作為水下探測設備的載體，深海拖曳探測系統（簡稱深拖系統）因其可搭載設備豐富，性價比高等原因，已經成為海洋科學研究、勘探開發或軍事活動等的重要工具。在海洋地質調查工作中，深拖系統多搭載高清攝像機、多波束、測深側掃聲吶及淺地層剖面儀等，主要用于海底攝像、深海地形地貌以及地層特征的近海底探測。深拖探測主要涉及導航定位技術（包含水面作業母船定位、水下拖體定位導航、水下目標點坐標轉換）、探測技術（包含各類搭載于水下拖體的任務載荷傳感器觀測及數據處理技術）以及布放回收技術等，深拖探測作業示意圖如圖１所示。

導航定位信息是深海探測的關鍵，所有測量成果均需賦以位置信息，才能被有效地利用。作為探測傳感器的搭載平臺，深拖拖體在水下位置及姿態的準確與否，直接關系到最終探測成果的位置精度。因此，確定水下拖體的位置信息是深拖探測工作需要解決的關鍵問題，也是對深拖系統所采集的數據資料進行精細處理的必要條件。

圖１深拖探測作業示意圖

１深拖系統導航定位技術

１．１水下定位技術概況

水下導航定位方法大致包括匹配導航（地形／地貌匹配導航、重力匹配導航及地磁匹配導航等）、水下慣性導航定位、航位推算以及水下聲學導航定位［７］。匹配導航是利用海洋磁場、重力場、海洋深度或海底地形等的時空分布特征，制作地球物理導航信標，實現對水下載體精確定位的自主導航技術，受導航環境限制且導航精度有限，對于深拖系統并不適用。慣性導航系統（簡稱ＩＮＳ）由于導航定位誤差會隨時間明顯累積，故在應用中往往不單獨使用，而是借助外部輔助手段實時修正累計誤差。基于多普勒計程儀（簡稱ＤＶＬ）的航位推算通過積分方式獲得的位置誤差會隨時間出現明顯漂移。深拖系統定位多采用水下聲學導航定位，尤其是超短基線定位系統（簡稱ＵＳＢＬ）因其具有成本低、操作簡便、無需布設海底應答器、安裝靈活、測距精度高等諸多優勢，已成為深拖系統定位的主流技術手段。近幾年，隨著科學技術的進步，ＵＳＢＬ換能器與慣導系統可集成安裝，故可免去繁瑣的校準工作，操作更加簡便。由于海洋環境的復雜性和隨機性，針對高精度探測任務，只依靠單一的定位技術不能滿足定位和導航的精度要求，還需多傳感器進行組合導航定位，組合定位技術是將２個以上的定位系統組合在一起發揮各自的優點，從而提高水下定位的精度和可靠性。

１．２深拖水下定位方法

因涉及水下定位的技術手段較多，限于文章篇幅，在此只介紹適用于深拖系統的部分水下定位方法。

１．２．１水聲定位

由于海水的特殊性，電磁波在海水中傳播能量衰減顯著，限制了信號傳播距離，故常規無線電導航、衛星導航等常規技術手段無法實現對水下目標的導航定位。而聲波在海水中衰減小，傳播性能好，在海水中傳播能量衰減不像電磁波那樣明顯，故聲學信號被廣泛應用于水下通訊及導航定位。

聲學定位系統換能器由多個基元（接收應答器）組成，基元間的連線稱為基線。根據基線的長度可以分為長基線定位系統（簡稱ＬＢＬ）、短基線定位系統（簡稱ＳＢＬ）和超短基線定位系統（ＵＳＢＬ）３種類型。ＬＢＬ換能器基線長度長達幾百甚至幾千米，具有定位精度高、作業范圍廣等優點，但其系統組成復雜、換能器基陣龐大、布放校準及回收耗時耗力。ＳＢＬ換能器基陣相對于ＬＢＬ小的多，約為幾米到幾十米，同樣存在水聽器安裝繁瑣、校準困難等問題。隨著ＵＳＢＬ技術的發展，ＵＳＢＬ換能器基線長度僅為幾厘米到幾十厘米，可便攜安裝、操作簡便甚至無需檢校。

常規聲學定位系統除了聲學單元外還需要諸多外部輔助設備，系統一般由母船上的主控系統、船底定位聲元基陣（換能器）、水下定位信標（應答器）以及外部設備（ＧＰＳ、羅經、姿態傳感器、壓力傳感器及聲速剖面儀）等構成。在開展正式水下定位作業前，均需進行校準工作。近幾年隨著傳感器集成技術的不斷進步，加之ＵＳＢＬ換能器基線短、外形尺寸小的先天優勢，可將其換能器與小型慣導系統進行集成安裝，各傳感器之間的相對偏移量在出廠前已進行內部標定并固化在系統的內部程序中，不存在各傳感器之間的安裝、測量誤差問題，確保了系統的高精度導航定位，因此可免去繁瑣的作業現場校準工作［１８］。圖２為法國ＩＸ－ｂｌｕｅ公司研制的新型超短基線水下定位系統－ＧＡＰＳ，該系統是世界上首例便攜式、即插即用、無需坐標校準的超短基線定位系統，近年來引起了廣泛的關注。

