Chinese Journal of Ship Research
基于长基线和超短基线联合的拖曳目标定位技术
1，程淑萍2，赵鹏铎1吴静波
1 100161海军研究院，北京2 201815中国科学院 声学研究所东海研究站，上海
摘 要：［目的］为了精确获取水下运动拖曳目标的位置，同时方便试验过程中的基线部署，［方法］将长基线和超短基线水声定位技术结合，通过超短基线定位基阵获取拖曳目标的粗略位置；以此作为长基线定位的先验数据，将甲板单元换能器和超短基线定位基阵作为长基线的阵元，结合超短基线定位先验数据，通过长基线定位技术获取更高精度的目标位置。［结果］湖上定位精度测试结果表明，当仅采用超短基线方法时，目标定位的均方根（RMS）误差为6.8 m；采用长基线和超短基线联合的定位方法时，RMS误差值为2.5 m，提高了水下拖曳目标的定位精度。海上试验表明，该系统在满足精度要求的同时也便于开展海上试验。［结论］该技术融合了甲板单元的测距信息和超短基线的定位结果来进行长基线联合定位，能够对水下拖曳目标实施高精度定位，为特定需求的海上试验或作业提供技术支撑。关键词：长基线；超短基线；联合定位；拖曳目标中图分类号：U666.75 文献标志码：A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185. 01190 Towed target positioning technology based on long baseline and ultra-short baseline combination Wu Jingbo1，Cheng Shuping2，Zhao Pengduo1 1 Naval Research Academy，Beijing 100161，China 2 Shanghai Acoustics Laboratory，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 201815，China Abstract：［Objectives］ This research aims to obtain accurate positioning in underwater towing and facilitate its use and deployment during experiments.［Methods］Long baseline and ultra-short baseline acoustic technology are combined，the rough position of a towed target is obtained using the ultra-short baseline positioning array and the position is used as a priori data for long baseline positioning. On this basis，the long baseline array elements of the deck unit transducer and ultra-short baseline positioning array are combined with the short-term baseline positioning a priori data and long baseline positioning technology so as to obtain higher positioning accuracy. ［Results］ The long-baseline and ultra-short baseline joint positioning method is used to improve the positioning accuracy of towed underwater targets. The results of positioning accuracy tests conducted on a lake show that the Root-Mean-Square（RMS） error is 6.8 m when the ultra-short baseline method is adopted. However，the RMS value is just 2.5 m when the long baseline and ultra-short baseline are combined，solving the problem of positioning accuracy within short distances.