溫韶娟，李雨桐，張國恒，查品德

（北京長城電子裝備有限責(zé)任公司，北京 100082）

0 引言

深?？臻g站可利用站載（物理、化學(xué)、生物檢測系統(tǒng)及光、聲學(xué)）觀察系統(tǒng)，直接操控所攜帶的無纜自治潛器、水下吊車、有纜遙控作業(yè)潛器及其配套的作業(yè)工具，可滿足不同應(yīng)用對象的具體作業(yè)要求，長周期、高效率開發(fā)深海資源，開展深海原位科學(xué)研究等作業(yè)任務(wù)。研究確定包括水下定位導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)保障在內(nèi)的深海空間站服務(wù)保障模式，是確保深海空間站國家重大科技項(xiàng)目實(shí)施的重要基礎(chǔ)，也是確保未來深?？臻g站工程應(yīng)用可靠、高效開展的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)單一的保障船模式僅依靠超短基線等水下定位方法，水下平臺定位速度慢、誤差大、相互感知協(xié)作困難，已無法滿足要求，需要探索水下多平臺協(xié)同作業(yè)保障方案。

深?？臻g站在母船伴隨保障時面對惡劣天氣存在安全風(fēng)險及水下多平臺作業(yè)低效的問題，構(gòu)建深海環(huán)境中百平方千米級的水下定位、導(dǎo)航和通信一體化組網(wǎng)系統(tǒng)，研究其對“深?？臻g站”的服務(wù)保障模式，服務(wù)國家深海戰(zhàn)略、填補(bǔ)深海一體化水下通信導(dǎo)航產(chǎn)品空白。

深海水聲定位[1-3]一直以來都是各國研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。隨著水聲通信在軍事上、戰(zhàn)略上越來越普遍的應(yīng)用，對深海水聲定位穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、實(shí)時性也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的水聲定位系統(tǒng)采用的是CW脈沖測時，測時誤差為脈寬長度。擴(kuò)頻測時采用偽隨機(jī)碼測時算法，偽隨機(jī)碼抗干擾、抗多途和抗多普勒的能力強(qiáng)，尤其是在低信噪比下測時精度好。當(dāng)采用 1個周期的偽隨機(jī)碼序列作為發(fā)射信號，接收機(jī)接收到偽隨機(jī)碼后獲取發(fā)射時間和讀取本地時間，這個時間差就是發(fā)射端與接收端的時間。不難看出把碼片選得很窄，就可以實(shí)現(xiàn)高精度的測時，時間的分辨率即為1個碼片[4-5]。

海洋環(huán)境特性中海水聲速度是不均勻分布的，由射線聲學(xué)可知，聲音在海洋信道中的傳播聲線是彎曲行進(jìn)的，且聲速沿垂直深度變化越快，聲線就越彎曲。聲線彎曲意味著聲信號從發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的傳播時延大于聲信號直線傳播的傳播時延，而且在空間中不同位置聲線彎曲影響的程度也是不一樣的。聲線彎曲使得水聲定位解算時不能選用某個恒定聲速，而應(yīng)該是與各點(diǎn)對應(yīng)的等效聲速。因此在定位解算中采用等效聲速代替恒定聲速對彎曲的聲線進(jìn)行聲線修正計算，提升水下定位精度[6-9]。

1 水聲定位原理

深海水聲定位系統(tǒng)在水中布放4個信標(biāo)，信標(biāo)定位系統(tǒng)模型如圖1所示。每個信標(biāo)完成自身差分GPS定位和計算目標(biāo)到信標(biāo)的時間信息，并通過無線擴(kuò)頻通信鏈加密傳輸?shù)酱d分系統(tǒng)，再解算出目標(biāo)的位置[2]。

距離測量水聲定位系統(tǒng)是通過測量水下聲源（目標(biāo)）所發(fā)射的聲信號從發(fā)射到接收所經(jīng)歷的時延來確定聲源到各接收點(diǎn)的距離，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)進(jìn)行定位的。每一組時間測量確定聲源所在的一個球面，即

式中：（xi, yi, zi）和ti分別是第i個基元的空間位置和接收到信號時刻相對于接收機(jī)時鐘的時間；和 ts為聲源（目標(biāo)）空間坐標(biāo)和信號發(fā)射時刻相對于接收機(jī)時鐘的時間；c為聲波在水中的傳播速度。

