張 旭, 李智生, 邱仁貴, 董 楠

布站幾何對(duì)深海時(shí)差定位精度分布特性的影響

張 旭1, 李智生1, 邱仁貴2, 董 楠1

(1. 中國(guó)人民解放軍91550部隊(duì), 遼寧 大連, 116023; 2. 中國(guó)人民解放軍91650部隊(duì), 廣東 廣州, 510320)

為在深海較大區(qū)域?qū)崿F(xiàn)海上無(wú)源目標(biāo)的可靠水聲定位, 測(cè)量設(shè)計(jì)中需對(duì)預(yù)選布站幾何條件下的精度和覆蓋特性進(jìn)行有效估計(jì)。針對(duì)這一問(wèn)題, 提出一種適用于多基站時(shí)差交會(huì)水聲定位體制的精度分布特性仿真分析方法。以北太平洋中部海區(qū)的環(huán)境條件構(gòu)設(shè)仿真場(chǎng)景, 采用BELLHOP高斯束射線模型計(jì)算聲場(chǎng), 應(yīng)用Monte-Carlo方法迭加主要隨機(jī)誤差并傳遞到定位結(jié)果, 通過(guò)網(wǎng)格化和大子樣計(jì)算分別得出4基站、5基站和6基站3類典型幾何構(gòu)型的均方根誤差(RMSE)空間分布。分析表明, 在會(huì)聚區(qū)聲信道條件下利用直達(dá)波與一次海底反射波進(jìn)行定位性能有明顯差異, 前者精度相對(duì)較高, 后者覆蓋范圍相對(duì)較大。直達(dá)波定位精度由陣中心區(qū)域向陣邊緣區(qū)域逐漸減小, 而一次海底反射波定位則在陣中心數(shù)千米區(qū)域出現(xiàn)一個(gè)精度下降區(qū)。在處于頂角位置的基站失效或位于中心位置的基站偏移2種情況下, RMSE呈非對(duì)稱分布, 僅在密集交會(huì)的局部區(qū)域有相對(duì)較高的精度, 不能保證對(duì)全海區(qū)有效覆蓋。與以往的研究相比, 提出的方法滿足深海條件下布站幾何對(duì)精度分布和覆蓋特性影響的評(píng)估與分析需求, 可為測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

水聲定位; 精度分布; 布站幾何; 多基站; 覆蓋特性; 深海

0 引言

采用多基站交會(huì)方式對(duì)海上無(wú)源聲目標(biāo)進(jìn)行定位時(shí), 基站的幾何構(gòu)型是決定測(cè)量精度的重要因素。在滿足最低解算條件的基礎(chǔ)上, 增加冗余基站通常可對(duì)改進(jìn)定位精度有所貢獻(xiàn)。但在實(shí)際海上作業(yè)中, 可增加的冗余基站總是有限的, 大規(guī)模的密集布站往往難以實(shí)施(特別是在遠(yuǎn)離岸站的深海區(qū)域), 在這種情況下, 布站幾何的設(shè)計(jì)和優(yōu)化就成為一個(gè)重要問(wèn)題。已有報(bào)道討論了四邊形陣[1-2]、三角形陣[3]、圓形陣[4]等典型幾何構(gòu)型條件下的定位性能, 但現(xiàn)有報(bào)道大多針對(duì)淺海工況, 而對(duì)深海條件下的定位特性與布站幾何的相關(guān)性問(wèn)題關(guān)注較少。

