于燕婷，許江寧，林恩凡，吳 苗

單信標(biāo)水聲定位技術(shù)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用展望

于燕婷，許江寧，林恩凡，吳 苗

（海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

針對未來水下載體長航時(shí)、遠(yuǎn)距離和高精度的定位需求，分析了傳統(tǒng)長基線和超短基線等傳統(tǒng)水聲定位技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)，指出了單信標(biāo)水聲定位技術(shù)在全球海域定位中的應(yīng)用優(yōu)勢。詳細(xì)介紹了基于虛擬長基線與位置跟蹤兩大類單信標(biāo)水聲定位方法及其研究進(jìn)展，概括分析當(dāng)前單信標(biāo)水聲定位技術(shù)現(xiàn)狀，并結(jié)合水下定位、導(dǎo)航及授時(shí)體系建設(shè)需求，對單信標(biāo)水聲定位技術(shù)應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

單信標(biāo)；水聲定位；超短基線；長基線；虛擬長基線；位置跟蹤

0 引言

21世紀(jì)是海洋世紀(jì)，世界強(qiáng)國必然是海洋強(qiáng)國。中國海岸線長達(dá)1.8萬多千米，擁有油氣、礦產(chǎn)、生物等豐富的海洋資源，同時(shí)也面臨著嚴(yán)峻的海洋權(quán)益挑戰(zhàn)。各類以認(rèn)識海洋、開發(fā)海洋為目的的海洋調(diào)查、地質(zhì)勘測、工程建設(shè)及保障項(xiàng)目必然需要導(dǎo)航定位[1]，潛艇、水面艦艇的調(diào)遣、作戰(zhàn)航行等軍事活動(dòng)，也離不開導(dǎo)航定位。然而，由于海水介質(zhì)對電磁波的強(qiáng)吸收屏蔽效應(yīng)影響，電磁波水下傳播距離十分有限，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）不再適用于水下導(dǎo)航，聲波成為水下信息傳遞的主要方式，水聲定位技術(shù)也成為水下導(dǎo)航定位的重要手段[2]。

傳統(tǒng)的水聲定位系統(tǒng)主要包括超短基線（ultra-short baseline, USBL）系統(tǒng)和長基線（long baseline, LBL）系統(tǒng)。超短基線定位系統(tǒng)一般基線長度小于1 m，系統(tǒng)構(gòu)成簡單、體積小，便于基線布放和回收，但需做大量的校準(zhǔn)工作，且定位精度與斜距相關(guān)[3]；長基線定位系統(tǒng)多在海底布設(shè)3個(gè)以上的基點(diǎn)信標(biāo)，基線長度為100～6000 m，其定位精度與深度無關(guān)，不需要連接外部設(shè)備，定位精度相對較高。由于在1～10 kHz的頻率范圍內(nèi)，淺海的環(huán)境噪聲譜級基本上在40～70 dB之間，且隨著頻率的降低，環(huán)境噪聲隨之增大，1 kHz以下的環(huán)境噪聲達(dá)到70 dB以上。目前水聲定位系統(tǒng)工作頻率一般在10～30 kHz，最大測距距離為10 km左右，定位精度不優(yōu)于0.15%×（為作用距離）。隨著海洋研究和開發(fā)的發(fā)展，未來要實(shí)現(xiàn)百萬米級以上遠(yuǎn)距離隱蔽水聲導(dǎo)航定位，系統(tǒng)工作頻率需在1 kHz以下[4]，傳統(tǒng)的長基線和超短基線水聲定位系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，信標(biāo)數(shù)量要求多，覆蓋區(qū)域小，利用效率低等特點(diǎn)，無法滿足長時(shí)間遠(yuǎn)距離定位需求；而基于單信標(biāo)測距的定位技術(shù)，能簡化定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少信標(biāo)的標(biāo)校次數(shù)、數(shù)量及回收成本，節(jié)約母船同步跟蹤能耗，提高信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的利用效率，是水下導(dǎo)航的發(fā)展趨勢，也是未來全海域聲學(xué)定位發(fā)展的一個(gè)新的研究方向[5-6]。

