- 文献综述(或调研报告):
水下定位无疑有着非常广泛的需要,比如地质科考、海底资源开发、水下考古以及海底光缆轨道铺设等。由于水下的特殊环境,水声设备是水下定位和导航的主要工具。长基线水下定位系统早在1958年就有成功应用的记录,它为美海军建立三维的水下靶 场。SBL 最早出现在1963年,是美国核潜艇失事后,用来定位搜救潜器的。而USBL设备出现的较晚,在80年代初才见它的报道。但它体积更小,安装更方便,使用更灵活[3]。
国外水声定位技术较为先进,目前其定位系统已产品化、系列化。目前国际上主要的水声定位系统生产厂商主要有:法国IXSEA、澳大利亚Nautronix、挪威Kongsberg、英国Sonardyne、美国Link Quest等。各公司均把海洋工程应用作为主要市场,对各自产品不断进行升级。它们的设备基本完成工程化生产,占据了市场绝大部分份额。通常的,定位精度在 2permil;-5permil;斜距之间,定位深度 0-6000m,跟踪目标1-10个。
在标定算法这方面,早在2003年,Philip等人就对水下声学导航系统的标定算法进行研究,其发现标定算法的准确性很大程度上取决于所采集的数据质量、超短基线基阵的几何结构、高效的数值计算算法以及观测值的权重等几方面[4]。
2005年,中国海洋大学海洋地球科学学院的唐秋华和国家海洋局第一海洋研究所的吴永亭等人首次在国内明确的提出了USBL的校准算法[5],利用空间测距交会的方法和最小二乘法进行坐标轴平移和安装误差的估计,在文献5中唐秋华等人先估计应答器位置,最后同时对坐标轴平移量和安装误差角进行估计。为求解出六个未知校准参数,采用的方法与步骤如下所示:
图1 校准计算流程图
其后,2007 年郑翠娥[6]在USBL的水下平台对接应用中也涉及了 USBL 安装校准问题,它沿用了校准的观测方程并开始考虑到声线弯曲的影响。论文先利用最小二乘法对应答器位置和杆臂值进行估计,再估计安装误差矩阵,同时还考虑了深海情况下需要进行声速修正的情况,提出了一种基于最小二乘法结合声线修正的标定方法。依然采用两步校准观测方程,第一步的方程并未改变而第二步则尝试根据声线与基阵的入射夹角作为观测量。它首次涉及了测线选取问题,以圆航迹为例说明安装旋转误差给定位带来的影响,指出校准需要选择绕行半径较大、水深不宜过浅的测线,而USBL基阵定位开角的高精度区又使得半径又不易过大。而截至目前,校准的航迹并无过多要求,只是使用绕行航迹。 至此已经形成一个 USBL 安装校准的基本解决方案。
此外,哈尔滨工程大学的杨保国基于国内的高精度超短基线(USBL)定位系统[3],研究了系统的海上安装校准及声线跟踪定位算法。经过安装校准,可以计算声线的初始掠射角,才能使用声线跟踪进行定位,利用声线跟踪算法来验证校准的准确度、保证系统定位精度。