與基于方位交會(huì)的被動(dòng)定位方法[5]相比, 時(shí)差交會(huì)方法[6]因具有更好的精度特性, 較適用于深海大范圍海區(qū)的被動(dòng)聲目標(biāo)定位測(cè)量。深海與淺海的聲信道條件明顯不同[7-8], 聲信息的到達(dá)方式和可檢測(cè)程度隨之變化, 需要結(jié)合深海聲傳播規(guī)律考慮相應(yīng)的定位解算問(wèn)題。哈爾濱工程大學(xué)曾在20世紀(jì)70年代末研制出我國(guó)第1套用于深海無(wú)源聲目標(biāo)定位測(cè)量的水聲系統(tǒng)[9]。近年來(lái), 隨著深遠(yuǎn)海運(yùn)載技術(shù)的不斷發(fā)展, 對(duì)于深海測(cè)試保障條件提出了更高的要求, 需發(fā)展多場(chǎng)景、全區(qū)域精度分析方法以支撐測(cè)量系統(tǒng)論證設(shè)計(jì)。盡管深海無(wú)源聲目標(biāo)的定位方法不斷發(fā)展, 但從海上試驗(yàn)結(jié)果的報(bào)道來(lái)看, 對(duì)于數(shù)十千米的測(cè)量范圍在稀疏布站條件下獲取較高精度仍較為困難[10-11]。近期關(guān)于深海時(shí)差定位特性的報(bào)道揭示了深海條件下雙曲線交會(huì)呈現(xiàn)出與收-發(fā)條件和聲傳播相關(guān)的變異性[12], 但對(duì)于測(cè)量海區(qū)全區(qū)域精度分布特性與布站幾何的相關(guān)關(guān)系問(wèn)題尚未開(kāi)展研究。

文中針對(duì)在深海數(shù)十千米范圍內(nèi)利用水下接收器到達(dá)時(shí)差定位水面聲目標(biāo)的工況, 通過(guò)數(shù)值仿真方法分析得出直達(dá)波與一次海底反射波的覆蓋特性與精度分布特性, 初步建立了對(duì)深海聲信道條件下的時(shí)差定位性能與布站幾何關(guān)系的認(rèn)識(shí), 提出的方法和得到的結(jié)果與以往淺海背景下的研究有較明顯的不同。

1 工況條件假設(shè)

假設(shè)測(cè)量作業(yè)的工況條件如圖1所示。

圖1 定位測(cè)量工況示意圖

1) 要求對(duì)16 km×16 km測(cè)量海區(qū)內(nèi)隨機(jī)出現(xiàn)的、具有可識(shí)別聲信號(hào)特征的水面目標(biāo)進(jìn)行定位, 獲取其二維位置坐標(biāo)。

2) 以無(wú)人水面船作為測(cè)量基站, 以吊放搭載的聲接收器為測(cè)量載荷, 將現(xiàn)場(chǎng)獲取的到達(dá)目標(biāo)聲信號(hào)以及測(cè)量基站、海洋環(huán)境等測(cè)量信息實(shí)時(shí)傳輸至地面站進(jìn)行快速求解, 實(shí)現(xiàn)對(duì)隨機(jī)水面目標(biāo)的實(shí)時(shí)定位。其中, 測(cè)量元素為目標(biāo)聲信號(hào)的到達(dá)時(shí)差(由接收聲信號(hào)估計(jì)到達(dá)時(shí)間, 每2個(gè)基站可形成一組到達(dá)時(shí)差); 無(wú)人水面船位置信息由衛(wèi)星導(dǎo)航定位設(shè)備提供, 接收器與船體的相對(duì)位置信息由船載超短基線定位設(shè)備提供; 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的聲速剖面計(jì)算聲場(chǎng)和聲線追蹤參數(shù), 用于輔助解算。為在深海聲信道條件下獲取較大的直達(dá)波作用范圍, 需將聲接收器放置在較大的深度, 考慮到海上工程條件限制, 將最大布放深度設(shè)為1 000 m。

3) 測(cè)量海區(qū)選取在北太平洋中部, 水深5 500 m, 海底平坦, 聲速剖面由WOA09數(shù)據(jù)集[13-14]給出的數(shù)據(jù)計(jì)算(見(jiàn)圖2(a)), 環(huán)境不確定性引起的全深度平均聲速起伏小于3 m/s。采用BELLHOP高斯束射線模型[15]計(jì)算聲場(chǎng), 聲系統(tǒng)中心頻率1 kHz, 掠射角范圍0.1°~89°, 間隔0.18°, 水平方向計(jì)算范圍為0~30 km, 網(wǎng)格間距0.1 km, 垂直方向計(jì)算范圍為海面至海底, 網(wǎng)格間距20 m。計(jì)算得到的傳播損失場(chǎng)見(jiàn)圖2(b), 圖中虛線處為接收深度, 聲壓通過(guò)全相干方式疊加。由圖可見(jiàn), 上述環(huán)境和收-發(fā)條件下的聲信道樣式為有弱表面波導(dǎo)的會(huì)聚區(qū)型聲信道, 在30 km處約為1/2個(gè)會(huì)聚區(qū)的距離, 聲場(chǎng)中亮區(qū)與影區(qū)邊界相對(duì)分明, 亮區(qū)主要為直達(dá)波攜帶的能量, 影區(qū)則包括海底反射的聲能以及少量衍射效應(yīng)產(chǎn)生的聲能。因此, 用于定位解算的聲路徑優(yōu)先考慮直達(dá)波聲路徑(記為RR), 其次是一次海底反射波聲路徑(記為RB), 前者作用距離相對(duì)較近, 但信噪比高、時(shí)延誤差小; 后者主要用于直達(dá)波作用距離之外的區(qū)域, 信噪比相對(duì)較低, 但作用距離大。對(duì)于文中工況, 直達(dá)波只能覆蓋有限的區(qū)域, 而一次海底反射波則可覆蓋全部測(cè)量海區(qū)。