1 單信標(biāo)水聲定位技術(shù)概述

基于單信標(biāo)水聲定位技術(shù)是指水下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程中，利用測距儀每隔一段時(shí)間，測量得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與單信標(biāo)之間的距離信息，結(jié)合移動(dòng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)水下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置估算。1995年，俄羅斯科學(xué)院海洋技術(shù)問題研究所遠(yuǎn)東分院亞歷山大（Alexander）首次提出了單信標(biāo)定位方法。文獻(xiàn)[7]在單信標(biāo)位置和自主水下航行器（autonomous underwater vehicle, AUV）深度已知的情況下，假設(shè)AUV沿不同方向直線航行，聯(lián)合測距信息、AUV運(yùn)動(dòng)速度、姿態(tài)及海流速度，即可構(gòu)建方程組，并使用最小二乘法解算出AUV最佳位置。仿真結(jié)果表明，AUV采用不同速度直線航行1000 m后，AUV最大坐標(biāo)估計(jì)誤差不超過0.6 m。文獻(xiàn)[8]針對AUV任務(wù)完成后位置誤差大，將擴(kuò)展卡爾曼濾波算法用于單信標(biāo)測距求解AUV位置，準(zhǔn)確引導(dǎo)AUV至回收船塢。文獻(xiàn)[9]提出合成長基線（synthetic long baseline, SLBL）的概念，將航位推算與水聲測距方法結(jié)合，經(jīng)卡爾曼濾波后修正，得到航行器最終位置。試驗(yàn)結(jié)果表明，SLBL與高性能航位推算導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合，在 1000 m×1000 m范圍內(nèi)，能夠提供亞米級定位精度，且定位性能與水深幾乎無關(guān)[9]。文獻(xiàn)[10]提出虛擬長基線（virtual long baseline, VLBL）算法，并將該方法應(yīng)用于伍茲霍爾海洋研究所深海探測潛器海試深度、航向和多普勒速度儀等測試數(shù)據(jù)處理。文獻(xiàn)[11]分析提出的單信標(biāo)測距導(dǎo)航方法中，AUV運(yùn)動(dòng)路徑位于經(jīng)過導(dǎo)航信標(biāo)的垂直平面內(nèi)、與導(dǎo)航信標(biāo)等深度的水平面內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)均不可觀測。理論和實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證了單信標(biāo)水聲定位技術(shù)的可行性，以及應(yīng)用VLBL、濾波算法進(jìn)行位置解算及跟蹤的有效性。

根據(jù)定位原理的不同，基于單信標(biāo)的水聲定位方法主要分為兩大類：

1）基于距離及水下航行器運(yùn)動(dòng)速度及姿態(tài)等信息，建立定位方程解算目標(biāo)位置。通過測量航行器在至少3個(gè)不同位置接收定位報(bào)文的時(shí)間，獲取不同位置時(shí)航行器與信標(biāo)的距離信息，再聯(lián)合航行器運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)構(gòu)建定位方程，解算航行器位置。單信標(biāo)虛擬長基線定位方法即是利用斜距、速度及航向角等信息進(jìn)行定位的。

2）基于濾波技術(shù)對水下載體位置進(jìn)行跟蹤定位。將水下載體當(dāng)前狀態(tài)量與之前狀態(tài)量輸入至設(shè)計(jì)的濾波器中，預(yù)測水下載體當(dāng)前最優(yōu)估計(jì)量，確保估計(jì)量與載體真實(shí)位置之間方差最小。

2 單信標(biāo)虛擬長基線定位方法及研究現(xiàn)狀

2.1 虛擬長基線定位方法

根據(jù)水聲定位原理，單次距離測量只能得到水下載體所在的球體位置，必須聯(lián)合AUV等航位或姿態(tài)信息進(jìn)行單信標(biāo)定位。在單信標(biāo)水聲定位系統(tǒng)中，初始位置已標(biāo)定的聲信標(biāo)被固定在水下或者海底。單信標(biāo)虛擬長基線定位原理圖如圖1所示。

圖1 單信標(biāo)虛擬長基線定位原理圖

2.2 虛擬長基線定位技術(shù)研究現(xiàn)狀

在單信標(biāo)虛擬長基線定位技術(shù)中，可采用不同的量測值建立位置解算模型，較常見的三類測量值組合模式有：

1）基于純距離測量值組合模式，其運(yùn)動(dòng)模型復(fù)雜程度及非線性度一般較低。文獻(xiàn)[12]提出，當(dāng)AUV運(yùn)動(dòng)到不同位置時(shí)，安裝在其底部的水聽器，可接收來自水下聲源周期性發(fā)出的信號，從而形成多個(gè)虛擬水聽器矩陣。在每個(gè)虛擬LBL窗口中，通過頻域加權(quán)互相關(guān)的方法，獲得從聲源到每個(gè)虛擬水聽器的時(shí)間差。將3個(gè)以上虛擬水聽器的時(shí)間差轉(zhuǎn)化為距離值，即可建立類似LBL運(yùn)動(dòng)方程，迭代計(jì)算得到水下機(jī)器人當(dāng)前位置。