［Conclusions］By combining the long-range baseline information of the deck unit's ranging information and the ultra-short baseline positioning results，this technology can achieve the high-precision positioning of towed underwater targets and provide technical support for the specific needs of offshore testing and operations. Key words：long baseline；ultra-short baseline；joint positioning；towed target
0引言
水下运动拖曳目标或设备平台是海洋科学研究、勘探开发、海上试验等活动的重要工具和载体。在实际应用中，需要实时精确测量拖曳目标的水下位置。近年来，海洋测绘、海洋勘探、海上试验、舰船抗冲击试验［1］等对水下拖曳目标定位精度的要求越来越高。水声定位技术［2］是确定水下拖曳目标位置的有效手段。长基线和超短基线2水声定位是 种常见的定位方法。长基线水声定位系统具有作用距离远、定位精度高等优点，并得到了广泛应用［3］，但需测量船围绕目标多次运动，不便于实际应用。超短基线定位系统使用布放方便，但定位精度稍差。为此，本文拟提出一种基于长基线和超短基线联合的拖曳目标定位技术，将甲板单元换能器和超短基线定位基阵作为长基线定位的阵元，结合超短基线定位的先验数据，获取更高精度的水下拖曳目标位置。
1 系统组成
设计了一套基于长基线和超短基线联合的定位系统，以完成水面目标与拖曳目标应答器的高精度定位测量及二者的相对态势测量，为特定需求的海上试验或作业提供技术支撑。系统包括主测量船系统、分测量船系统和水1 ）4 ［ ］面目标船系统（图 。主测量船系统由超短基线定位基阵、主处理单元、高精度罗经（惯导）、应GPS答器、主控处理分机、数传电台、差分 组成；分测量船系统由甲板单元及甲板单元换能器、数传GPS电台、差分 组成；水面目标船系统由水面目标GPS船测量分机、显示器、差分 和数传电台组成。
2 系统技术原理 2.1 整体技术原理
系统工作的最终目的是实现对水面目标船和拖曳目标的实时位置定位，其基本工作原理为： 1）通 GPS过差分 确定超短基线定位基阵的GPS绝对大地 坐标； 2）将应答器安装于拖曳目标上，通过长基线和超短基线联合定位，确定应答器与超短基线定位基阵的相对位置，通过换算得到应答器的绝对GPS GPS大地 坐标，即为拖曳目标的绝对大地 坐标； 3）通 GPS过差分 得到水面目标船的绝对大GPS地 坐标； 4 ）通过实时解算拖曳目标（应答器）和水面GPS目标船两者的绝对大地 坐标，获取水面目标船和拖曳目标（应答器）的实时位置态势。2系统海上实施配置示意图如图 所示。
2.2 分系统工作原理
利用主测量船、分测量船和水面目标船上安装的数传电台实现各系统的实时数据交换。在主测量船上，超短基线定位基阵固定在布GPS放回收装置下端，使用时放入水中，差分 的天线和高精度罗经均安装在回收装置顶部并与其刚GPS性连接。其中，差分 实现超短基线定位基阵GPS的绝对大地 坐标测量，并将数据传送至主控处理分机；高精度罗经完成主测量船的横摇及纵摇测量，为水声定位提供姿态数据。拖曳目标上安装应答器，超短基线定位基阵发送声学询问信号，应答器收到询问信号后发射应答信号，并由超短基线定位基阵接收，利用超短基线定位原理对应答器位置进行初步解算，信息进入主控处理分机，后与分测量船甲板单元的测距信息融合，进行长基线定位解算，得到高精度的拖曳目标（应答