4) 考慮到在深海離岸環(huán)境下開(kāi)展測(cè)量作業(yè)的局限性, 將水面基站數(shù)量限定為不超過(guò)6個(gè)。

2 仿真算法設(shè)計(jì)

根據(jù)上述假設(shè)條件, 為開(kāi)展不同幾何布站條件下的測(cè)量區(qū)域精度分析, 基于Monte-Carlo方法建立以下仿真算法。

1) 建立坐標(biāo)系

圖2 聲速剖面及聲傳播損失圖

2) 計(jì)算聲場(chǎng)和提取聲信息

應(yīng)用BELLHOP模型分別計(jì)算直達(dá)波和一次海底反射波的本征聲線和傳播損失。根據(jù)聲吶方程, 到達(dá)各基站的信噪比與傳播損失滿足

3) 迭加測(cè)量誤差

4) 估計(jì)待測(cè)參數(shù)

根據(jù)上述定義, 待測(cè)目標(biāo)與基站之間的斜距可表示為

進(jìn)而可建立目標(biāo)相對(duì)于初始位置的時(shí)差變化與位置變化的關(guān)系式(若以基站1作為參考基站)[12]

式中:

其中:

在此基礎(chǔ)上, 可根據(jù)高斯-馬爾可夫理論給出目標(biāo)參數(shù)的估計(jì)值[16]

5) 歷遍區(qū)域網(wǎng)格

3 典型布站情況仿真

以下分別考慮4基站、5基站和6基站3種典型的布站幾何構(gòu)型, 通過(guò)比較3種情況下覆蓋特性和精度分布特性的差異分析布站幾何對(duì)定位性能的影響。圖3顯示了上述3種布站幾何, 并依據(jù)信噪比條件給出了直達(dá)波覆蓋特性(根據(jù)前文假設(shè), 一次海底反射波對(duì)測(cè)量海區(qū)是全覆蓋的)。圖中紅點(diǎn)表示基站位置, 紅線方框表示要求覆蓋的測(cè)量區(qū)域; 圖中數(shù)字表示直達(dá)波定位時(shí)參與交會(huì)解算的基站數(shù), 其區(qū)域間差異由灰階色差表示。

圖3 3類典型布站幾何及覆蓋特性

為對(duì)比測(cè)量基陣內(nèi)部與外部的精度變化, 將計(jì)算區(qū)域設(shè)為24 km×24 km(其中心區(qū)域?yàn)橐蟾采w的16 km×16 km測(cè)量海區(qū)), 劃分為201×201個(gè)格點(diǎn), 按照上述仿真算法對(duì)格點(diǎn)逐一進(jìn)行計(jì)算, 得到海區(qū)二維平面的精度分布矩陣。對(duì)每個(gè)格點(diǎn)進(jìn)行1 000次抽樣, 其統(tǒng)計(jì)結(jié)果可反映精度水平的總體特征。圖4顯示了3種布站條件下的RMSE分布, 圖中區(qū)分了直達(dá)波與一次海底反射波定位的結(jié)果, 通過(guò)色標(biāo)反映RMSE量值差異,黑點(diǎn)表示基站位置, 虛線方框表示要求覆蓋的測(cè)量區(qū)域。

從宏觀分布來(lái)看, 測(cè)量海區(qū)的定位精度主要有以下幾方面特征:

1) 在會(huì)聚區(qū)聲信道條件下, 接收器位于上層海洋時(shí)高信噪比的直達(dá)波所覆蓋的區(qū)域總是有限的, 在4基站構(gòu)型條件下, 如圖4(a)所示, 基陣邊緣附近有大面積直達(dá)波無(wú)法覆蓋的區(qū)域, 隨著有效基站數(shù)量的增加, 覆蓋區(qū)域逐漸擴(kuò)大且精度提升, 對(duì)于前文假設(shè), 在6基站構(gòu)型條件下, 如圖4(e)所示, 可使測(cè)量海區(qū)內(nèi)99%以上的區(qū)域達(dá)到優(yōu)于30 m的精度;

2) 直達(dá)波與一次海底反射波定位性能有明顯差異, 前者精度相對(duì)較高, 而后者覆蓋范圍相對(duì)較大;

3) 由于目標(biāo)聲信號(hào)的作用距離受信噪比限制, 測(cè)量海區(qū)內(nèi)不同位置可接收的目標(biāo)聲信號(hào)作用距離與目標(biāo)和基站的相對(duì)位置有關(guān), 參與交會(huì)解算的基站組合空間變化使RMSE出現(xiàn)區(qū)域上的不連續(xù), 在圖中表現(xiàn)為由色差“躍變”形成的輪廓線;

4) 相對(duì)高精度區(qū)僅出現(xiàn)在基站包絡(luò)范圍之內(nèi), 而包絡(luò)范圍之外隨交會(huì)點(diǎn)的減少精度迅速下降。

從精度分布特征來(lái)看, 直達(dá)波與一次海底反射波定位的RMSE可分為2個(gè)量值等級(jí), 如圖5所示, 圖中橫軸為沿基陣中心(0, 0)與測(cè)量海區(qū)西北(–8, 8)連線方向。前者的精度主要在20~30m量級(jí), 而后者主要在40~80 m之間變化。對(duì)于直達(dá)波定位, 最高精度出現(xiàn)在陣中心附近, 這是因?yàn)樵搮^(qū)域參與交會(huì)的有效基站數(shù)最多, 且精度隨基站數(shù)的增加進(jìn)一步提升, 4基站構(gòu)型條件下距中心5 km范圍內(nèi)的RMSE為20~25 m, 而6基站構(gòu)型條件下減小到15~20 m, 對(duì)于一次海底反射波定位, 當(dāng)陣中心附近有基站時(shí), 如圖4(d)和圖4(f)的情況, 從基陣中心到基陣邊緣精度隨距離不是單調(diào)變化, 在基陣中心2.5 km范圍內(nèi)RMSE出現(xiàn)一個(gè)顯著增加的區(qū)域, 其量值可達(dá)70~80 m, 而在這個(gè)區(qū)域之外RMSE下降到40~50 m, 此后呈現(xiàn)隨距離增加的趨勢(shì), 到10 km之外RMSE迅速增大到80 m以上。該現(xiàn)象的出現(xiàn)與本征聲線及等效聲速的特性有關(guān), 在中心附近一次海底反射波的到達(dá)時(shí)延與直達(dá)波的到達(dá)時(shí)延相差可達(dá)數(shù)秒的量級(jí), 等效聲速減小到每秒數(shù)百米, 代入解算時(shí)相對(duì)于直達(dá)波的等效聲速相對(duì)較高(約1400~ 1500 m/s)的情況其二次曲線交會(huì)特性明顯變差; 隨著距離增加, 一次海底反射波的等效聲速不斷增大, 與直達(dá)波的差值逐漸縮小, 低等效聲速的影響隨之減弱。