2）基于純方位測量值組合模式。這類組合相關(guān)研究較少，且對AUV航行軌跡要求較高。文獻(xiàn)[13]提出AUV以固定航向角、固定航速直線航行時(shí)，在不同位置接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)射出的聲信號，解算獲得網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與AUV之間的不同方位角，幾何解算實(shí)現(xiàn)AUV定位，有效地避免了時(shí)間同步的要求。

3）基于距離+方位測量值組合模式，這類組合模式在水聲慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)使用廣泛。文獻(xiàn)[14]針對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的累積誤差問題，以單信標(biāo)測距、速度和航向角信息為觀測對象，建立了一種基于間接測量的單信標(biāo)輔助AUV導(dǎo)航模型，并分析得到位置的閉合表達(dá)式。

3 單信標(biāo)位置跟蹤定位方法及研究現(xiàn)狀

3.1 位置跟蹤定位方法

單信標(biāo)虛擬長基線定位采用了球面交匯常規(guī)解算模式，具有較高的定位精度，但系統(tǒng)更新速率較低、穩(wěn)定性較差。現(xiàn)代濾波算法及理論較為成熟，選取合適的濾波器進(jìn)行改進(jìn)可有效地提升定位精度。KF技術(shù)可分析AUV的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將AUV運(yùn)動(dòng)航向姿態(tài)數(shù)據(jù)和聲學(xué)測距數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合，構(gòu)建載體運(yùn)動(dòng)跟蹤模型，更穩(wěn)定、更高速率地更新定位結(jié)果，從而降低了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)對定位精度的影響。常規(guī)的卡爾曼濾波適用于觀測線性系統(tǒng)；擴(kuò)展卡爾曼濾波（extended Kalman filter, EKF）通過泰勒級數(shù)展開，同時(shí)忽略二階以上的高階非線性項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)函數(shù)線性化處理。由于AUV與單信標(biāo)之間的位置觀測方程為非線性模型，且AUV常做勻低速運(yùn)動(dòng)，機(jī)動(dòng)性弱，EKF算法應(yīng)用最為廣泛。

在單信標(biāo)水聲定位系統(tǒng)中，初始位置已標(biāo)定的聲信標(biāo)被固定在水下或者海底，水下AUV深度可由壓力傳感器精確測得時(shí)，定位問題可簡化為平面求解問題[22]。AUV平面運(yùn)動(dòng)模型如圖2所示。

圖2 AUV平面運(yùn)動(dòng)模型

在使用濾波方法處理信息融合問題時(shí)，先要建立能夠準(zhǔn)確反應(yīng)系統(tǒng)發(fā)展規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，即目標(biāo)系統(tǒng)準(zhǔn)確的狀態(tài)方程和量測方程?？紤]洋流速度（假設(shè)為常數(shù)）影響下，系統(tǒng)狀態(tài)方程[23]為

式（4）經(jīng)離散化得到

離散系統(tǒng)的量測方程為

系統(tǒng)卡爾曼增益為

3.2 位置跟蹤定位研究現(xiàn)狀

單信標(biāo)位置跟蹤定位方法中，可采用不同的量測值進(jìn)行組合建立運(yùn)動(dòng)模型，一般包括水下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)之間的距離及自身速度信息，即可實(shí)現(xiàn)位置跟蹤。文獻(xiàn)[24]基于信標(biāo)與航行器的距離值、航向角和相對水流速度，設(shè)計(jì)EKF跟蹤預(yù)測航行器當(dāng)前位置及洋流速度。文獻(xiàn)[25]通過GPS對海面單信標(biāo)位置進(jìn)行標(biāo)定，以斜距和水下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的航位信息作為測量量，建立移動(dòng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模型，分析對比了基于EKF和粒子濾波的位置估計(jì)方法，并試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。文獻(xiàn)[26]中，AUV需搭載慣性測量單元獲取航位信息，將AUV航位推算結(jié)果與聲波的傳播時(shí)間作為輸入，建立包含偏差的EKF，實(shí)現(xiàn)位置跟蹤。文獻(xiàn)[27]結(jié)合聲線軌跡推導(dǎo)出斜距和傳播時(shí)延，提出水下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在異步條件下的被動(dòng)定位模型，解算出與單信標(biāo)的相對距離以及自身的航行速度、航向角等參數(shù)變量，利用EKF算法降低定位過程中的累積位置誤差。文獻(xiàn)[28]分析了不同輔助測量值下系統(tǒng)的可觀性，指出偏航角和距離值二者組合是系統(tǒng)可觀測的最簡量測組合。

