高精度超短基线GAPS在水下定位中的应用

　　GAPS全称Global Acoustic Positioning System，是法国IXSEA公司开发的一套勿需标定的便携式超短基线声学定位(USBL)惯性导航系统，它将高精度光纤陀螺惯性导航技术与水下声学定位完美地结合在一起，并融入了GPS 测量技术[1]。系统可以同时追踪多个水下目标， 能最大限度地满足海面和水下定位及导航的要求。

　　1 GAPS的系统组成和安装

　　1.1 系统工作原理[2-4]

　　超短基线定位系统由水下声学测量设备和水上数据采集处理设备两大部分组成，其中水下声学测量设备由安装在船体的声学换能器(发射接收单元)和安装在水下移动载体的声学应答器组成。声学换能器是安装在船上的发射接收器， 往往是半球形或无指向性的。声学应答器是放置在海底或载体上的发射接收器，只有在收到询问信号时才回答，通常每1个应答器对应1种频率，以加以区分。

　　声学换能器发射声波信号至应答器，应答器在收到讯问信号后，发射区别于讯问信号的响应信号回换能器， 响应信号经由通讯电缆传输给数据采集处理设备，根据目标的应答时间测出水下目标的距离，同时利用到达各阵元的应答信号相位差测出目标的方位，从而得到目标的位置。

　　常规的超短基线定位系统多采用基线长度小于半波长的三元或四元基阵，等腰直角分布。超短基线的定位原理根据接收信号的不同，分为单频短连续波CW和宽频Chirp/MFSK。对于单频CW信号而言，在进行目标定位时，最常用的就是其相位信息，通过测量不同阵元接收信号的相位差进行定位解算。对于宽频信号而言，利用基阵阵元间的时间差进行解算。

　　下面以单频短连续波CW为例揭示其定位原理。

　　如图1所示，设目标位于S处，其坐标为【X，Y，Z】。2个正交的直线阵，分别置于X轴和Y轴上，阵的中心为坐标原点。目标径矢为OS，它的方向余弦为：

　　式中，α为OS与X轴夹角;β为OS与Y轴夹角;R为目标斜距;c 为水中声速;Δt为从发送信号到接收到信号时声波的实际传输时间;S’为S在XOY平面上的投影，它与X轴的夹角θ为目标水平方位角， 即目标相对船艏向的方位;r为R在XOY平面上的投影，即S相对坐标原点在XOY平面上的偏移距离。

　　由于超短基线中基阵尺寸一般为十几cm，远小于斜距R，可以认为在接收信号时，入射到所有基元的声线平行。 邻近2个水听器接收信号的相位差 准与入射角存在以下关系：

　　式中，γ为波长，d为阵元间距;Φx为X轴相邻阵元接收信号的相位差;Φy为Y轴相邻阵元接收信号的相位差。