圖4 3類典型布站幾何條件下的X-Z平面RMSE分布

圖5 RR與RB定位的RMSE曲線比較

表1和表2給出了上述算例中RMSE的分位數(shù)統(tǒng)計(jì)及RMSE達(dá)到某一精度水平的覆蓋區(qū)域百分比。根據(jù)表1, 在4基站構(gòu)型條件下, 若采用直達(dá)波定位, 有80%的區(qū)域(0.1分位數(shù)與0.9分位數(shù)之間)RMSE位于21.2~26.1 m之間, 若采用一次海底反射波定位, 則RMSE增大到40.9~52.9 m; 在5基站構(gòu)型和6基站構(gòu)型條件下(仍考慮80%區(qū)域), 直達(dá)波定位的RMSE分別減小了約4 m和6 m, 而一次海底反射波定位分別減小了約1 m和6 m, 說(shuō)明從4基站構(gòu)型到6基站構(gòu)型無(wú)論是直達(dá)波定位還是一次海底反射波定位, 定位精度都有明顯提升。根據(jù)表2, 若采用直達(dá)波定位并將RMSE優(yōu)于30 m劃定為高精度區(qū), 4基站構(gòu)型條件下僅有51.3%的區(qū)域達(dá)到此精度, 而5基站構(gòu)型和6基站構(gòu)型條件下分別為87.7%和99.6%; 若將RMSE優(yōu)于50 m劃定為可接受的精度, 4基站構(gòu)型條件下的覆蓋區(qū)域仍為51.3%(相對(duì)于RMSE優(yōu)于30 m的情況沒(méi)有提升), 而5基站構(gòu)型和6基站構(gòu)型則分別提升至97.3%和100%, 說(shuō)明從4基站到6基站不僅提升了精度, 而且定位覆蓋性能也有顯著提升。對(duì)于一次海底反射波定位, 5基站構(gòu)型和6基站構(gòu)型條件下由于基陣中心的精度變差, 整體定位性能不及直達(dá)波, 而4基站構(gòu)型條件下若可接受的精度指標(biāo)下降, 則覆蓋特性可明顯提升, 例如若要求達(dá)到的RMSE標(biāo)準(zhǔn)從優(yōu)于30 m下降至優(yōu)于50 m, 則覆蓋范圍從0提升到79.1%。

表1 不同定位條件下RMSE的分位數(shù)統(tǒng)計(jì)(單位: m)

表2 不同定位條件下RMSE優(yōu)于某一精度水平的區(qū)域占測(cè)量區(qū)域的百分比(單位:%)

綜合考慮上述3類布站幾何, 4基站構(gòu)型的覆蓋能力對(duì)于16 km×16 km測(cè)量海區(qū)顯得不足, RMSE優(yōu)于30 m的區(qū)域僅接近50%; 相比之下, 5基站構(gòu)型和6基站構(gòu)型的覆蓋能力相對(duì)較好。但若進(jìn)一步考慮深海離岸作業(yè)實(shí)施上的困難性, 在要求精度允許的條件下(如要求RMSE優(yōu)于50 m的區(qū)域不低于90%, 或RMSE優(yōu)于30 m的區(qū)域不低于80%等), 5基站構(gòu)型比6基站構(gòu)型縮減了一個(gè)需要運(yùn)載的測(cè)量平臺(tái), 在工程應(yīng)用層面更具合理性。

4 特殊布站情況討論

上述討論的3種情況均為對(duì)稱型布站, 而在實(shí)際工況下很可能要求在非對(duì)稱布站條件下進(jìn)行測(cè)量。為檢驗(yàn)算法對(duì)非對(duì)稱布站的響應(yīng), 設(shè)置以下3種情況:

1) 構(gòu)成外圍基陣包絡(luò)的基站中有單個(gè)基站失效引起的非對(duì)稱布站幾何;

2) 位于基陣中心的基站明顯偏移引起的非對(duì)稱布站幾何;

3) 僅由局部子基陣形成的非對(duì)稱布站幾何。

圖6~圖8分別給出了3種情況下的案例, 并通過(guò)直達(dá)波覆蓋特性及RMSE分布圖進(jìn)行說(shuō)明。

4.1 單個(gè)基站失效

分別考慮4基站、5基站和6基站構(gòu)型中位于軸和軸正向的頂角附近的基站失效帶來(lái)的影響。如圖6所示, 其中(a)~(c)為直達(dá)波定位時(shí)參與交會(huì)解算的有效基站數(shù)分布, (d)~(f)為對(duì)應(yīng)的RMSE分布, 布站幾何的不對(duì)稱直接導(dǎo)致交會(huì)覆蓋的不對(duì)稱和精度分布的不對(duì)稱。在4基站條件下, 只有沿失效基站反向的小部分區(qū)域才有定位結(jié)果, 且精度顯著下降, RMSE增大到30 m以上; 在5基站和6基站條件下, 由于有中心基站的補(bǔ)充, 覆蓋區(qū)域擴(kuò)大, 精度也隨之提升, 6基站條件下相對(duì)高精度區(qū)達(dá)到測(cè)量海區(qū)的50%以上。但整體來(lái)看, 在外圍基陣包絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)基站失效的情況下, 直達(dá)波定位無(wú)法覆蓋到整個(gè)測(cè)量海區(qū), 且有相當(dāng)大的區(qū)域精度較差。