由于水下環(huán)境比較復(fù)雜，單信標(biāo)與水下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)時(shí)間異步、信號傳播時(shí)延、聲線彎曲、非共點(diǎn)測距等多種因素都將影響定位精度，難于準(zhǔn)確構(gòu)建由狀態(tài)量到測量量的測量方程。針對定位誤差修正問題，文獻(xiàn)[29]提出將聲速作為傳統(tǒng)KF的狀態(tài)量，重新構(gòu)建狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和測量方程，估計(jì)當(dāng)前海域聲速，實(shí)現(xiàn)聲速補(bǔ)償。文獻(xiàn)[30]基于互相關(guān)函數(shù)和互功率譜的時(shí)頻關(guān)系，采用頻域加權(quán)互相關(guān)法降低偽峰幅值，得到更高精度時(shí)延差。文獻(xiàn)[31]通過無跡卡爾曼濾波方法對SINS非線性誤差模型進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果表明：單信標(biāo)測得AUV初始位置定位誤差范圍在200 m以內(nèi)時(shí)，對SINS精對準(zhǔn)中姿態(tài)對準(zhǔn)結(jié)果基本沒有影響，但SINS精對準(zhǔn)過程中位置估計(jì)會(huì)引入常值誤差。文獻(xiàn)[32]結(jié)合水下固定單信標(biāo)測距信息，利用KF來修正INS/多普勒計(jì)程儀（Doppler velocity log, DVL）/深度傳感器組合定位誤差，仿真結(jié)果表明，AUV緯度/經(jīng)度誤差由初值200 m/180 m分別收斂至1.72 m/1.47 m。文獻(xiàn)[33]研究了單信標(biāo)測距信息輔助SINS定位誤差的收斂問題，利用EKF進(jìn)行信息融合, 仿真結(jié)果表明，利用單信標(biāo)距離信息輔助SINS輸出的經(jīng)緯度誤差不超過0.00004°，精度提升近2個(gè)數(shù)量級?；趩涡艠?biāo)的位置跟蹤方法定位精度一般較高，算法計(jì)算也更復(fù)雜，水下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力較弱時(shí)難于實(shí)時(shí)定位。

4 單信標(biāo)定位技術(shù)分析與應(yīng)用展望

4.1 單信標(biāo)定位技術(shù)分析

目前，我國地面和空間時(shí)空基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)基本成形，而提供海面、水下和海底定位、導(dǎo)航及授時(shí)（positioning, navigation and timing, PNT）服務(wù)的海洋時(shí)空基準(zhǔn)網(wǎng)建設(shè)尚有很大差距[34]。隨著水下載體長航時(shí)、高精度、遠(yuǎn)距離的導(dǎo)航定位需求，為重點(diǎn)海域乃至全球海域提供統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)，成為現(xiàn)階段水下PNT系統(tǒng)擬解決的關(guān)鍵問題?；趩涡艠?biāo)的水聲定位技術(shù)，極大地降低了大規(guī)模長距離水下作業(yè)成本，拓展了作用范圍，可實(shí)現(xiàn)無源定位，提高水下航行器的隱蔽性，是未來發(fā)展的趨勢[35]。

前文介紹的不論是單信標(biāo)虛擬長基線，還是位置跟蹤定位方法，研究學(xué)者大多是在聲學(xué)范疇內(nèi)，圍繞系統(tǒng)可觀測性、定位建模、誤差分析及定位精度、組合導(dǎo)航系統(tǒng)中數(shù)據(jù)融合等內(nèi)容展開了一系列研究，仿真驗(yàn)證了單信標(biāo)水聲定位技術(shù)的可行性及算法的有效性；在單信標(biāo)距離信息輔助慣導(dǎo)定位方面，主要采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn)行位置跟蹤，取得了一定成果，但開展實(shí)驗(yàn)較少，實(shí)驗(yàn)距離短，且缺乏長航時(shí)、大范圍的水下航行器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，定位精度比LBL定位技術(shù)約低1個(gè)數(shù)量級。