器）相对位置。最终由主控处理分机联合解算超GPS短基线定位基阵绝对大地 坐标和拖曳目标（应答器）与超短基线定位基阵相对位置，得到拖GPS曳目标（应答器）的绝对大地 坐标。在分测量船上安装甲板单元及甲板单元换能器，采用甲板单元换能器发送询问信号并接收应答信号，利用甲板单元进行时延解算和测距解算，通过无线数传电台将解算结果发送至主测量船。GPS水面目标船的实时绝对大地 坐标由差分GPS及水面目标船测量分机进行测量，通过无线数传电台将结果发送至主测量船。基于上述分系统获取的信息，主控处理分机可实时测量水下拖曳目标（应答器）、水面目标船、主测量船、分测量船的位置以及相对态势，相关信息可根据需要在主测量船、分测量船和水面目标船的任意一艘或几艘船上进行实时显示，为试验提供各目标的实时定位信息。
2.3 超短基线定位原理
超短基线定位根据应答器发射信号到达各接收基阵阵元的时延差来计算应答器到接收基阵的斜距，进而进行目标定位解算［5-6］。4设定位基阵的 个阵元构成的左手直角坐标1 3 轴上，2系为基阵坐标系，其中 号和 号阵元在 x 4号和 号阵元在 y 轴上，基阵的中心为坐标原点， 1，3 2，4阵元间距为 D（指 阵元间距和 阵元间距）。设目标位于 S 点，其在基阵坐标系下的坐标3）。为（ x y z ）（图 --目标径矢为OS ，它的方向余弦为y cos α = x cos β= R= x2 + y2 + z2 （ ） , , 1 R R式中：α为目标径矢与 x 轴的夹角；β 为目标径矢与y轴的夹角；R为目标斜距。 超短基线定位基阵尺寸相对于目标斜距很小，入射波可近似为平面波，则有D cos α D cos β , （2） τx = τy = c c 1，3式中：c 为水中声速； τx 为 x 轴 阵元接收信2，4号的时延差；τy 为y轴 阵元接收信号时延差。综合式（1）和式（2）可得cτx R cτy R , （3） x = y = D D 3式（ ）为超短基线定位解算的基本公式。其中，接收信号的时延采用相位修正法估计。 R通4过 个阵元接收信号的时延平均值计算，因此时延是主要测量值。采用这种测量方式可得到在基阵坐标系下的声源位置。在载体质心地理坐标已知的条件下，再通过坐标变换，将基阵坐标系下的目标坐标转换为大地坐标系下的坐标。
2.4 长基线定位原理
4长基线定位系统的定位原理如图 所示。设长基线各阵元的坐标为 (xi yi zi ) ，目标的坐标为(x y z) ，各阵元到目标的传播时延为 ti ，长基线水声定位原理的定位模型描述为［ 7 ］ (xi - x)2 + ( yi - y)2 + (zi - z)2 = c2 ti2 i=1，2，…，n （4） 水下目标的深度（应答器深度）通过应答器自已知，3带的压力传感器测量得到。若目标深度z个球面交汇，即可确定空间未知量 (x y)。若减少1个阵元，则出现双解现象，需根据先验知识，剔1除其中 个不合理的位置解。若有冗余阵元，利用冗余阵元的信息可进一步提高定位精度。Matlab fsolve还可采用 中的 （）函数求解非线性方程组的方法解算目标位置。Matlab fsolve（）中函数的调用格式为
X=fsolve（'fun'，X0，'option （5） '）为返回的数值解；'fun'为用于定义需求解式中：X的非线性方程组的函数文件名；X0为求根过程的'option'初值； 为最优化工具箱的选项设定。最20优化工具箱提供 多个选项，用户可以使用'optimset'命令将它们显示出来。如果想改变其中optimse（t某个选项，则通过调用 ）函数来完成。解算目标位置时，Matlab fsolve（）函数的调中用方法为
=fsolve（'fun'，X0，'option （6） (x y) '）其中，迭代逼近的条件为=0 （7） (xi - x 0)2 + ( yi - y 0)2 + (zi - z 0)2 - c2 ti2 , ,式中，（ x0 y0 z0 ）为目标位置迭代的初始值。初始值越接近真值，迭代结果越准确。
2.5 长基线和超短基线联合定位技术
与超短基线和短基线相比，长基线的定位精 度更高。但是由于基线长度较长，一般在几百米 到几千米量级，定位基阵布放回收的工作量较大， 不便于布放实施。而超短基线定位基阵的尺寸只 有十几厘米，布放实施简便，但是定位精度相对较 低。因此，在定位精度要求不高时，可以仅采用超 短基线进行目标定位。在定位精度要求较高时， 采用超短基线作为长基线定位的其中一个阵元， 以减小长基线布放实施的难度；将甲板单元换能 器作为长基线的另一个阵元。将超短基线的定位 结果作为长基线的先验数据，即作为长基线迭代 逼近的初始值，然后采用长基线定位进一步提高 目标定位精度。采用两种方式联合定位可以提高 系统使用的简便性和灵活性。