4.2 中心基站偏移

考慮5基站條件下位于基陣中心的基站分別向軸正向、軸正向和-平面45°方位偏移4 km時(shí)帶來(lái)的影響。如圖7所示, 其中(a)~(c)為直達(dá)波定位時(shí)參與交會(huì)解算的有效基站數(shù)分布, (d)~(f)為對(duì)應(yīng)的RMSE分布。中心基站的位置變化對(duì)于相對(duì)高精度定位區(qū)域的分布影響明顯, 總體趨勢(shì)是在基站相對(duì)密集的區(qū)域趨于壓縮, 在基站相對(duì)稀疏的區(qū)域趨于擴(kuò)展, 且與參與交會(huì)解算的基站數(shù)量密切相關(guān)。除基站密集交會(huì)的區(qū)域外, 大部分頂角區(qū)域和基陣包絡(luò)區(qū)域普遍精度較差。

圖6 3類單個(gè)基站失效情況下的覆蓋特性及RMSE分布

圖7 中心基站偏移情況下的覆蓋特性及RMSE分布

4.3 子基陣定位

對(duì)稱型布站條件下的5基站和6基站構(gòu)型實(shí)際上均由若干3基站的子基陣構(gòu)成, 分別考慮僅由這2種構(gòu)型的子基陣定位所具有的性能。如圖8所示, (a)~(b)為直達(dá)波定位時(shí)參與交會(huì)解算的有效基站數(shù)分布, (c)~(d)為對(duì)應(yīng)的RMSE分布。由3基站構(gòu)成的子基陣僅在三角形包絡(luò)中心附近區(qū)域具有相對(duì)較高定位精度, 而在邊緣附近定位性能較差。因此, 從測(cè)量海區(qū)直達(dá)波的覆蓋性要求考慮, 由多個(gè)冗余基站形成的完整包絡(luò)是重要保證, 而中心基站則為優(yōu)化交會(huì)求解條件及提升定位性能有所貢獻(xiàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)深海較大范圍海區(qū)布站幾何對(duì)海上隨機(jī)目標(biāo)水聲定位性能影響分析問(wèn)題, 提出一種基于多基站時(shí)差交會(huì)體制的全區(qū)域精度仿真分析方法, 初步解決了不同預(yù)選布站幾何條件下的精度和覆蓋特性估計(jì)問(wèn)題, 可為測(cè)量系統(tǒng)論證設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

以4基站、5基站和6基站3種典型布站幾何為例進(jìn)行仿真分析。分析結(jié)果表明, 受會(huì)聚區(qū)聲信道影響, 直達(dá)波與海底一次反射波定位性能有明顯差異, 前者精度相對(duì)較高, 而后者覆蓋范圍相對(duì)較大。直達(dá)波定位陣中心區(qū)域精度優(yōu)于陣邊緣區(qū)域, 海底一次反射波定位則在陣中心附近出現(xiàn)一個(gè)2~3 km的精度下降區(qū)。從4基站到6基站, 直達(dá)波定位平均RMSE從23.9 m減小至17.6 m, 海底一次反射波定位平均RMSE從45.3 m減小到39.1 m, 直達(dá)波定位RMSE優(yōu)于30 m的覆蓋率從51.3%提升至99.6%。在處于頂角位置的基站失效或處于中心位置的基站偏移的情況下, RMSE出現(xiàn)非對(duì)稱分布, 僅能在密集交會(huì)的局部區(qū)域獲取相對(duì)較高的精度, 不能保證對(duì)全海區(qū)的覆蓋性。

文中雖提出了一類適用于深海大范圍海區(qū)時(shí)差定位精度評(píng)估的方法, 但僅考慮了簡(jiǎn)單聲系統(tǒng)和二維聲信道的情況, 并沒(méi)有延伸到三維聲環(huán)境、多源信息融合和聲信號(hào)處理等問(wèn)題, 更加精細(xì)、具體的模型和方法需要進(jìn)一步開(kāi)展研究。此外, 由于此類工況的特殊性, 現(xiàn)階段還沒(méi)有海上試驗(yàn)的結(jié)果支撐, 需要結(jié)合后續(xù)海上試驗(yàn)結(jié)果對(duì)提出的方法加以驗(yàn)證和改進(jìn)。

[1] 賈云得, 冷樹(shù)林, 劉萬(wàn)春, 等. 四元被動(dòng)聲敏感陣列定位模型分析和仿真[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2001, 22(2): 206-209. Jia Yun-de, Leng Shu-lin, Liu Wan-chun, et al. Modeling of Passive Acoustic Sensing with Four-sensor Array for Target Localization[J]. Acta Armamentarii, 2001, 22(2): 206-209.

