一、水聲定位技術(shù)的各種應用

海洋考察/水下打撈/旅游：

• ROV/AUV定位及導航；
• 沉船打撈：例如MH370打撈等；
• 潛水員定位；海洋工程：

• 海底電纜定位；

• 海底管道鋪設(shè)；
• 水下采油設(shè)備安裝維護；
• 動力定位系統(tǒng)；
• 海底礦石開采；

軍事方面：

• 潛艇導航；
• 軍用無人潛器導航定位；
• 水下無人站施工、定位；

水聲定位的應用--海洋勘探

拖纜和海底電纜（以下簡稱OBC）地震勘探技術(shù)是海洋油氣勘探最重要的技術(shù)手段。拖纜和海底電纜在實際施工中，由于受到海流、潮汐等因素影響，水聽器實際位置相對水面實測位置將發(fā)生較大位移，最大位移將達30m以上。水聲定位方法以高速度、高精度、低成本成為OBC地震勘探水聽器二次定位的重要手段。

水聲定位的應用--海洋開發(fā)

ROV/AUV等水下潛器被廣泛應用于生物、礦石的采樣、海底環(huán)境信息采集與地形掃面勘探之中，海底沉船、失事飛機殘骸的搜索打撈作業(yè)中必須動用ROV或AUV對失事區(qū)域進行大范圍搜索，同樣需要水聲定位系統(tǒng)，水聲定位系統(tǒng)可監(jiān)測引導ROV/AUV的行進路線。

水聲定位的應用--海洋開發(fā)

對于遠程操作潛水器（ROV）和蛟龍?zhí)枮榇�表的載人潛水器，更需要利用水聲定位系統(tǒng)進行精確定位和導航，從而引導這些作業(yè)工具安全到達指定位置，完成作業(yè)。如我國“蛟龍”號載人潛水器的水下定位主要靠兩套水聲定位系統(tǒng)：超短基線和長基線定位系統(tǒng)。

水聲定位的應用--水下工程施工

通過RTK實現(xiàn)對刮刀框架的定位定姿，然后通過機械方式獲得刮刀位移，最終實現(xiàn)對刮刀的精確定位。水聲定位系統(tǒng)做為輔助定位系統(tǒng)通過對水下應答器（刮刀）進行測距，經(jīng)過位置解算，最終實現(xiàn)對刮刀的高精度定位，精度達到厘米級。

水聲定位的應用--水下隧道對接高精度定位

為實現(xiàn)水下隧道的高精度對接，系統(tǒng)通過在對接的隧道模塊安裝1,2,3,4共4個對接聲學信標。在已安裝固定好的隧道模塊相同位置安裝5,6,7,8共4個對應的對接聲學信標。通過精確測量信標間的距離進行各信標的位置解算，最終實現(xiàn)對海底隧道對接過程的高精度定位。

二、水聲定位系統(tǒng)的分類

• 水聲定位系統(tǒng)有多個基元（接收器或者應答器），基元間的連線稱為基線。

• 水聲定位系統(tǒng)根據(jù)基線長度進行分類：
1、長基線(LBL)：100~6000m
2、短基線(SBL)：1~50m
3、超短基線(USBL或SSBL)：<1m

長基線水聲定位系統(tǒng)
浮標形式的長基線水聲定位系統(tǒng)
1、至少三個以上定位節(jié)點，且位置已知。
2、收發(fā)器安裝在水下機器人或船只上

優(yōu)缺點
1、在較大的范圍內(nèi)可以達到較高的相對定位精度，定位數(shù)據(jù)更新率高
2、系統(tǒng)復雜，操作繁瑣；數(shù)量巨大的聲基陣，費用昂貴；

長基線系統(tǒng)的基元是水面無線電浮標。此時被定位的目標上裝有同步或非同步聲信標，諸基元接收的聲信號需調(diào)制為無線電信號發(fā)到一只母船上進行處理，從而完成水下目標的定位。由于無線電浮標在海面上不固定，因此必須利用裝載其上的GPS接收機定時地測定自身位置，與定位信號一起發(fā)至母船。

長基線水聲定位系統(tǒng)

–海底應答器陣的長基線水聲定位系統(tǒng)

