免标定便携式高精度全球超短基线水下定位系统(USBL)-GAPS-劳雷海洋
基于超短基线的侧扫声呐水下目标定位技术
中国港湾建设China Harbour EngineeringUnderwater target positioning technology of side scan sonarbased on ultra short baselineYANG Li-wen 1,JIAO Yong-qiang 2,XU Jian 2（1.No.2Engineering Co.,Ltd.of CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200122,China;2.Shanghai Dahua Surveying &Mapping Co.,Ltd.,Shanghai 200136,China ）Abstract ：Side scan sonar measuring technique is one of the most effective means to detect and search the underwater target,it is used in many marine engineering and marine security projects.However,due to the characteristics of the towed measurement process,it is not able to accurately measure the underwater target.The actual operation,it is often need to use the multi direction detection and other means to determine the accurate position of the underwater target,reduce the detection efficiency of the underwater target.We proposed the method of combining the side scan sonar with the ultra short baseline,which can effectively improve the accuracy of measurement and positioning of the underwater target,and can greatly improvethe efficiency of side scan operation,reduce the operating cost,and has strong practicability.Key words ：side scan sonar;ultra short baseline;target;location;survey摘要：侧扫声呐测量技术是探测、搜寻水下目标的最有效的手段之一，在许多海洋工程、海事保障项目中都用到侧扫声呐测量技术。
水下声学通信与定位技术研究
水下声学通信与定位技术研究水下声学通信与定位技术研究一、引言地球表面约 70%被水覆盖，其中海洋蕴含着丰富的资源并在全球气候调节、交通运输等诸多方面扮演着极为关键的角色。
随着人类对海洋探索与开发活动的日益频繁，水下声学通信与定位技术作为实现水下信息传输与目标位置确定的核心手段，正受到越来越广泛的关注与深入的研究。
水下环境与陆地环境存在着显著差异。
水对电磁波具有强烈的吸收作用，导致电磁波在水下传播时衰减迅速，传播距离极为有限。
而声波在水中却能够相对稳定地传播较长距离，因此成为水下信息传输与目标探测的主要载体。
水下声学通信与定位技术基于声波在水中的传播特性，通过合理设计声学系统、信号处理算法等，致力于实现高效、可靠的水下信息交互以及精准的目标位置确定，这对于海洋资源开发、海洋科学研究、水下事应用等多个领域都具有不可替代的重要意义。
二、水下声学通信技术（一）水下声学通信原理水下声学通信主要是利用声波在水中的传播来传递信息。
发送端将待传输的信息（如数据、语音、图像等）进行编码和调制，加载到声波信号上，然后通过换能器将电信号转换为声波信号向水中发射。
声波在水中传播，经过一定的传播路径后到达接收端。
接收端的换能器将接收到的声波信号转换为电信号，再经过解调、解码等处理过程，恢复出原始的信息。
在这个过程中，声波在水中的传播特性对通信效果有着至关重要的影响。
例如，声波的传播速度在海水中约为1500m/s 左右，且会随着水温、盐度、深度等因素的变化而发生改变。
此外，声波在传播过程中会发生衰减、散射、多径传播等现象。