[2] 金磊磊, 馬艷. 任意四元陣的定位盲區(qū)討論及誤差影響[J]. 探測(cè)與控制學(xué)報(bào), 2015, 37(2): 90-94.Jin Lei-lei, Ma Yan. Discussion on Blind Area and Error Effect of Arbitrary Four-element Array[J]. Journal of Detection & Control, 2015, 37(2): 90-94.

[3] 顧曉輝, 王曉鳴. 用雙直角三角形陣對(duì)聲目標(biāo)定位的研究[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2003, 22(1): 44-48.Gu Xiao-hui, Wang Xiao-ming. Location of Acoustic Target with Dual Right-triangles Array[J]. Technical Acoustics, 2003, 22(1): 44-48.

[4] 祝龍石, 莊志洪, 張清泰. 利用圓陣實(shí)現(xiàn)聲目標(biāo)的全空域被動(dòng)定位[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 1999, 24(2): 204-209. Zhu Long-shi, Zhuang Zhi-hong, Zhang Qing-tai. An Omni-directional Passive Locatlization Technology of Acoustic Target with Plane Circular Array[J]. Acta Acustica, 1999, 24(2): 204-209.

[5] 王志剛, 陳韶華, 王維. 分布式基陣聯(lián)合定位算法仿真分析[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(5): 433-438. Wang Zhi-gang, Chen Shao-hua, Wang Wei. Simulation Analysis of Joint Localization Algorithm Based on Distributed Arrays[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2018, 26(5): 433-438.

[6] 李韋華, 薛飛, 馬錦垠. 時(shí)延差雙曲面定位方法在魚(yú)雷入水點(diǎn)測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 魚(yú)雷技術(shù), 2015, 23(6): 420-422. Li Wei-hua, Xue Fei, Ma Jin-yin. Application of Localization Method Based on Time Delay Difference and Hyperboloid to Torpedo Water-entry Point Measurement[J]. Torpedo Technology, 2015, 23(6): 420-422.

[7] Brekhovskikh L M, Lysanov Y P. Fundamentals of Ocean Acoustics[M]. 3rd ed. New York: AIP press, 2003.

[8] 楊坤德, 李輝, 段睿. 深海聲傳播信道和目標(biāo)被動(dòng)定位研究現(xiàn)狀[J]. 中國(guó)科學(xué)院院刊, 2019, 34(3): 314-320.Yang Kun-de, Li Hui, Duan Rui. Research on Acoustic Propagation and Passive Localization in Deep Water[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2019, 34(3): 314-320.

[9] 孫大軍, 鄭翠娥, 崔宏宇, 等. 水下傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及若干前沿問(wèn)題[J]. 中國(guó)科學(xué): 信息科學(xué), 2018, 48(9): 1121-1136. Sun Da-jun, Zheng Cui-e, Cui Hong-yu, et al. Developing Status and Some Cutting-Edge Issues of Underwater Sensor Network Localization Technology[J]. Scientia Sinica: Informationis, 2018, 48(9): 1121-1136.

[10] 陳連榮, 彭朝暉, 南明星. 高斯射線束方法在深海匹配場(chǎng)定位中的應(yīng)用[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 38(6): 715-723. Chen Lian-rong, Peng Zhao-hui, Nan Ming-xing. The Application of Gaussian Beam Method in Deep Ocean Matched-Field Localization[J]. Acta Acustica, 2013, 38(6): 715-723.

[11] 吳俊楠, 周士弘, 張巖. 利用深海海底反射聲場(chǎng)特征的水面聲源被動(dòng)測(cè)距[J]. 中國(guó)科學(xué): 物理學(xué)力學(xué)天文學(xué), 2016, 46(9): 76-82. Wu Jun-nan, Zhou Shi-hong, Zhang Yan. Passive Ranging of Surface Source Using Bottom Bounced Sound in Deep Water[J]. Scientia Sinica: Physica, Mechanica & Astronomica, 2016, 46(9): 76-82.