深海水聲定位系統(tǒng)的有效作用范圍如圖2所示。

當(dāng)通信信標(biāo)和目標(biāo)的深度已知時，只需要3個獨(dú)立的方程即可得到目標(biāo)位置信息。水下聲源（目標(biāo)）所發(fā)射的聲信號，利用最先接收到聲信號的3個通信信標(biāo)對目標(biāo)進(jìn)行水下定位。

2 基于擴(kuò)頻的時延估計技術(shù)

深海水聲定位系統(tǒng)采用脈沖測距方式，通過測量目標(biāo)到達(dá)通信信標(biāo)的時間延遲計算出距離，進(jìn)而解算出目標(biāo)的位置。水聲換能器所接收到的水聲信號的時延估計精度直接影響系統(tǒng)的定位精度，因此采用寬帶擴(kuò)頻信號來進(jìn)行精準(zhǔn)的時延估計。

在對寬帶擴(kuò)頻信號起始位置的測量中采用了初步粗估和精細(xì)搜索相結(jié)合的方法。首先用本地的同步信號和接收信號進(jìn)行相關(guān)，估計多普勒的同時確定信號的起始位置；在對信號進(jìn)行多普勒補(bǔ)償后，利用和本地同步信號的相關(guān)，通過時間戳再次進(jìn)行位置的精確估計。

圖3 時間戳估計時間時域圖Fig. 3 Time-domain diagram of timestamp estimated time

在接收的時候?yàn)槊總€信號段依次打上時間戳Tick0、Tick1、…、Tick4，相鄰時間戳點(diǎn)數(shù)為Np。初步粗估計時判斷的信號到達(dá)位置為 P0，所在時間戳為Tick，經(jīng)過多普勒補(bǔ)償和信道均衡后，再次精細(xì)估計得到的位置為P1，其中P0、P1代表緩存中位置的點(diǎn)數(shù)。此時信號真正抵達(dá)的時間T為

在信號處理中，寬帶擴(kuò)頻信號能夠有效地衰減系統(tǒng)中的非相關(guān)噪聲，如水聲環(huán)境噪聲、系統(tǒng)電噪聲等，抗多徑干擾能力強(qiáng)，可以在復(fù)雜聲學(xué)環(huán)境下完成對水下目標(biāo)到聲通信信標(biāo)間精確測時，測時精度為1個碼片的寬度。

圖4給出隨著目標(biāo)運(yùn)動距離的變化的時延估計的曲線，擴(kuò)頻信號的中心頻率為7 kHz，節(jié)拍為3，碼元個數(shù)是1 023，1個碼片的寬度為0.426 ms。由圖可知沒有多徑時最大時延估計誤差為 0.050 ms；簡單多徑時最大時延估計誤差為 0.124 ms；中等多徑時最大時延估計誤差為 0.198 ms；復(fù)雜多徑時最大時延估計誤差為0.366 ms，小于0.426 ms。由此可見，時延誤差受多徑影響大，多徑越復(fù)雜時延誤差越大，小于1個碼片的寬度。

圖4 時延估計誤差曲線Fig. 4 Curve of time delay estimation error

3 基于有效聲速的聲線修正技術(shù)

海洋中介質(zhì)不均勻性導(dǎo)致海水中各點(diǎn)聲速的不一致，按照射線聲學(xué)的觀點(diǎn)，聲線是彎曲行進(jìn)的，因此為保證海洋中聲學(xué)測距的準(zhǔn)確性必須要給出一個準(zhǔn)確的聲速。因此，聲速極大地影響著水下定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。聲線彎曲使水聲定位解算時不能選用一個恒定聲速，而應(yīng)該是與各深度對應(yīng)的等效聲速。在定位解算中用等效聲速代替恒定聲速就能夠?qū)⒙暰€彎曲進(jìn)行修正，從而降低聲速誤差引起的定位誤差。常用的聲線修正方法包括迭代法和等效聲速法。深海水聲定位若采用迭代法會比較復(fù)雜，故采用等效聲速法進(jìn)行聲線修正。

等效聲速的概念是 2002年由 Vincent H.T.和Hu S.L.提出，指由目標(biāo)到應(yīng)答器的直線距離與目標(biāo)到應(yīng)答器的傳播時間的比值。在等效聲速的基礎(chǔ)上，同時還提出了建立等效聲速表的方法，假設(shè)深海水下聲速多層分布，設(shè)目標(biāo)深度為 HS，海底應(yīng)答深度為 HR，初始掠射角為 ao，進(jìn)行聲線跟蹤，計算其傳播時間ti和水平距離ri，累積求和，最終得到總傳播時間T和總水平距離R，再由深度差計算求得斜距。