系统工作参数设置如下：超短基线定位基阵0.12 m的基线长度为 ，接收信号的信噪比为20 dB，航向角测量误差为0.5°，纵摇角和横摇角0.3°，安 0.3°，基测量误差为 装角度偏差为 线长度0.002 m，声速相对误差为2‰，GPS误差为 定位误1.5 m，目 45°。在不考虑基线正差为 标方位约为交角度偏差时，定位误差随目标斜距的变化关5 300 m系如图 所示。由图可见，当斜距小于 时， 4m 300 m水平定位误差＜ ；当斜距大于 时，仅采≥4m。用超短基线定位系统的水平定位误差采用长基线和超短基线联合定位时，将超短s基线的定位结果 (x y s)作为长基线迭代定位的初X0，即始值 （8） X0 = (x s y s)然后利用式（9）进行长基线定位： (xc y c) =fsolve（'fun'，X0，'option （9） '）式中，(xc y c)为联合定位的目标位置，采用Matlab fsovle（）函数进行解算。中的对长基线和超短基线联合定位方法进行仿0.15 ms。在真。设定甲板单元时延测量精度为进行长基线定位时，分别将超短基线定位基阵和甲板单元换能器当作长基线定位的阵元，因此超短基线定位基阵和甲板单元换能器之间的间距即2为 个阵元长基线阵的基线长度。设基线长度为500 m，设定长基线定位基阵2个阵元的坐标分别为（0，0）和（500，0 500 m×500 m。），定位区域为将超短基线和甲板单元换能器阵元上方的阵内区20 m×20 m域分割成 的网格，统计网格所有节点的水平定位均方根误差，定位误差大小以颜色来6标记。图 为长基线和超短基线联合定位精度的2仿真结果，其中 个黑色的圆圈表示阵元的坐标位置。 6由图 所示的仿真结果可见，在基线长度为500 m <100 m时，当目标坐标 y 时，采用长基线定4m <300 m位的水平定位误差＞ ，这时斜距 以内
的区域内可以采用超短基线定位系统进行水下目<4m标定位，即可达到水平定位误差 ；当目标坐标≥100 m y 时，采用超短基线和长基线联合定位， ≤4m即可达到水平定位误差 的要求。
3 试验分析 3.1 千岛湖试验
采用长基线和超短基线联合定位系统在千岛湖进行了定位精度验证试验。湖上试验时，在主测量船上安装了超短基线定位系统，将其布放于5m GPS水下 左右，定位基阵的正上方安装 天线。在分测量船上安装甲板单元及甲板单元换能5m器。甲板单元换能器布放于水下 左右。甲板GPS单元换能器的正上方安装 天线。在主测量船和分测量船的桅杆顶部架设数传电台天线，用于定位系统间的无线数据传输。在运动过程中，难以确定水下拖曳目标真值。因此，在考核拖曳目标的水平定位精度时，采用定点目标定位考核机制（原理相同，不影响试验验证）。即在应答器上悬挂铅块，通过钢丝绳软吊15~40 m，应答器正上在水面目标船的舷侧水下GPS方安装 天线，记录应答器的水平位置。试验时，水面目标船和分测量船的位置保持不变，而主测量船相对应答器由近及远运动。首先启动超短基线进行定位，然后启动超短基线和长基线的联7）。合定位，并对比定位结果（图 7统计如图 所示的应答器的定位偏差，可得6.8 m；采采用超短基线时的定位偏差均方根值为用长基线和超短基线联合定位时的偏差均方根值2.5 m，定位精度得到大幅提升。为
3.2 海上试验
在某海上试验中，采用长基线和超短基线联 合定位系统对水下拖曳目标进行实时定位。拖曳 目标位于目标船右舷。试验开始后，水面目标船、 主测量船、分测量船以指定航向和规定的相对距 离航行。对布放与拖曳目标上的应答器进行实时
定位以获取拖曳目标的实时位置。试验结果表1.05 m明，水平定位偏差为 ，纵向定位偏差为1.565 m，满足系统的定位精度≤4m的要求。
4结语
本文提出了一种基于长基线和超短基线联合 的定位技术，并将该方法应用于湖上和海上拖曳 目标定位精度测试试验。湖上拖曳目标定位试验 结果表明，该技术能够较好地提高水下拖曳目标 的定位精度。海上拖曳目标定位试验表明，该技 术一方面可以利用超短基线定位易于布放实施的
优点，便于海上试验和作业，另一方面又可以实现2长基线定位精度较高的优势，综合了 种定位方式的优点。同时，在对精度要求不高的情况下，还
可以仅通过超短基线技术进行目标定位，增加了GPS使用的灵活性。结合差分 定位技术，可实时显示水下拖曳目标、水面目标船、主测量船、分测
量船的位置以及相对态势，为特定需求的海上试 验或作业提供技术支撑。
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