Page 283 - 应用声学2019年第4期

第 38 卷 第 4 期 程谦等： 多子阵组合的短基线声学定位系统数据优化方法 743

的空间坐标，则根据空间定位方法，可得一组球面
0 引言 方程：

2
2
2
2
水下定位是人类探索海洋的一项重要技术，根 (X − x i ) + (Y − y i ) + (Z − z i ) = (ct i ) ,
据现有的状况，声学定位系统(Acoustic positioning
i = 1, 2, 3, 4, (1)
system)是水下定位的必要手段，高精度的水下定位
其中，t i 为声源发射的信号到达各接收基元的传输
系统是探索高科技水下领域以及实现海洋科研工
时间，记ct i = s i 。因方程 (1)为二次方程，可通过将
作的前提 [1−4] 。水声定位系统由多个基元组成，基
其线性化进行求解。消去二次项，可得到 3 个线性
元间的连线称为基线 [5] ，按接收阵或应答器基阵的
方程：
基线长度可分为长基线(Long base line, LBL)定位
系统、短基线 (Short base line, SBL) 定位系统和超 (x i+1 − x i ) X + (y i+1 − y i ) Y + (z i+1 − z i ) Z
短基线 (Ultra-short base line, USBL) 定位系统 [6] 。 ( 2 2 2 2 )
= s − s i+1 + r − r i+1 /2, i = 1, 2, 3, (2)
i
i
由于短基线可采用船载式基阵，安装使用方便，且成
2
2
2
2
其中，r = x + y + z 。
本较低，精度较适宜，从而得到更广泛的运用 [7] 。 i i i i
将式(2)表示为矩阵形式，令
在实际工程中，为了满足短基线水声定位系统
 
的适用性和高精度的要求，通常可在目标上安装水
x i+1 − x i y i+1 − y i z i+1 − z i
声信标，基于短基线声学定位原理搭建声学定位系   (3)


A =  x i+2 − x i y i+2 − y i z i+2 − z i  ,
统，并设计接收基阵由多个阵元组成，从而可获得多  
x i+3 − x i y i+3 − y i z i+3 − z i
个定位数据进行融合，得到最终定位坐标。但由于 ( )
T
水声环境十分复杂 [8−9] ，多途信道、背景噪声、硬件 x = X Y Z , (4)
误差、平台干扰等因素都有可能导致测量数据中出  2 2 2 2 
s − s i+1 + r − r i+1
i
i

现低可靠性数据对象，将其称为奇异值 [10−11] 。若 1  

2
2
c =  s − s 2 i+2 + r − r 2 i+2  , (5)
i
i
对这些定位数据无一定程度的筛选，在数据融合时， 2  
2
2
s − s 2 + r − r 2
奇异值将代入较大误差，导致严重定位偏差。本文 i i+3 i i+3
将分析在此类短基线定位系统工作时，奇异值统计 则有
特性参数，并依此进行数据筛选，即解决数据优化的
Ax = c, (6)
问题。
针对上述应用背景及面临的问题，本文提出了 即
基于多子阵组合 (Multiple subarray combination, x = A −1 c, (7)
MSC) 的短基线声学定位数据优化方法，利用空间
即将球面交会问题转化为平面交会问题进行求
阵的子阵中各阵元相对于目标的空间关系，对子阵
解 [13] ，最终求得定位坐标。
进行筛选，舍弃部分冗余数据，使定位误差趋于最小
则定位误差err为
值，实现定位精度的提高。
√
2
2
2
err = (X − x 0 ) + (Y − y 0 ) + (Z − z 0 ) 。
1 短基线声学定位系统原理及误差分析
测距误差对定位精度的影响最大 (其他误差，
短基线水声定位系统通常由4 个及以上接收水 诸如基阵姿态误差、基阵阵元位置误差等，可以通
听器按照一定几何形状，组成接收阵。它们接收来 过预先校准减小、修正)，而测距误差主要由声速误
自应答器或者声信标发出的声源信号，进而测出各 差和测时误差造成。
接收阵元与声源的距离，最终获得应答器或声信标 小范围内若不考虑声线弯曲，可使用平均声
相对于接收基阵的三维坐标 [12] 。 速 [14] ，因此本文中声速误差是由声速剖面仪的测量
对于短基线系统，若将各基元位置坐标表示为 误差引起的，通常可以达到每秒亚米级别，一般不超
(x i , y i , z i ) , i = 1, 2, 3, 4，假设 T (x 0 , y 0 , z 0 ) 为声源 过0.2 m/s [15] 。