• 基線：是以海底應答器構(gòu)成的，通常應答器的應答距離為10～20公里
• 使用條件：確知應答器陣的絕對地理位置
• 位置坐標：定位的坐標是海底應答器陣的相對坐標

優(yōu)缺點

• 在較大的范圍內(nèi)可以達到較高的相對定位精度
• 海底應答器的布置、標定、維護及供電實現(xiàn)困難

短基線水聲定位系統(tǒng)

• 聲基陣是由3個以上陣形成三角形或四邊形的換能器組成的。聲基陣布置在船底。
• 一換能器發(fā)射，所有換能器接收。
優(yōu)缺點
• 系統(tǒng)的構(gòu)成簡單，便于操作。
• 定位精度與水的深度和工作距離關(guān)系極大。

超短基線水聲定位系統(tǒng)

• 聲基陣由集中安裝在一個收發(fā)器中的所有聲單元（≥3）組成聲基陣布置在船底。
• 通過測定各聲單元接收到的應答信號的相位差來確定換能器到目標的方位。聲基陣與目標的距離通過測定聲波傳播的時間，再用聲速剖面修正波束線確定距離 。

優(yōu)缺點：

• 整個系統(tǒng)的集成度較高、尺寸小、輕便靈活、操作方便 。
• 需要做大量的校準工作；同時定位精度與水的深度、工作距離及方向關(guān)系極大。

水聲定位系統(tǒng)的分類

•水聲定位系統(tǒng)有多種工作模式，對應不同的聲學終端。

• 根據(jù)工作模式，聲學終端分為：

–應答器（Transponder）
–響應器（Responder）
–聲信標（Pinger/Beacon）

應答器工作模式：

應答器（Transponder）
• 使用方便
• 不需要時間同步
• 不需要同步電纜/光纜
• 一次定位需要更長時間
• 需要進行信號檢測與解算

響應器（Responder）

• 需要同步電纜/光纜
• 需要有線時間同步
• 定位刷新頻率更快
• 使用不方便，作用距離有限
• 適用于ROV等有纜設(shè)備
• 適用于噪聲較大的環(huán)境

響應器的使用范圍

有線時間同步方式

供電電纜

• 作用距離較短：通常小于500米；
• 時間同步精度：<1毫秒；
• 同時提供較高速度的電力線載波信息傳輸能力；

光纜

• 作用距離較長：可達數(shù)千米，甚至更高；
• 時間同步精度：<1us；
• 提供高速數(shù)據(jù)傳輸能力；

聲信標工作模式：

聲信標（Pinger）
• 使用方便
• 時間同步困難
• 需要更多基元求解
• 一次定位需要較短時間
• 非同步信標不適用于超短基線系統(tǒng)

超短基線系統(tǒng)的位置解算方法

1、一類是根據(jù)聲線入射角和已知深度進行位置解算
2、另一類則是根據(jù)測量的距離和聲線入射角進行定位解算。

超短基線系統(tǒng)的基本原理

1、在水下發(fā)射聲波信號
2、聲基陣包含多個陣元（水聽器），各陣元按一定幾何規(guī)則布陣
3、水聽器之間距離只有幾厘米~幾十厘米，將其設(shè)計裝在一個部件中
4、通過測量zetaX,zetaY及R進行定位

三、國外水聲定位產(chǎn)品介紹、對比

Fusion系列USBL

1、在為所有海事和海洋石油應用設(shè)計和提供聲學定位、監(jiān)測和控制系統(tǒng)方面，Sonardyne公司在世界上被業(yè)界公認為領(lǐng)導者。
2、Fusion系統(tǒng)是Sonardyne公司目前最高端、技術(shù)最先進的水聲定位系統(tǒng)。
3、將USBL和LBL結(jié)合為LUSBL，從而獲得更高的精度。
4、采用中頻寬帶信號，作用距離大于4000米，同時跟蹤10個目標。
5、支持中頻和高頻全系列的應答器。
6、AODC (HF)
7、OBC (HF)
8、SST (MF)
9、SSM (MF)
10、WSM (MF)
11、DPT / DPTi (MF)
12、Compatt 4 (MF)
13、Compatt 5 (MF)

HiPAP系列USBL

1、多達241個單元的獨特的球形換能器的設(shè)計
2、卓越的噪聲抑制技術(shù)
3、極窄，±5度收聽波束
4、極強的跟蹤范圍的能力
5、真正的多用戶長基線功能
6、可將定位結(jié)果輸出給動力定位系統(tǒng)作為參考