１．２．２航位推算及慣性導航

航位推算方法以多普勒效應為基礎，基于多普勒計程儀（簡稱ＤＶＬ）和羅經等傳感器來完成。其定位原理是主要是利用ＤＶＬ獲取的速度信息經過積分運算，并結合羅經信息推算拖體相對于母船的位置。若要推算拖體的絕對地理坐標，還需借助母船的定位系統在拖體入水前，通過一定的方法確定水下拖體的初始位置，通過初始位置信息和測得的拖體速度方位信息不斷疊加推算。該方法具有自主性高、隱蔽性強的特點，其數據輸出平滑，短時間精度高，多普勒計程儀測得的速度誤差不會隨時間累積，但是通過積分方式獲得的位置誤差會隨時間積累。

慣性導航系統（簡稱ＩＮＳ），按照系統結構分為平臺式慣導（簡稱ＧＩＮＳ）和捷聯式慣導（簡稱SＩＮＳ），可用于測定載體的三維姿態、速度、位置等信息。ＧＩＮＳ的慣性元件都安裝在一個物理平臺上，因其尺寸較大，結構復雜，不利于在深拖等水下調查平臺中使用。ＳＩＮＳ是在ＧＩＮＳ基礎上發展而來的，其是一種無框架系統，由陀螺儀、加速度計和微型計算機組成，具有體積小、結構簡單、維護方便等諸多優點，是目前水下調查平臺主要使用的慣導系統。隨著時間的增加，慣導系統也會出現累積誤差，故難以長時間獨立工作，需要利用各種外部輔助手段，如利用ＤＶＬ提供速度參考信息進行融合定位。圖3為ＩＮＳ與ＤＶＬ組合導航系統。

圖３ＩＮＳ＆ＤＶＬ組合系統

２ＵＳＢＬ定位原理

２．１ＵＳＢＬ定位原理

以ＧＡＰＳ超短基線為例，其換能器聲元基陣由兩對相互正交的水聽器和一個發射換能器組成。通過測量應答器與換能器各聲元之間的距離Ｒ，同時記錄聲脈沖到達應答器的相位差予以測定應答器與換能器各聲元之間的方位角θ，采用交會方式即可得到應答器在船體坐標系下的坐標位置。船體坐標系如圖４所示，其中，船體坐標系原點Ｏ位于換能器中心點，Ｔ為應答器位置，Ｘ軸、Ｙ軸在水平面內，且Ｘ軸指向船首，Ｙ軸垂直于Ｘ軸指向右舷，Ｚ軸垂直向下。母船的地理位置由ＧＰＳ予以確定，通過準確量取ＧＰＳ至坐標系原點Ｏ的偏移量，即可獲得應答器的絕對地理位置。

圖４船體坐標系

２．２ＵＳＢＬ定位誤差分析

假設影響ＵＳＢＬ定位精度的各誤差源是相互獨立的，則整個系統的定位精度可以定義為：

式（１）中：δＵ為ＵＳＢＬ本身的測量誤差，包括測距誤差和測向誤差，屬于系統誤差，另外還包含數據更新率誤差；若ＵＳＢＬ接入外部傳感器時，還包括羅經航向誤差δ２ＧＹＲ、姿態傳感器誤差δ２ＭＲＵ、母船ＧＰＳ定位誤差δ２ＧＰＳ、聲速誤差δ２ＳＶ，上述誤差歸為外部傳感器誤差；δ２ＣＡＬＩ為用戶安裝校準誤差，采用免校準型ＵＳＢＬ時，此項誤差不予考慮；δ２Ｉ為換能器到應答器不同入射角的誤差，與換能器和應答器之間的作用距離（包括水平距離和垂直距離）密切相關；δ２Ｎ為噪聲誤差，屬于隨機誤差。

航向誤差會主要影響ＵＳＢＬ的水平定位精度。姿態誤差對ＵＳＢＬ水平和垂直定位精度均有影響。母船ＧＰＳ定位誤差將傳遞給整個ＵＳ－ＢＬ系統，導致所測得的應答器地理坐標精度不準確。聲速對于所有聲學探測手段來說至關重要，聲速剖面測量誤差將會影響聲線追蹤的準確度，導致ＵＳＢＬ定位精度低甚至出現定位粗差。在開展ＵＳＢＬ定位工作時，可通過使用高精度的羅經、姿態傳感器、ＧＰＳ設備以及聲速剖面測量儀來減小對ＵＳＢＬ最終定位誤差的影響。數據更新率誤差主要與測量斜距有關，當換能器與應答器間的距離增大時，ＵＳＢＬ的數據更新率會降低，導致ＵＳＢＬ在一定時間內不能給出定位數據，形成一個時段內定位數據空白的現象。在海洋工作環境中，由于環境噪聲影響產生的ＵＳＢＬ定位誤差甚至粗差是不可避免的，需要對ＵＳＢＬ定位數據進行濾波等后處理予以解決。

