一種水下目標定位方法*

李自超 林 勁 魏鈺博 秦同杰

（大連測控技術研究所 大連 116013）

1 引言

由于海洋中流的沖擊影響以及水聲工程作業本身的復雜性，水下目標在海面以下的位置存在一定的“隨波逐流性”，致使對布放在海底、尤其是具有較大深度的水下目標進行快速、精確定位變成難題。傳統的定位方法［1～2］有其局限性：長基線定位［3］精度雖然高，但定位基陣的布放耗時耗力，無法實現快速部署；短基線定位［4］對船只和測距系統的要求比較苛刻，系統需要做大量校準工作。本文采用水聲測距與差分GPS 聯合的方式實現定位［5］，詳細闡述了其實現原理，開展了試驗驗證，試驗證明該方法有效可行，可為水下目標定位的工程實現提供參考。

2 水聲測距系統

水聲測距系統［6］是以聲波作為信號、以水作為傳播介質，通過計算聲波時延［7］來進行測距的系統。目前比較成熟的測距系統主要由同步時鐘模塊、測距信號發射接收模塊、數據采集模塊、數據解算模塊等核心部件組成，系統組成框圖如圖1所示。

圖1所示的水聲測距系統是以主動測距的方式實現，其實現過程為：在同步時鐘［8］作用下，接收水聽器接收發射換能器發射的測距信號，通過數據解算模塊解算出收發時延，結合所處海域聲速，獲取距離信息。

3 差分GPS定位

利用傳統的單點GPS定位，即可初步實現對船舶的實時定位功能。但由于存在著軌道誤差、時鐘誤差、SA 影響、大氣影響、多徑效應以及其他誤差［9］，GPS 接收機解算出的坐標與實際坐標的定位精度達到米級以上，定位精度差。載波相位差分（RTK）GPS［10］是由基準站發送改正數，由移動站接收并對其測量結果進行改正，以獲得精確的定位結果，其定位精度可達厘米級［11］。差分GPS定位系統工作流程如圖2所示。

圖2 差分GPS定位系統工作流程圖

4 聯合測距

差分GPS 與水聲測距聯合的總體思路是利用聲信號的水下傳播特性解算出水下發射器與接收器之間的時延，并結合所處海域的聲速將其轉化為相對距離；利用差分GPS解算出相應測點的位置信息。將水聲測距與差分GPS定位相結合，通過幾何關系解算出被定位目標的位置信息。設計方案如圖3所示。

圖3 設計方案圖

在被定位目標上安裝深度傳感器和發射換能器，深度傳感器用來獲取被測目標的深度，發射換能器發射測距信號；在測量船上安裝差分GPS和接收水聽器，差分GPS用來獲取相應測點的絕對位置信息，接收水聽器用來接收水聲測距信號，測量船以被測目標為中心繞圈測量。具體實現過程如下。

1）深度傳感器測量被定位目標的深度為h1，水聽器入水深度為h2，被定位目標與水聽器間的垂直距離h=h1-h2，點H 為被定位目標O 在海平面的投影點；

2）被定位目標上安裝的發射換能器發射測距信號，在時鐘同步的條件下，測量船上的接收水聽器接收測距信號并解算出發射與接收之間的時延，結合所處海域聲速得到被定位目標與測量船之間的距離L1、L2；

3）計算Rt△AHO 和Rt△BHO，得到海面上AH、BH的長度；

4）差分GPS放置于測量船，以獲取相應測點的經緯度信息和測點間距離d；

5）在測點中任取兩點作為測量點A 和測量點B，利用高斯-克呂格平面直角坐標公式［12～13］將測量點A 和測量點B 的經緯度坐標轉換為平面直角坐標（xA，yA）（xB，yB），高斯-克呂格平面直角坐標公式如下：

η=e′cosB，其中e′為地球的第二偏心率；

t=tanB；

6）在△ABH 中，H 點坐標（xH，yH）的計算公式如下：

7）在6）的基礎上用高斯-克呂格反變換公式［12～13］解算出H 點的經緯度，也即被定位目標的經緯度。

5 試驗驗證

依托某項目在大連海域進行了海上試驗驗證，試驗海域海水深度40m 左右，海況2 級，被定位目標與測量船的距離在300m～800m 之間。圖4 為系統的主要硬件組成。

圖4 差分GPS定位系統及水聲測距系統

試驗前用差分GPS 記錄被定位目標的布放位置。試驗過程中，當差分GPS輸出的測點坐標保持穩定時開始記錄。利用式（2）～（3）解算出H點的位置坐標，標記為H（ii=1，2…N），將被定位目標的布放位置與Hi 的間距大于5m 的點作為野點剔除。從HM 開始對解算值進行處理，計算從H1 到HM 中任意兩個點之間的距離并進行求和，將到各個點距離之和最短的點記為HM，HM 作為先驗條件。從HM+1 開始，數據解算模塊輸出到n 個解算值距離之和最小的點的位置坐標。隨著采樣點增多，位置不斷進行更新，直到|?H |在某個范圍內保持穩定，此時數據解算模塊輸出的位置記為HN，若HM 與HN 的距離小于0.5m，則以HN 作為解算模塊輸出的被定位目標位置；若HM 與HN 的距離大于0.5m，將H1 到HN 中到各個點距離之和最短的點作為先驗條件，重復上述過程。

本次試驗取前10 個有效解算值來確定HM 的位置，當連續五個點滿足|?H|≤0.2m，即認為HN的位置保持穩定。圖5 為|?H|變化趨勢，從第23個點到第27 個點，|?H|均小于0.2m。從圖6 可以看出，HM、HN 與解算值分布在以布放位置為中心，半徑為1.7m的圓內，計算得HM與HN的距離為0.42m，此時HN即為被定為目標的最終位置。若以被定位目標的布放位置為真值，則認為此次試驗的定位精度為1.7m。

圖5 |?H |變化趨勢

圖6 布放位置、HM、HN與解算值的位置關系

6 結語

本文針對經典的長基線定位基陣布放復雜這一特點，根據長基線定位原理，利用單水聽器和差分GPS進行組合定位，實現了對水下目標的快速便捷定位，同時對試驗測試過程數據進行了誤差修正，提高了定位精度。