HiPAP®全海深應用–聲學定位系統(tǒng)的主要架構(gòu)

• USBL/LBL/MULBL定位
• 便攜式安裝
• 固定式安裝
• 單系統(tǒng)或備份系統(tǒng)配置
–共享部件和共享功能
–工作站
– Responder驅(qū)動器
–換能器
–換能器安裝單元
–可選的換能器
– HiPAP® 350
– HiPAP® 500
– HiPAP® 100

法國 IXSEA GAPS 全球聲學定位慣性導航系統(tǒng)

GAPS是一套勿需標定的便攜式即插即用超短基線聲學定位USBL慣性導航系統(tǒng)它將高精度光纖陀螺慣性導航技術(shù)與水下聲學定位完美地結(jié)合在一起并融入了GPS測量技術(shù)系統(tǒng)可以同時追蹤多個水下目標這使得多用途的GAPS能最大限度地滿足海面和水下定位及導航的要求。

四、超短基線關(guān)鍵技術(shù)

1、采用寬帶擴頻信號，抗噪聲及多徑干擾能力強；
2、USBL/LBL結(jié)合的混合基線系統(tǒng)，兼顧實時性和精度；
3、應答器兼容USBL/LBL模式；
4、USBL系統(tǒng)具有一定垂直孔徑，極大提高了淺海環(huán)境下系統(tǒng)定位精度；
5、定位、通訊、釋放功能相結(jié)合；
6、模擬電路高信噪比、低功耗設(shè)計。

提高水聲定位精度的途徑

提高水聲定位系統(tǒng)測距測向精度可以考慮的途徑：
提高水聲信號信噪比
• 提高發(fā)射聲源級；
• 降低模擬電路噪聲
• 選擇噪聲小的環(huán)境安裝定位基元；
• 提高發(fā)射功率；
• 提高接收換能器靈敏度；

提高水聲信號帶寬

• 線性調(diào)頻信號；
• 直接擴頻信號（CDMA）；

水聲定位使用擴頻信號的好處

• 抗干擾能力強；
• 抗頻率選擇性衰落和多徑干擾的能力強；
• 能精確地定時和測距。
• 可以實現(xiàn)多址通信，多用戶定位；
• 易于重復使用頻率，提高了信號頻譜利用率；
擴頻通信，即擴展頻譜通信(Spread Spectrum Communication) ，是一種信息傳輸方式，它將待傳輸信息的頻譜用某個特定的擴頻函數(shù)擴展后成為寬頻帶信號，送入信道中傳輸，接收端再利用相應手段將其壓縮，從而獲取傳輸信息。

在這種信息傳輸方式中:
• 擴頻信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；
• 頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；
• 接收端用同樣的碼進行相關(guān)同步接收、解擴及恢復所傳信息。
水聲定位使用擴頻信號的好處

（1）抗頻率選擇性衰落和多徑干擾的能力強
• 擴頻信號所占據(jù)的帶寬較寬，只是在一小部分帶寬產(chǎn)生選擇性衰落，所以具有抗頻率選擇性衰落的能力。
• 由于偽碼具有優(yōu)良的自相關(guān)特性，只有在多徑反射信號的時延小于一個碼片間隔時，才會發(fā)生衰落；偽碼的碼片很窄，發(fā)生多徑衰落的可能性小。

（2）可以實現(xiàn)多址通信，同時定位多個用戶
• 可以充分利用各種不同碼型的擴頻碼序列之間優(yōu)良的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，
• 在接收端利用相關(guān)檢測技術(shù)進行解擴。不同用戶分配不同擴頻編碼，可準確區(qū)分不同用戶的信號，提取出有用信號。
• 在一寬頻帶上多個用戶可以同時定位，互不干擾。

（3）易于重復使用頻率，提高了頻譜利用率
• 水聲帶寬窄，頻譜十分寶貴；
• 采用擴頻信號，利于降低發(fā)送功率，提高應答器有效作用距離；
• 采用了相關(guān)接收技術(shù)，且可工作在信道噪聲、熱噪聲和環(huán)境噪聲背景中；
• 易于在同一地區(qū)重復使用同一頻率, 也可與現(xiàn)今各種窄道通信共享同一頻率資源。

