基于超短基线的水下定位算法研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 研究目的及意义

当今时代，人类正面临着资源、环境、人口三大问题的挑战。随着经济的快速发展与人口的持续增加，人类消耗的资源也日益加大，陆地资源几乎被消耗殆尽，资源危机已经出现。为了生存与发展，世界各国都在寻求新的发展思路，沿海国家纷纷将目光投向海洋，加紧制定海洋发展计划，大力发展海洋经济。从海洋中获取更大利益已成为不少国家21世纪的国家发展战略。我国是世界上最大的发展中国家，也是能源消耗大国，很多能源不能自给自足，仍然依赖于进口。随着国民经济的发展，海洋资源的开发利用显得尤为重要，我国也提出了“海洋强国”发展战略。未来我国将重点聚焦于海洋资源开发、海洋经济发展、海洋科技创新、海洋生态文明建设、海洋权益维护等方面。我国拥有1.8万公里的海岸线，300万平方公里的海域面积，蕴含了丰富的海洋资源。其中，石油天然气等资源的探测与开采将成为海洋资源开发利用的重心，而要完成精准的水下勘探、开采任务，没有水下定位系统是难以实现的。

光波、无线电波在海水中传播的损耗极大，故而水下目标基本上无法通过光波、无线电波进行定位导航。目前获取水下信息最有效的载体是声信号。因此，水下目标的定位也不可避免地会用到水声技术。水声定位系统主要指利用沿不同路径传播的声波的时间差或相位差，在局部区域内对水面、水下目标进行精确定位的系统^[2,3]。水声定位系统都会有多个声基阵阵元，阵元间的连线称为基线。根据基线的长度，可以将水声定位系统分为长基线、短基线、超短基线定位系统，如下表所示。

表一 水声定位系统分类表

长基线定位系统因其基线较长，所以定位精度较高。但在深水使用时，位置数据更新慢。另外，设备的布放、校准、回收都需要较长时间，且作业过程较为复杂。

短基线定位系统的基线长度小于长基线系统，其定位精度比长基线系统低，但比常规超短基线定位系统精度高。缺点是某些水听器可能不可避免地被安装在高噪声区，使定位性能降低。

超短基线定位系统提供的定位精度一般比以上两种系统低。超短基线定位系统有结构紧凑、尺寸较小的特点，因而操作更加简便，安装更加容易。作为一个整体，可以将其安装在噪声较弱的位置，通过精心设计，其精度可接近长基线定位系统^[2,3]。

综合比较以上三种系统的优缺点，针对深海环境下的定位要求，超短基线定位系统显示出较好的性能。

1.2 国内外研究现状

国外水声技术较为先进，定位系统已经产品化、系列化。目前国际上主要的水声定位系统生产厂商有法国OceanoTechnology公司、英国Sonardyne公司、美国LinkQuest公司、挪威Kongsberg Simard公司、澳大利亚Nautronix等。他们均有超过三十年的研究历史，产品覆盖了上述三种类型定位系统，且有多种产品被军方使用。

法国OceanoTechnology公司于1997年推出的Posidonia 6000超短基线定位系统最具代表性。该产品工作水深最大为6000米，最大作用距离（斜距）为8000米。在6000米水深，换能器基阵下方30°开角范围内，定位精度为斜距的0.5%。该产品的改进型采用宽带多移频键控（MFSK）信号和调频（FM）信号,辅以相关处理系统使得输出信噪比增益达到19dB。新型Posidonia 6000系统定位精度的设计指标为斜距的0.3%。我国大洋一号海洋调查船安装了该设备^[2]。

英国的Sonardyne公司也是水声定位领域世界发展方向的引领者，在水声定位方面有多种产品，包括长基线定位、超短基线定位和长-短基线综合定位。Sonardyne公司的超短基线定位系统产品根据水域深度可分为Scout USBL、Ranger1 USBL、Ranger2USBL等多种产品。这些定位系统的通信频率有中频段的18-36kHz，也有高频段的33-55kHz，水下作用范围也从500米到6000米以上不等。也可根据作用目标的不用采用单频信号与宽带信号。正因为Sonardyne公司产品性能优异，我国石油天然气勘探领域主要使用来自Sonardyne公司的产品^[2,9]。

美国的LinkQuest公司推出的TrackLink系列集成了超短基线声学定位系统和高速水声通信系统。TrackLink中使用了LinkQuest公司极力推广的Broadband Acoustic Spread Spectrum(BASS)宽带声学扩频技术，TrackLink系列的定位精度分为斜距的0.3%、斜距的2%和斜距的5%，测量斜距的精度分为2米、5米，该产品的最大作用距离为11000米，同时还具有水声通信功能^[9]。

我国在水声定位领域的起步较晚，在技术研究与产品制造方面与国外相比尚有较大差距。国内从事该领域研究的机构较少，主要包括中科院声学所、哈尔滨工程大学、杭州715所、国家海洋局海洋技术研究所、东南大学、厦门大学等。其中哈尔滨工程大学已研制出三种超短基线定位系统：深水重潜装潜水员超短基线定位系统；“探索者号”水下机器人超短基线定位系统；灭雷具配套水声跟踪定位系统。值得一提的是，国家海洋局第一海洋研究所与哈尔滨工程大学共同研制的“长程超短基线定位系统”是我国第一套自行研制的，具有自主知识产权的深水高精度超短基线定位系统，其作用距离达到8公里，定位精度为斜距的0.5%。哈尔滨工程大学水声学院孙大军教授团队从2002年开始进行相关研究，2013年研发成功国内首台定位系统产品，改变了科考船在定位系统维护、升级和出口许可限制等方面面临的被动局面。该系统目前已在国内“大洋一号”、“科学”号、“向阳红九号”等科考船上安装。“蛟龙”号在014年试验性应用航次第一航段的科考任务中，也首次使用了国产“超短基线定位系统”，打破了国外技术垄断格局。其团队研制的7000米深海高精度水下综合定位系统被评为2015年中国海洋十大科技进展^[8]。

东南大学研制的YTM鱼雷弹道测量系统也是国内水声定位研究领域中具有代表性的系统。YTM采用6个阵元组成水听器基阵，结构如下图一所示。其作用距离约为半径500米的范围内，300米内相对定位误差为3%（9米），但由于在垂直方向的尺度很小，故测量精度不够理想^[3,7]。

图一 东南大学YTM鱼雷弹道测量系统水听器基阵示意图

中科院声学所、厦门大学、6971厂、国家海洋局海洋技术研究所等单位在声学定位领域进行过广泛研究。研制开发的浅海、深海地层剖面仪已成功应用于海底沉积物、海底结构和地质、海底油气资源的勘探及海底考古、海底管线铺设、港口建设等工程中^[2,7]。

2. 研究的基本内容与方案

本文对水声通信的基本原理与特点、超短基线水下定位算法及其性能进行了研究。

水声通信是指以水为媒介利用声信号传递信息，并在目的地把信息还原的通信方式。水声通信的基本特点包括：通信带宽有限、多径传输、非平稳噪声干扰、多普勒效应、和随机时变空变^[1,5]。

基于超短基线的水下定位原理可大致分为两类。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需理论基础。确定方案，完成开题报告。

第4－5周：熟悉掌握基本理论，完成英文资料的翻译，熟悉研究背景。

第6－9周：编程实现各算法，并进行仿真调试。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 田坦，《水下定位与导航技术》，国防工业出版社，2007.

[2] 张歆，张小蓟，《水声通信理论与应用》，西北工业大学出版社，2012.

[3] 张红梅，《水下导航定位技术》，武汉大学出版社，2010.