２．３卡爾曼濾波

卡爾曼濾波能夠實時估計系統中的參數，如連續變化的位置、速度等信息，是一種線性最優化自回歸數據處理算法，可實時處理觀測數據并計算最新的濾波值，通過不斷預測、修正遞推過程，提供一種實時最優估計值。狀態估計為從各種有效觀測數據中獲得最優導航結果的關鍵技術，卡爾曼濾波是導航系統中大多數狀態估計算法的基礎［２２］。

卡爾曼濾波不僅可以利用當前的觀測值，還可利用全時段輸入的觀測信息進行計算。在得到有效信息后，卡爾曼濾波利用系統參數的確定性特性和統計特性等先驗知識，以及觀測量來獲得最優估計。在諸如ＵＳＢＬ等導航定位系統實時應用中，遞推算法計算效率更高，這是因為在每次迭代中只需要處理新的觀測數據，而舊的觀測數據可以丟棄。在提供的初始估計基礎上，卡爾曼濾波通過遞推運算，用先驗值和最新觀測數據中得到的新值的加權平均來更新狀態估計。

在勻速直線運動情況下，考慮到水下定位的常發生的粗差觀測值，它所需要建立的數學模型即狀態方程和量測方程是一階線性的，自適應抗差卡爾曼濾波算法主要包含以下方程。

線性化后的自適應選權濾波的觀測方程和狀態方程：

式中：Φｋ＋１，ｋ為ｋ＋１時刻的狀態轉移矩陣；

xｋ為ｋ時刻的ｎ維狀態向量，可包含位置參數和聲速改正參數；

Ｌｋ＋１為ＵＳＢＬ觀測方程；Ｈｋ＋１為設計矩陣； ωｋ為狀態噪聲； υｋ為觀測噪聲。

假設ω 和υ數學期望為０，彼此不相關，其協方差矩陣分別為Σｋ＋１，ｋ和Ｒｋ＋１。自適應抗差濾波過程分為狀態更新和測量更新，狀態更新過程如下：

式中：＾Ｘｋ為ｋ時刻的ｎ維狀態向量濾波值，其初始值一般由少數歷元的觀測值求出；

Ｘｋ＋１，ｋ為一步預測后的狀態向量預測值。

３ＵＳＢＬ在深拖定位中的應用

法國ＩＸｂｌｕｅ公司生產的Ｇａｐｓ超短基線定位系統（圖２）內部集成了高精度慣導系統，無需進行復雜的安裝校準工作。本文以該系統為例，介紹USBL在深拖探測水下定位中的應用。本次深拖作業，母船以３ｋｎ速度沿固定航向航行，深拖系統下放深度為６００ｍ左右，ＵＳＢＬ換能器安裝于母船聲學豎井內，應答器安裝于拖體之上，采用電觸發模式工作。圖５為ＤｅｌｐｈＲｏａｄｍａｐ導航軟件中實時顯示的母船位置（圖中藍線）及拖體位置（圖中紅線），為了更直觀顯示母船與拖體的相對位置關系，截取部分原始數據，繪制三維顯示圖（圖６）。從圖６中不難看出，母船位置由高精度星站差ＧＰＳ給定，其運動軌跡清晰連續，表現為一條直線。ＵＳＢＬ在大多數時間內可以給出相對穩定的定位數據，但受海洋環境噪聲等的影響，部分數據存在跳點情況。

圖５實時導航界面

針對深拖水下定位而言，深拖拖體與母船之間通過光電復合纜連接，由母船拖曳走航作業，故拖體的運行軌跡是有章可循的，運動軌跡相對平滑，正常情況下不會產生較大的突變。圖６中黑色框內的USBL原始數據出現明顯的跳動，選取該部分數據進行分析，如圖７所示，拖體位置在平面方向和垂直方向上均存在明顯的跳動，尤其是垂直方向上，相鄰位置間跳動量可達到５～１０ｍ。

圖７拖體三維位置

４結論

USBL以其靈活性、便于操作等諸多優點，在深拖探測中被廣泛應用。由于海洋環境噪音等引起的USBL定位誤差，會導致深拖水下定位數據出現跳點，導致定位軌跡不連續。筆者結合深拖拖體在水下的運動特性，構建其穩定動力學模型，通過卡爾曼濾波算法可以有效地對誤差進行剔除或平滑，可明顯改善最終的定位結果。

本文在進行深拖水下定位工作時，僅采用了USBL單一技術手段，盡管通過數據后處理得到了較為平滑的定位數據，但針對更高精度探測任務來說，還是遠遠不夠的。正如前文所述，針對高精度探測任務，還需USBL, DVL, INS等多傳感器進行組合導航定位，組合定位技術可將兩個以上的定位系統組合在一起發揮各自的優點，從而提高水下定位的精度和可靠性，將會成為水下定位技術發展的新趨勢。

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