同理，以A為球心、ra半徑的球與以C為球心、rc為半徑的球相交于面2。其平面示意圖如圖4所示。圖4中，A、B、C3點(diǎn)所處面為海面，OD為球A與球B相交面在海面的投影，OE為球A與球C相交面在海面的投影，則OL垂直海面于O點(diǎn)，O點(diǎn)為線OL在海面的投影。由幾何關(guān)系可知，面1與面2必垂直于海面且二者相交于直線OL，則OL也垂直于海面，具體計(jì)算過程見2.2.3節(jié)。所以O(shè)點(diǎn)的經(jīng)緯度即為所求重塊的位置，OL的長度為重塊處的海深；步驟(3)中的計(jì)算程序基于MATLAB軟件編寫，計(jì)算結(jié)果包括重塊的經(jīng)緯度、重塊所處位置的海深以及測量結(jié)果的位置示意圖等。

圖3 空間幾何模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of spatial geometry model

圖4 平面幾何模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of plane geometry model

2.2.2 實(shí)施方式

下面結(jié)合圖例對本文的實(shí)施方式進(jìn)行說明。實(shí)施方法流程圖如圖5所示。具體實(shí)施步驟如下：

圖5 三點(diǎn)法計(jì)算流程圖Fig.5 The flow chart of three-point method calculation

(1) 在潛標(biāo)布放點(diǎn)附近的3個(gè)不同站位進(jìn)行3次聲學(xué)釋放器響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，得到3組數(shù)據(jù)，該步驟可以在回收潛標(biāo)的航行過程中進(jìn)行；

(2) 輸入重塊落水點(diǎn)、當(dāng)?shù)仄骄曀?、地球平均半徑、超短基線測試結(jié)果(如有)等參數(shù)；

(3) 把地球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為以A(B、C也可)為原點(diǎn)的空間坐標(biāo)系，記為A坐標(biāo)系，求出A坐標(biāo)系中B、C的坐標(biāo)；

(4) 根據(jù)空間幾何關(guān)系，計(jì)算得到目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)以及OL的長度。具體計(jì)算步驟如下：

? 求出球A、球B與球A、球C的兩個(gè)相交圓所在平面的方程；

? 求出平面ABC的單位法向量；

? 由平面ABC和兩個(gè)相交圓所在平面定出O點(diǎn)的坐標(biāo)以及OL的長度；

(5) 還原為地球坐標(biāo)系，得到目標(biāo)的經(jīng)緯度值和海深。

2.2.3 計(jì)算過程

設(shè)三次測量的點(diǎn)為A、B、C，坐標(biāo)分別為(ax,ay)，(bx,by)，(cx,cy)，已知地球半徑R=6 371 116 m，計(jì)算過程如下：

(1) 轉(zhuǎn)換為地球坐標(biāo)系，則：

(2) 轉(zhuǎn)換為以A為原點(diǎn)的空間坐標(biāo)系，則A、B、C的坐標(biāo)A、B、C分別為

(3) 在空間坐標(biāo)中，已知兩點(diǎn)坐標(biāo)，則兩點(diǎn)間的距離為

根據(jù)海倫三角公式，三角形面積可表示為

(4) 根據(jù)A、B兩點(diǎn)的坐標(biāo)和距離求出球A、球B相交圓周所在平面(以下簡稱面AB)的單位法向量，同理求出球A、球C相交圓周所在平面(以下簡稱面AC)的單位法向量：

由面AB和面AC法向量可求出ABC所在平面的法向量：

(5) 求出F、G點(diǎn)在以A為原點(diǎn)的空間坐標(biāo)系里的坐標(biāo)：

(6) 至此，已知3個(gè)相交面的法向量和面上的點(diǎn)坐標(biāo)，求解方程組可確定O點(diǎn)，根據(jù)AL和AO的長度確定深度OL的長度：

3 對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文中的兩種方法均已在實(shí)際航次中得到應(yīng)用，取得了良好的效果。其中三點(diǎn)式定位法在某海域的某專項(xiàng)聲學(xué)調(diào)查航次期間，利用潛標(biāo)上搭載的超短基線定位設(shè)備的測量結(jié)果進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所布放的潛標(biāo)所在海域水深約為2 000 m，符合深海的標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 驗(yàn)證方法

在潛標(biāo)的浮球上安裝了一個(gè)超短基線水下定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)激活后，通過與船載部分GPS的通信可以得到水下設(shè)備所在處的經(jīng)緯度以及與調(diào)查船之間的距離，具有較高的精確度。通過本文方法的結(jié)果與該位置數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可以判斷本文方法的準(zhǔn)確性以及誤差范圍。

實(shí)驗(yàn)過程如下：調(diào)查船布放潛標(biāo)后，記錄重塊的入水點(diǎn)坐標(biāo)；在附近海域分別進(jìn)行3次測量，為提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，分別在重塊入水點(diǎn)的3個(gè)不同方位的站位進(jìn)行了測量，對比實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)及結(jié)果示意圖如圖6所示。超短基線設(shè)備因工作深度問題，只能安裝在離水面較近的玻璃微珠浮球上，潛標(biāo)上安裝多個(gè)不同深度的深度傳感器設(shè)備，可用來分析潛標(biāo)在水中的姿態(tài)和傾角等參數(shù)。

圖6 對比實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)及結(jié)果示意圖Fig.6 The measuring points and the results of comparative experiment

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差分析

對比實(shí)驗(yàn)設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)及誤差分析結(jié)果如圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果重塊距落水點(diǎn)水平漂移距離379 m，超短基線水下定位系統(tǒng)返回的坐標(biāo)位置與本方法計(jì)算的坐標(biāo)位置二者相差359 m?？紤]到超短基線所在浮球的位置與聲學(xué)釋放器之間的線纜長度為1420 m(設(shè)計(jì)值)，再根據(jù)深度傳感器數(shù)據(jù)，判斷潛標(biāo)在水中的姿態(tài)傾角約為14 °，則實(shí)際水平距離應(yīng)為343.5 m，計(jì)算值誤差為15.5 m，如圖7所示。

圖7 對比實(shí)驗(yàn)設(shè)備安裝及誤差分析結(jié)果Fig.7 Layout of comparative experiment and the error analysis result

4 結(jié) 論

本文介紹的三點(diǎn)式定位法的精度依賴于聲學(xué)釋放器的系統(tǒng)定位精度，而聲學(xué)釋放器的精度受其數(shù)據(jù)處理方法的影響(如默認(rèn)聲速為 1 500 m·s-1)，返回的測量距離往往有幾米到幾十米的誤差。假設(shè)水深為 5 000 m，綜合考慮各設(shè)備精度，實(shí)際誤差在50 ～100 m間、精度為1%～2%，可以滿足實(shí)際使用要求。

本文介紹的定位方法經(jīng)過多次海上調(diào)查實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，具有計(jì)算精度高、可節(jié)約航行時(shí)間的特點(diǎn)，可以有效地解決深海潛標(biāo)回收工作中遇到的實(shí)際問題，如潛標(biāo)失效或者定位海底固定目標(biāo)等，可供從事海洋調(diào)查的人員參考交流。