USBL声学定位和导航基础知识

此篇文章是Advanced Navigation公司出的一篇关于他家的SubsonusUSBL的小软文。编者认识多年的一兄弟跑到了这家做了大客户经理，这篇文章用很简单的描述科普了一下USBL超短基线声学定位原理，并介绍了Subsonus这个型号的优点。

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产品特点总结

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1.体积很小

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2.收发器和信标可以互换

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3.可以代替磁罗经直接输出水下航向

声学定位简介

声学信号是⼀种使用声音作为无线水下通信的手段。之所以使用声学，是因为水的密度会导致信号衰减(振幅降低)，无线电波、光波和卫星信号无法在水中传播任意有效的距离。相反，由于声音的密度，它能在水中传播很远的距离，且在水中的传播速度大约是在空气中的三倍。

在一般情况下，声学信号从安装在水面船只上的换能器发射到辅助跟踪物体上的接收器。例如，跟踪物体可以是自主式水下潜器  (AUV)、遥控无人潜水器(ROV)或潜水员。收到信号后，接收器立即通过发出自己的声学信号来响应。定位系统会解析接收器发出的声学信号的距离和方向，从而估计其方位。

定位的精度主要取决于跟踪物体与收发器之间的距离和深度。各种环境因素也会影响精度；例如，水层混合、多径(声信号多次反射)、背景噪音以及换能器附近螺旋桨和推进器的空化和洗涤造成的干扰。

为什么使用水下声学定位？

在许多情况下，可靠的水下定位是必要的。例如，水文学(海洋测量)和摄影测量、环境、栖息地和野生动物研究、港口、港口和河流维护、打捞、管道和基础设施的部署和检查。出于多种原因，潜水员和用于执行这些任务的设备的准确位置数据是必需的，包括操作效率——能够准确定位参考点位置以及安全性——损失和碰撞的可能性⾮常⾼。

相对较低的声波的频率，使它们能够在水中可靠地传播合理的距离。适用的距离范围取决于频率。频率越低，距离越远，数据带宽越低。通常：

  8到15kHz的范围约为10公里

  19⾄36kHz范围约为2公里

  32⾄63kHz的范围约为1公里

  55⾄110kHz的范围约为500米。

Subsonus的频率是30kHz，通讯距离是1公里，在带宽上和距离上达到一个合理的平衡。

水下声学定位如何⼯作？水下声学定位系统使⽤⼀种称为超短基线(USBL)的技术 。USBL收发器使用水听器，作为水下麦克风和扬声器，来传输和接收声学信号。水听器中的换能器技术用于将电能转换为声进音行传输，并在接收过程中将声音转换为电能。单个水听器法无提供方位或方向信息，因此需要多个水听器。它们以阵列的形式安装在收发器上，各个水听器之间的距离和几何形状都是非常精确的。
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基线——水听器之间的距离。

当收发器接收声学信号时，⼀种称为“相位差分”的技术使⽤每个水听器信号到达时间的微小变化来计算信号的来源方向。发射信号和接收响应之间的双向移动时间用于计算到信号源的距离。使用距离和方向数据，可以确定跟踪物体与表面安装换能器的相对位置。请注意，声速可能会根据水压、温度和其他因素而波动，因此需要在位置计算中考虑这⼀点。

图 ｜ 收发器的发射波形图，可根据阵列间水听器单元的相位差来判别

如何提高 USBL 的表现？

USBL系统的准确性和精度可以通过多种方式提⾼。例如，增加收发器中的水听器元件数量将会提供更多数据，使定向计算更加精确。此外，特别是从三维意义上来说，水听器之间的不同几何形状，通常会提⾼USBL解析声学信号源的能力。

另⼀种提高精度的方法是使用宽带或编码的声学信号，而不是简单的波形。使用复杂的声学信号使USBL能够当声波前波在水听器上移动时更好的适用相位差分。相位差分提高了USBL准确分辨波形到达时间差异的能力，从而提高了计算精度。

可以说，基线距离越大，水听器数量越多，就越容易解析声学信号源。但是，这通常会增加USBL的物理尺寸，这在大多数情况下是非常不可取的，因为它可能会增加部署的复杂性和成本。

缩小USBL设备在⼯程上具有挑战性，这不仅要求在不影响水听器性能的情况下缩小基线距离，而且需要改善信号处理，以保持较水基线的精度。Subsonus USBL可以进行双USBL配置，这样可以在水面船只和水下载体上同时配有相同的信标（收发器和信标通用），两者可以互为对方的信标，在解析信号的时候可以提高定位精度。为USBL添加绝对位置

根据USBL计算，来自换能器的声源的相对方位和范围是已知的。也就是说，接收器和换能器之间的范围和方位是已知的，但是，换能器的位置与地球表面的绝对位置无关。在某些情况下，这就足够了，例如，当您只需要知道被跟踪的物体相对于水面船只的位置时。但是，许多场景需要被跟踪物体相对于地球的绝对位置，特别是在测量类型的情况下，或者必须将参考点引用到绝对位置的情况下。

将绝对位置注⼊USBL通常使用安装在水面船只上的GNSS接收器  (如GNSS罗经)来实现。全球导航卫星系统位置数据成为USBL的输入。

将水面船只的绝对位置和航向数据和USBL传感器相结合，使系统能够将其与跟踪物体的相对位置数据进进合成。结果提供了跟踪对象的绝对位置。

图像描绘了⽔⾯船只和管道测量ROV之间的 USBL声学定位。USBL连接到GNSS罗经以获得绝对位置输⼊

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获取水下航向

传统上，为了获得水下航向，会使用光纤陀螺仪(FOG)或磁性航向装置。这些解决方案有两个共同的问题——FOG通常⾮常昂贵、沉重，并且设置起来可能很复杂。这显然与它适合的应用程序有关。对于磁性航向，这不如FOG系统准确，因为磁北和真北很少相同，这些设备⽐FOG更容易发生漂移和其他错误。此外，磁力计的精度受到磁⼲扰源的影响，例如⼤量含铁材料，这些材料常见于深海船只。

Subsonus USBL为水下航向提供了可靠和准确的解决方案。在连接到全球导航卫星系统指南针的水面船只上使⽤Subsonus USBL，能够为安装在水下航行器或使用声学跟踪的辅助Subsonus USBL供准确的位置和航向数据。

以这种方式获取的绝对水下航向数据，具有非常高的可靠性和准确性。与FOG相比，它也具有极高的性价比，并且航向由于是通过全球导航卫星系统获得的，因此系统完全不受磁⼲扰。

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