[12] 張旭. 深海分層介質(zhì)中的無(wú)源聲定位時(shí)差交會(huì)特性[J]. 科學(xué)通報(bào), 2019, 64(24): 2523-2536.Zhang Xu. Time Difference Intersection Characteristics of Passive Underwater Acoustic Localization in the Stratified Deep Sea[J]. Chinese Science Bulletin, 2019, 64(24): 2523-2536.

[13] Locarnini R A, Mishonov A V, Antonov J I, et al. World Ocean Atlas 2009 Volume 1: Temperature[R]. Washington, D.C.: S. Levitus, Ed., NOAA Atlas NESDIS 68, U.S. Government Printing Office, 2010.

[14] Antonov J I, Seidov D, Boyer T P, et al. World Ocean Atlas 2009, 2(Salinity)[R]. NOAA Atlas NESDIS 69. Washington D C: Government Printing Office, 2010.

[15] Porter M B, Bucher H P. Gaussian Beam Tracing for Computing Ocean Acoustic Fields[J]. J. Acoust. Soc. Am, 1987, 82: 1349-1359.

[16] 劉利生, 吳斌, 吳正容, 等. 外彈道測(cè)量精度分析與評(píng)定[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2010: 123-188.

[17] 張旭, 孫翱, 韓旭, 等. 水下垂向運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的海底多基站聲定位方法及精度分析[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 2019, 44(2): 155-169. Zhang Xu, Sun Ao, Han Xu, et al. Acoustic Localization Scheme and Accuracy Analysis for Underwater Vertical Motion Target Using Multi-stations in the Seabed[J]. Acta Acustica, 2019, 44(2): 155-169.

Effects of Observation Geometry on Accuracy Distribution Characteristic of TDOA Localization System in Deep Sea

ZHANG Xu1, LIZhi-sheng1, QIU Ren-gui2, DONG Nan1

(1. 91550thUnit, the People’s Liberation Army of China, Dalian 116023, China; 2. 91650thUnit, the People’s Liberation Army of China, Guangzhou 510320, China)

To stably localize an acoustic target in a large area of deep sea, the accuracy and coverage characteristic are required to be evaluated under pre-selected observation geometry condition in the measurement system design. Aiming at this problem, a simulation method was presented for analyzing the distributional characteristics of accuracy in underwater acoustic localizationwith multiple base stations by time difference of arrival(TDOA). The climatological environment in the center of Northern Pacific was selected as background, and the sound field was calculated by BELLHOP Gaussian ray model. Main errors were randomly superimposed by Monte-Carlo method and propagated to finally estimated locations, such that the distribution of root mean square error(RMSE) was established by grid calculation with large samples under typical geometry condition of 4-receiver, 5-receiver or 6-receiver array. The results indicated that the localization performance using direct waves was clearly different from that using first-seabed-reflected waves, and the former was more accurate while the later was better in coverage. For the localization with direct waves, the accuracy was better in the central area of array than that in the marginal one. For the localization with first-seabed-reflected waves, the accuracy became worse in the area several kilometers around the center of array. In another case, the RMSE showed an asymmetric distribution when one corner station was invalid or the central station shifted, the relatively high accuracy area was confined to the active station number, but the full measurement area failed to be covered. Compared with the existing researches, this research provides an applicable way to evaluate and analyze the influence of observation geometry on accuracy distribution and coverage characteristic.

underwater acoustic localization; accuracy distribution; observation geometry; multiple base stations; coverage characteristic; deep sea

TB566; TJ630.33

A

2096-3920(2020)02-0139-10

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.004

2019-06-17;

2019-07-08.

國(guó)家自然科學(xué)基金(61701504, 61971424).

張 旭(1982-), 男, 博士, 工程師, 主要從事水下測(cè)量技術(shù)、海洋信息應(yīng)用技術(shù)研究.

張旭, 李智生, 邱仁貴, 等. 布站幾何對(duì)深海時(shí)差定位精度分布特性的影響[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2020, 28(2): 139-148.

(責(zé)任編輯: 許 妍)