基于單信標(biāo)水聲定位的部分關(guān)鍵技術(shù)仍需進(jìn)一步在以下3個(gè)方面進(jìn)行深入研究：

1）在定位方法上，目前單信標(biāo)定位技術(shù)研究的多是基于固定布放于海底的單信標(biāo)，未來可以向移動(dòng)單信標(biāo)水聲定位或多運(yùn)動(dòng)載體協(xié)同定位方向拓展。

2）在定位精度上，航行器與信標(biāo)時(shí)間同步、信號傳播時(shí)延、聲線彎曲、非共點(diǎn)測距等問題值得深入；信標(biāo)標(biāo)定位置、TOA測量誤差、信號發(fā)射接收異步情況對定位誤差影響較大，信標(biāo)位置、TOA、航行速度與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)等多信息聯(lián)合跟蹤定位方法也值得進(jìn)一步研究。

3）在數(shù)據(jù)融合方法上，可以建立水下載體不同機(jī)動(dòng)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)模型，研究分析不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下系統(tǒng)自適應(yīng)跟蹤性能。當(dāng)測量方程的非線性程度較為嚴(yán)重時(shí)，嘗試運(yùn)用更多如無跡卡爾曼濾波和粒子濾波等不受非線性影響的濾波方法[29]。

4.2 單信標(biāo)定位技術(shù)應(yīng)用展望

參考國外典型遠(yuǎn)程長基線定位系統(tǒng)發(fā)展特點(diǎn)，未來單信標(biāo)定位技術(shù)著眼于自身定位精度提升的同時(shí)，將更側(cè)重于水下組合導(dǎo)航及一體化設(shè)計(jì)研究。海洋作為未來人類活動(dòng)主要的拓展空間，水下PNT體系建設(shè)勢在必行[36]。下面結(jié)合我國水下PNT體系建設(shè)需求，對未來單信標(biāo)定技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行展望：

1）單信標(biāo)定位與水下授時(shí)技術(shù)協(xié)同發(fā)展。在單信標(biāo)水聲定位系統(tǒng)中，常假定信標(biāo)與AUV時(shí)間同步，但TOA測量誤差是影響定位精度的主要因素。水聲信號傳播速度低，時(shí)間延遲大，國內(nèi)水下授時(shí)相關(guān)技術(shù)能達(dá)到的精度約為亞毫秒級，與衛(wèi)星授時(shí)精度更是相差約6～7個(gè)數(shù)量級，水下授時(shí)能力嚴(yán)重不足。要建立重點(diǎn)海域甚至是全球海域統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)，高精度的單信標(biāo)授時(shí)技術(shù)必然是水下PNT體系重要支撐。鑒于水下測距精度與時(shí)間精度二者息息相關(guān)，聯(lián)合開展水下單信標(biāo)定位與水下授時(shí)技術(shù)研究，對于提升單信標(biāo)定位精度，實(shí)現(xiàn)水下PNT體系建設(shè)具有現(xiàn)實(shí)意義。

2）單信標(biāo)定位與超短基線定位系統(tǒng)一體設(shè)計(jì)。隨著深海勘探任務(wù)從錳、鈷結(jié)核發(fā)展到尋找熱液等，深海作業(yè)領(lǐng)域需要更為精確的定位結(jié)果，長基線定位系統(tǒng)精度高，但信標(biāo)陣列投放和回收成本高，使用單信標(biāo)定位能有效減少作業(yè)成本?；趩涡艠?biāo)與超短基線的組合定位系統(tǒng)，定位精度即獨(dú)立于工作水深，又兼具超短基線機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，可以對水下載體實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近不同區(qū)域連續(xù)高精度導(dǎo)航定位[37]。英國聲吶達(dá)因（Sonardyne）公司推出的組合定位系統(tǒng)AvTrak 6 Nano，將LBL和USBL技術(shù)組合在一起，利用海底應(yīng)答器陣列為AUV提供高精度參考位置，并通過USBL技術(shù)進(jìn)行水面跟蹤，系統(tǒng)工作深度達(dá)7000 m，測距精度優(yōu)于15 mm[38]。