衰减会导致信号强度随着传播距离的增加而逐渐减弱，限制了通信的有效距离；散射会使信号向不同方向扩散，造成信号能量的分散；多径传播则会使同一信号经过不同路径到达接收端，产生时延扩展和信号失真，这些因素都给水下声学通信带来了巨大的挑战。
（二）水下声学通信调制技术为了提高水下声学通信的效率和可靠性，多种调制技术被应用于水下通信系统中。
海洋技术深海长基线定位系统现状及展望
海洋技术I深海长基线定位系统现状及展望海洋约占地球表面积的71%,是地球上尚未被人类充分认识和利用的最大潜在资源基地。
在海底及海洋中，蕴藏着极其丰富的生物资源及矿产资源。
然而，在海洋中，超过2000m水深的深海区占海洋面积的84%。
因此，地球表面大部分是深海。
潜水器是潜入深海进行科学研究和调查作业必不可少的运载作业装备，它主要分为无人潜水器(UUV)和载人潜水器(HOV) o其中无人潜水器乂分为遥控无人潜水器(ROV)和自主式无人潜水器(AUV) o利用各类潜水器开展深海资源调查和科学研究不能忽略的一个重要问题是潜水器的水下定位问题，而海洋的介质环境决定了声比光和电磁波更适合作为水下定位技术的传播载体。
根据接收基阵基线长度来分类，水下声学定位技术可以分为长基线定位系统、短基线定位系统和超短基线定位系统3利-超短基线定位系统的优点是构成简单、操作方便、便于大范围机动作业等，但缺点是定位精度与深度有关，且定位结果山母船直接获得，水下载体则需要通过光缆/电缆或水声通信获得定位信息。
对于有缆的ROV,尚且能够做到较高的实时性，但对于无缆的AUV等，受限于声音传播速度、通信周期等，往往存在较大的延时。
长基线定位系统的优点是定位精度高（与作业深度无关）、实时性好（潜水器实时解算自身位置），缺点是需要投放信标阵列，设备和时间成本较高。
在深海作业支持领域，一些作业需要更精确的定位，这就需要长基线定位系统。
本文首先介绍了长基线定位的基本原理、系统组成和布阵原则，然后系统介绍了法国iXblue、挪威Kongsberg和英国Sonardyne等公司的3 款典型深海长基线定位系统，并分析了国内发展1W况，最后展望了深海长基线定位系统的发展趋势。
一、长基线定位系统1•基本原理在长基线定位系统中，被测水下载体上的问答机向各应答器发出询问信号，并接收各应答器的应答信号，通过信号传播时延差，列出解算方程，最终确定被测载体的三维位置坐标。
Subsonus超短基线声波定位系统
Subsonus超短基线声波定位系统下一代声纳与惯导紧耦合的水下导航系统，提供高准确的位置、速度和航向，适合水深1000米，仪器钛合金外壳保护、掌中大小！与主动式声纳系统不同，采用被动式水听器组、紧密耦合INS惯导系统，完全自主不致于暴露自身目标。
下一代水听器阵列Subsonus特色是业界领先的八通道校准水听器阵列。
Subsonus 能够提供卓越的角度和测距精度。
Subsonus内部设计了高精度定向的水听器阵列，提供令人难以置信的接收灵敏度加上卓越的噪声和多径抑制。
尽管每个水听器有方向性，八个水听器完整阵列提供从任何方向跟踪目标、全声场的“视野”。
声音速度自测量Subsonus使用一种革命性的新技术能测量声音在水中传播速度的能力。
这意味着该系统是自校准，不需额外的设备或用户干预来设置系统，减少操作者错误的风险。
动态传播功率Subsonus基于测距距离动态调整其声传播功率。
这显著降低噪声和多径效应影响，大大改善短程性能。
Subsonus设计工作范围和深度高达1000米。
集成的紧密耦合INSSubsonus集成了一个紧密耦合的惯性导航系统。
这使得它能够提供高精度出厂校准方向定位，以及连续输出位置和速度。
Subsonus不仅测量声音位置也测量多普勒速度。
所有的这种组合使得Subsonus成为市场上最准确的声定位系统。
声学航向Subsonus采用反向USBL超短基线方案，这使得它能够提供准确的声学航向给海底的潜器。
此外，因为参考位置和航向是声学传播测定，装在海底潜器上的Subsonus单元可输出绝对位置、速度和航向，而无需使用系缆作数据传输。
Subsonus也可以操作按标准USBL方案操作，与大多数主流信标兼容。
完全集成在小型外壳里Subsonus摒弃了典型的对外部设备依赖，如机架安装装置，接口盒或PC。
所有运算在微型钛外壳内部完成，该系统通过一个以太网连接来输出数据。
具有完全基于Web浏览器的用户界面。
Sonardyne USBL培训教程
目录
• USBL系统概述 • USBL设备介绍 • USBL测量原理与方法 • USBL系统安装与调试 • USBL系统操作与使用 • USBL系统维护与保养
01
USBL系统概述
USBL技术原理
01 超短基线定位（USBL）技术
通过测量水下声信号传播时间和相位差，确定目 标位置。
标的位置。