水聲定位使用擴頻信號的好處

（1）能精確地定時和測距
• 精確測量聲波在聲頭和終端之間傳播的時間，同時利用現(xiàn)場測得的聲速剖面，就可準確測量兩個物體之間的距離。
• 在擴頻通信中如果擴展頻譜很寬，則意味著所采用的擴頻碼速率很高，每個碼片占用的時間就很短（通常小于1ms）。
• 定位基元接收客戶終端發(fā)射的擴頻信號，在接收端解調(diào)出擴頻碼序列。通過比較收發(fā)兩個碼序列相位差，就可以精確測出擴頻信號往返的時間差，從而算出二者之間的距離。
• 測量的精度決定于碼片的寬度，即擴展頻譜的寬度。碼片越窄，擴展的頻譜越寬，精度越高。

（2）淺海環(huán)境，定位基元接收到的擴頻水聲信號
• 在嚴重多徑干擾情況下，可穩(wěn)定可靠檢測到擴頻信號；
• 測距穩(wěn)定可靠；
• 平均測距誤差小于0.05米；
自研系統(tǒng)的技術(shù)特點
應答器
• 兼容USBL/LBL模式；
• 相對聲頭運動速度：<5節(jié)；
• 尺寸：直徑68mm，長度380mm；
• 工作深度：500米；
• 發(fā)射聲源級：180dB；
• 接收靈敏度：-190dB;
• 靜態(tài)待機：150天；
• 應答次數(shù)：>5000次；
• 已完成小批量生產(chǎn)試制。
聲基陣
• 垂直孔徑：10CM；
• 最大作用距離：3000米；
• 系統(tǒng)定位精度：1%斜距；
• 大工作開角：聲頭下方180度范圍；
• 發(fā)射聲源級：190dB；
• 接收靈敏度：-190dB;
• 工作水深：30米；
• 可管理應答器分組達1024個，每組應答器最多達1024個；
淺水環(huán)境深度方向定位精度
• 測距精度最高；
• 測向精度低于測距精度；
• 深度方向定位精度低于水平方向定位精度；

淺水環(huán)境深度方向定位精度降低的原因：

• 水面和水底多徑干擾信號的影響；
• 平面陣在大開角方向上估計誤差較大；
五、自研水聲定位系統(tǒng)的應用案例

項目名稱：水下鋪排施工檢測科研項目
依托單位：中船勘察設(shè)計研究院有限公司
攻關(guān)目標：解決填海造地、水運交通時的鋪排作業(yè)過程中，由于深水區(qū)、大流速等惡劣的工況，經(jīng)常會出現(xiàn)斷排、縮排、鋪排船失去系泊控制、排體驗收檢測困難等問題，尤其是排體水下檢測一直都是難題。采用超短基線結(jié)合長基線的技術(shù)，一方面指導鋪排施工，另一方面對完成的排體進行高精度水下定位檢測。
項目內(nèi)容：
• 鋪排船鋪6張排；
• 每張排寬40米，長120米，排厚度約1公分；
• 每張排將捆6個應答器；
• 每個應答器捆綁的位置距離排的邊緣5米；
• 每張排的內(nèi)部編號如下圖所示：

水聲定位產(chǎn)品在水下鋪排定位的應用
• 用于鋪排作業(yè)定位的混合基線聲吶頭：
   

• 用于鋪排作業(yè)定位的拋棄型應答器

湖試測試

湖試地點：南京市溧水區(qū)東屏湖水庫
湖試時間：2014/11/17到2014/12/13，2014/12/28到2014/12/30
江試驗收
江試地點：上海市長興島東側(cè)促淤施工區(qū)
江試時間：2015年1月10日到2015年1月13日
江試結(jié)果：在500米范圍內(nèi)，定位精度0.5米以內(nèi)

• RTKGPS參考站

• 水下應答器定位結(jié)果：

高斯投影平面坐標對比

六、系統(tǒng)的湖試

• 易水湖湖試

最大作用距離測試

• 實測最大作用距離達2389米，應答率高于90%
• 由于環(huán)境限制，沒有進行更大距離測試；

運動軌跡測試

• 往返運動軌跡測試
• 0米-1200米，轉(zhuǎn)向，返航
• 最大運動速度3節(jié)

水下定位軟件