3）單信標(biāo)與慣導(dǎo)導(dǎo)航、多普勒技術(shù)組合使用。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)憑借其自主性好，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢，成為水下載體的核心導(dǎo)航設(shè)備，但定位誤差隨時(shí)間不斷積累，需要定期浮出水面進(jìn)行標(biāo)校，不利于長期水下隱蔽。單信標(biāo)定位測距技術(shù)作為一種新型水下導(dǎo)航技術(shù)，已經(jīng)初步具備了工程化導(dǎo)航定位能力，且定位誤差不隨時(shí)間發(fā)散?；趩涡艠?biāo)測距的定位是水下輔助導(dǎo)航的發(fā)展趨勢，已成為國內(nèi)外導(dǎo)航定位領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[39-40]。

單信標(biāo)水聲定位技術(shù)集成慣導(dǎo)，可作為遠(yuǎn)程引導(dǎo)測量的一種重要手段，提升慣導(dǎo)定位性能。如法國愛科斯布魯（iXblue）公司推出的 RAMSES型長基線定位系統(tǒng)，能夠與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和DVL組合使用，在1個(gè)應(yīng)答器的情況下，將聲波距離與慣導(dǎo)導(dǎo)航方程融合，得到LBL的稀疏位置，作用距離可達(dá)4000 m，定位精度可達(dá)分米級別[41]。

4）單信標(biāo)定位系統(tǒng)與海洋傳感器模塊集成。各類海洋環(huán)境要素是人類認(rèn)識海洋、開發(fā)海洋必不可少的重要數(shù)據(jù)源，海洋傳感器在長期的觀測中，傳感器穩(wěn)定性、漂移、準(zhǔn)確度以及采集的數(shù)據(jù)信息，需要利用水下通信手段進(jìn)行傳遞。單信標(biāo)水聲定位系統(tǒng)與傳感器集成化、一體化設(shè)計(jì)，可以有效提高系統(tǒng)使用便捷性及作業(yè)效率。挪威康斯博格（Kongsberg）集團(tuán)推出的cNODE系列聲學(xué)應(yīng)答器，頂端是收發(fā)換能器，并可以根據(jù)實(shí)際需求選擇壓力、聲速、溫度、傾角等傳感器模塊靈活裝配[42]。

5 結(jié)束語

21世紀(jì)，人類已經(jīng)進(jìn)入了大規(guī)模開發(fā)利用、保護(hù)海洋資源的時(shí)期，極地考察、深海資源勘探開采、海底地形監(jiān)測以及海上搜救等海洋工程作業(yè)，具有長時(shí)間、大范圍和遠(yuǎn)距離的高精度定位需求。相較于傳統(tǒng)的水聲定位系統(tǒng)，單信標(biāo)定位系統(tǒng)在保證一定定位精度的前提下，能有效降低設(shè)備部署及回收成本，提高使用便捷性和作業(yè)效率，為未來實(shí)現(xiàn)全海域定位導(dǎo)航提供必不可少的技術(shù)支持。

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Research progress and prospect of acoustic positioning technology based on single beacon

YU Yanting, XU Jiangning, LIN Enfan, WU Miao

（College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China）

Aiming at the positioning requirements of long-endurance, long-distances and high-accuracy to underwater vehicle, the paper analyzed the application characteristics of traditional long baseline and ultra-short baseline underwater acoustic positioning technology, and pointed out the application advantages of positioning technology based on single beacon in global sea area positioning in the future. In the paper, the principle and research progress about virtual long baseline and position tracking, which were two kinds of acoustic positioning method based on single beacon, was introduced in detail, and the current situation of acoustic positioning technology based on single beacon was summed up and analyzed. Finally, combined with the construction requirements of underwater Positioning, Navigation and Timing (PNT) system, the application development of acoustic positioning technology based on single beacon was prospected.

single beacon; acoustic positioning; ultra-short baseline; long baseline; virtual long baseline; position tracking

P228

A

2095-4999(2022)02-0013-08

于燕婷，許江寧，林恩凡，等. 單信標(biāo)水聲定位技術(shù)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用展望[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 2022, 10(2): 13-20.（YU Yanting, XU Jiangning, LIN Enfan, et al. Research progress and prospect of acoustic positioning technology based on single beacon[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2022, 10(2): 13-20.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20220202.

2021-05-17

于燕婷（1983—），女，江西撫州人，博士研究生，講師，研究方向?yàn)閷?dǎo)航定位及授時(shí)技術(shù)。

吳苗（1978—），男，江蘇南京人，博士，副教授，研究方向?yàn)閷?dǎo)航制導(dǎo)與控制。