水聲定位

自從1912年在美國出現了第一台水聲測深儀以後，開始有了水聲助航設備。二戰中，對水下目標的探測和測量受到了重視，並在戰後得到了迅速的發展。1958年，美國華盛頓大學應用物理實驗室在達波灣建成了三維座標跟蹤水下武器靶場。這種水下定位跟蹤技術在六十年代後期得到廣泛應用，成為魚雷靶場的主要測試方法。迄今為止，國內外水下武器靶場使用的水下定位跟蹤系統有多種類型，按其安裝方式可分為固定式跟蹤系統、活動式(船載)跟蹤系統和輕便式跟蹤系統。固定式跟蹤系統的水下測量設備大多數固定在海底，其範圍大、費用高，只能在固定海區使用；活動式跟蹤系統的全部設備都固定安裝在活動平台上，試驗時隨活動平台開往試驗海區；輕便式跟蹤系統的體積和重量相對較小，可以隨時布放和回收，並可通過飛機、車輛和船隻從一個試驗區運送到另一個試驗區。這三種水下定位跟蹤系統雖然在結構上有較大差別，但在原理上均是依賴於幾何原理的水聲學定位方法。根據接收基陣的基線可以將水聲定位技術分為三類：長基線(LongBase-Line)、短基線(Short Base-Line)、超短基線(Ultra Short Base-Line)。

長基線水聲定位系統的基陣長度在幾公里到幾十公里的量級，利用測量水下目標聲源到各個基元間的距離確定目標的位置。短基線水聲定位系統的基陣長度一般在幾米到幾十米的量級，利用目標發出的信號到達接收陣各個基元的時間差，解算目標的方位和距離。超短基線定位系統的基陣長度一般在幾個釐米到幾十釐米的量級，它與前兩種不同，利用各個基元接收信號間的相位差來解算目標的方位和距離。

若按照工作方式來劃分，以上三種定位系統都可以選擇使用同步信標工作方式或應答器工作方式。採用同步信標工作方式，要求在待測目標或測量船上都安裝高精度同步時鐘系統，信標按規定的時刻定時發射信號，並據此確定目標位置。應答器工作方式要求在應答和測量船上都安裝詢問(應答)發射機和接收機。

通常所説的水聲定位系統所測得的目標位置結合起來進行座標變換，就能得到水下目標在大地幾何座標中的位置或軌跡。座標，都是相對於某一參照物的位置而言。這個參照物有時就是基陣的載體(通常相對座標系的某一個軸線和艦船的艏艉線重合)，它並不真正給出目標的大地幾何座標位置。然而水聲定位系統和其他的導航系統(如近年來獲得廣泛應用的衞星導航定位系統)結合起來進行座標變換，就能得到水下目標在大地幾何座標中的位置或軌跡。 ^[3] 

迄今為止，水下目標定位跟蹤的主要手段仍是依賴於幾何原理的水聲學定位方法。通常用聲基線的距離或激發的聲學單元的距離來對聲學定位系統進行分類。水聲定位系統，根據所實施的原理和測量手段不同，又可分為“方位--方位”、“方位--距離”和“距離--距離”三種測量系統。大部分的長基線、短基線系統都屬於後者。距離測量水聲定位系統是通過測量水下聲源所輻射的聲信號從發射到接收所經歷的時間及聲速來確定聲源到各接收點的距離，從而實現對目標進行定位的。

如圖1所示，超短基線定位系統的所有聲單元(三個以上)，集中安裝在一個換能器中，組成聲基陣，聲單元之間的相互位置精確測定，組成聲基陣座標系，聲基陣座標系與船的坐系之間的關係要在安裝時精確測定，包括位置(X、Y、Z偏差)和姿態(聲基陣的安裝偏差角度：橫搖、縱搖和水平旋轉)。系統通過測定聲單元的相位差來確定換能器到目標的方位(垂直和水平角度)；換能器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。以上參數的測定中，垂直角和距離的測定受聲速的影響特別大，其中垂直角的測量尤為重要，直接影響定位精度，所以多數超短基線定位系統建議在應答器中安裝深度傳感器，藉以提高垂直角的測量精度。超短基線定位系統要測量目標的絕對位置(地理座標)，必須知道聲基陣的位置、姿態以及船舷向，這可以由GPS，運動傳感器和電羅經提供。系統的工作方式是距離和角度測量(range/angle)。

超短基線的優點：低價的集成系統、操作簡便容易；只需一個換能器，安裝方便；高精度的測距精度。超短基線的缺點：系統安裝後的校準需要非常準確，而這往往難以達到；測量目標的絕對位置精度依賴於外圍設備精度一一電羅經、姿態傳感器和深度傳感器。 ^[3] 

如圖2所示，短基線定位系統由3個以上換能器組成，換能器的陣形為三角形或四邊形，組成聲基陣。換能器之間的距離一般超過10m，換能器之間的相互關係精確測定，組成聲基陣座標系，基陣座標系與船座標系的相互關係由常規測量方法確定。短基線系統的測量方式是由一個換能器發射，所有換能器接收，得到一個斜距觀測值和不同於這個觀測值的多個斜距值，系統根據基陣相對船座標系的固定關係，配以外部傳感器觀測值，如GPS、MRU、Gyro提供的船的位置、姿態、船艏向值，計算得到目標的大地座標。系統的工作方式是距離測量(range/range)。

短基線的優點：低價的集成系統、操作簡便容易；基於時間測量的高精度距離測量；固定的空間多餘測量值；換能器體積小，安裝簡單。短基線的缺點：深水測量要達到高的精度，基線長度一般需要大於40m；系統安裝時，換能器需在船塢嚴格校準。 ^[4] 

長基線系統包含兩部分，一部分是安裝在船隻上的換能器或水下機器人，另一個部分是布放在海底固定位置的應答器(三個以上)。應答器之間的距離構成基線，基線長度按所要求的工作區域及應答作用距離確定，在上百米到幾千米之間，相對超短基線、短基線，稱為長基線系統。長基線系統是通過測量換能器和應答器之間的距離，採用測量中的前方或後方交會對目標定位，所以系統與深度無關，也不必安裝姿態、電羅經設備，即長基線定位是基於距離測量。從原理上講，系統導航定位只需要2個海底應答器就可以，但是產生了目標的偏離模糊問題，另外不能測量目標的水深，所以至少需要3個海底應答器才能得到目標的三維座標。實際應用中，需要接收4個以上海底應答器的信號，產生多餘觀測，提高測量的精度。系統的工作方式是距離測量(range/range)。

長基線系統的優點：獨立於水深值，具有較高的定位精度；多餘觀測值增加；對於大面積的調查區域，可以得到非常高的相對定位精度；換能器非常小，易於安裝。長基線的缺點：系統複雜，操作繁瑣；數量巨大的聲基陣，費用昂貴；需要長時間佈設和收回海底聲基陣；需要詳細對海底聲基陣校準測量。 ^[5]