USBL技术具有高精度、高可靠性、高 效率等优点，在水下导航、水下考古、
水下救援等领域得到广泛应用。
测量方法分类
单点定位法
通过单次测量获取目标位 置信息，适用于静态或准 静态目标的定位。
连续定位法
通过连续测量获取目标位 置信息，适用于动态目标 的定位。
多点定位法
通过多个接收基阵同时测 量获取目标位置信息，提 高定位精度和可靠性。
数字化接收器
采用数字化处理技术，具 有高灵敏度、低噪声、宽 动态范围等优点，适用于 复杂环境下的水下定位。
辅助设备介绍
水听器
用于监测水下环境中 的声音信号，为USBL 系统提供辅助定位信
息。
罗经
提供船舶或载体的航 向信息，用于USBL系 统的坐标系转换和位
置解算。
DGPS
差分全球定位系统， 为USBL系统提供精确 的位置和时间信息，
菜单栏功能
包括文件操作、编辑、视图、工具、 窗口和帮助等菜单项，提供全面的软 件功能。
项目树结构
展示当前项目的组织结构，方便用户 管理和浏览项目资源。
数据采集、处理与输出流程
数据采集
数据输出
连接USBL设备，设置采集参数，如采 样率、通道配置等，开始数据采集。
将处理后的数据以图表、报告等形式 输出，支持多种格式和自定义模板。
超短基线软体排深水水下定位检测系统设计思路
超短基线软体排深水水下定位检测系统设计思路冯海暴;徐加峰;周良玉;冯好娣;刘国辉;韩帅【摘要】结合长江南京以下12.5 m深水航道一期工程,根据深水、大流速工况,提出了超短基线软体排深水水下定位系统的设计思路,经过系统开发、测试完成了设计,通过应用实现了软体排在深水条件下铺设定位的可视化,实时调整铺排船作业时的工作状态,确保排体铺设准确.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】5页(P126-130)【关键词】软体排;超短基线软件;水下定位;系统【作者】冯海暴;徐加峰;周良玉;冯好娣;刘国辉;韩帅【作者单位】中交一航局第二工程有限公司,山东青岛266071;中国海洋大学工程学院,山东青岛266100;山东大学,山东济南250101;中交一航局第二工程有限公司,山东青岛266071;中交一航局第二工程有限公司,山东青岛266071;山东大学,山东济南250101;中交一航局第二工程有限公司,山东青岛266071;山东大学,山东济南250101【正文语种】中文【中图分类】TV361.1 课题背景长江南京以下12.5 m深水航道一期工程，水流流速大且水深大，在基床护底加固中，需要铺设软体排护底，在进行深水软体排铺设时，传统的铺排施工采用人工吊锤的形式进行水下定位检测[1]。
该方法受工况影响工作效率低、定位不准确，无法实时采集相关的铺排位置的准确数据，当风况、水流等工况条件稍差时，就要停止排体检测或检测的数据无法反映真实的工程情况。
深水铺排铺设见图1。
针对传统工艺排体检测中存在的工作效率低、排体定位不准确、无法实时采集相关的铺排位置的准确数据等问题进行分析，结合信息技术，设计超短基线软体排深水水下定位检测系统解决上述问题。
1.2 设计总体思路通过计算机、卫星定位、声学仪器将排体的水下状态实时显示出来，和实际的设计位置进行对比，当排体铺设位置出现偏差时可通过动态的调整实现排体水下准确定位，解决传统排体铺设中人工吊锤无法解决的问题，达到预期的效果。
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超短基线声学定位（USBL）解决方案: GAPS
北京劳雷海洋仪器
独特特点：
独特性能：
配备优势：
集成高精度光纤级惯导系统，能为水面母船提供精确的姿态数据，可直接用于母船多波束测深系统等设备；同时高精度超短基线功能，可为水下载体和结构物提供精确定位数据。
而一体化且已标定集成固件，使系统在现场无需进行标定，可便携式安装并快速输出数据，大大节省海上作业时间。
主要应用：
海上，AUV和ROV导航，水下测量和检查，钻井，动力定位（DP），结构物安装，管道和缆线布防，潜水员跟踪，地震，海洋科学，防卫系统，新能源领域
技术优势：
产品革新：集成USBL，高等级INS，实时定位和GPS技术，多用途的GAPS 能最大限度地满足海面和水下定位及导航的要求；
技术先进：采用先进信号处理技术和3D声学天线，定位精度可达0.06%斜距，适用范围覆盖10米极浅水至4000米深水
使用方便：一体化便携式结构，无须标定，可快速简便投放，节约时间和成本
主要技术指标：
水下定位
定位精度：0.06%*斜距
有效距离：4000m
覆盖范围：200º(以换能器为中心200°半球形范围内)
水面定位
艏向精度：0.01°
横摇/纵摇精度：0.01°
GAPS系统（内含惯导），为便携式系统，无需标定,重新安装即装即用!!!
水下调查及作业时，Ixblue公司GAPS等产品典型应用。