對于給定掠射角，其俯仰角β和等效聲速c可由下式計算得到：

對于給定的HS和HR，不斷改變初始掠射角ao，可計算得到對應(yīng)的水平距離和等效聲速，對此查表即可得到此聲速剖面下的等效聲速表。但由于海底的反射，使用ao來表征時有可能出現(xiàn)多值。

所以，利用最早到達(dá)聲線時延來建立等效聲速表。具體方法使用水平距離 R，將等效聲速表示為水平距離和深度的函數(shù)，即c（HS，HR，R）。設(shè)定作用范圍 R及步長Δt，給定 HS、HR和 Ri條件下，通過射線聲學(xué)原理計算最早到達(dá)聲線傳播時延T，再計算等效聲速c，改變 Ri= Ri+Δr ，重新計算等效聲速值，然后可得到與時延相關(guān)的等效聲速表。

等效聲速表的利用可使用局部線性內(nèi)插法。其主要思想是：將兩水平距離間的聲速分布假設(shè)為線性的，根據(jù)線性插值獲取等效聲速值。假設(shè)與到達(dá)時間差值最小的時間分別為 Ti和 Tj，其對應(yīng)的兩等效聲速點(diǎn)為ci和cj，則其線性內(nèi)插公式如下：

4 仿真結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行深海水聲定位仿真。仿真條件：通信信標(biāo)深度1 km、目標(biāo)深度1 km；通信信標(biāo)水平布放坐標(biāo)分別為[2 000 m，2 000 m]，[2 000 m，-2 000 m]，[-2 000 m，2 000 m]和[-2 000 m，-2 000 m]。目標(biāo)從[10 km，-10 km]水平位置運(yùn)動到[-10 km，10 km]水平位置，運(yùn)動狀態(tài)為20 m/s的勻速直線運(yùn)動。仿真深海冬季水文聲速剖面，如圖5所示。海底底質(zhì)為粗砂條件下，目標(biāo)深度1 km、通信信標(biāo)深度1 km下擴(kuò)頻測時加聲線修正、擴(kuò)頻測時加非聲線修正的定位結(jié)果。

圖5 深海冬季水文聲速剖面圖Fig. 5 Deep sea hydrological sound velocity profile in winter

結(jié)合圖5中的深海冬季聲速剖面、海底底質(zhì)以及發(fā)射接收深度，建立傳播時間與等效聲速的對應(yīng)關(guān)系，如圖6所示。仿真采用擴(kuò)頻通信測時和脈沖測時，以及未聲線修正和聲線修正后的目標(biāo)定位結(jié)果，目標(biāo)軌跡仿真結(jié)果如圖7所示。目標(biāo)定位誤差如圖 8所示。聲線未修正的定位誤差最大值為3.274%，聲線修正后的定位誤差最大值為0.168%。測試結(jié)果表明在相同條件下，聲線修正會提高深海水聲定位的精度。

圖6 傳播時延與等效聲速的對應(yīng)圖Fig. 6 Reciprocal diagram of propagation delay and equivalent sound velocity

圖7 深海冬季水文目標(biāo)軌跡圖Fig. 7 Trajectory of deep sea hydrological target in winter

圖8 深海冬季水文目標(biāo)定位誤差曲線Fig. 8 Curve of deep sea hydrological target positioning error in winter

5 結(jié)束語

本文主要是研究基于等效聲速的深海水聲定位技術(shù)。海洋中的聲速存在梯度，聲線傳播會發(fā)生彎曲，利用聲線聲學(xué)理論建立一個最早到達(dá)時延與等效聲速的表格。然后，利用寬帶擴(kuò)頻信號來獲得目標(biāo)與通信信標(biāo)之間時延，通過查表的方式獲得等效聲速，從而獲得目標(biāo)與通信信標(biāo)之間的距離，然后利用雙曲線交匯技術(shù)估計出目標(biāo)的方位。本文仿真了在深海復(fù)雜水文條件下，利用寬帶擴(kuò)頻信號估計目標(biāo)運(yùn)動軌跡路線，表明該方法能夠有效的提高水聲定位精度。