第六章 水下声标定位水声定位系统是用于测定水下或水面运载工具位置的定位系统水声定位系统利用超 声波传播信号，具有的方向性好、贯穿能力强的特点水声定位系统有三种工作方式：长 基线系统、短基线系统和超短基线系统6.1 水声定位基础6.1.1 水声定位的基本设备水声定位系统通常由船台设备和若干水下设备组成船台设备包括一台具有发射、接 收和测距功能的控制、显示设备和置于船底的换能器（也可置于船后的“拖鱼”内）以及 水听器阵水下设备主要是声学应答器基阵所谓基阵，即固设于海底的位置已准确测定 的一组应答器阵列水声定位系统中有关电子设备的电路工作原理与一般电子线路相同， 在此不予赘述下面仅简要介绍系统中的水声设备换能器是一种声电转换器，能根据需要使声振荡和电振荡相互转换为发射（或接收） 信号服务，起着水声天线的作用，如经常使用的磁致伸缩换能器和电致伸缩换能器磁致 伸缩换能器的基本原理是当绕有线圈的镍棒（通电）在交变磁场作用下会产生形变（振动） 而产生声波，电能转变成声能；而磁化了的镍棒在外力（声波）作用下产生形变（振动）， 从而使棒内的磁场也相应变化，而产生电振荡，声能转变为电能水听器本身不发射声信号，只是接收声信号。
通过换能器将接收的声信号转主成电信 号输入船台或岸台的接收机中应答器既能接收声信号，而且还能发射不同于所接收声信号频率的应答信号它是水 声定位系统的主要水下设备它也能作为海底控制点的照准标志（称为水声声标）6.1.2 水声定位系统的基本定位方式水声定位系统通常有两种定位方式，即测距和测向一、测 距水声测距定位原理如图6—1 所示它由 船台发射机通过安置于船底的换能器M向水 下应答器P （位置已知）发射声脉冲信号（询 问信号），应答器接收该信号后即发回一应答 声脉冲信号，船台接收机记录发射询问信号和接收应答信号的时间间隔，通过下式即可算出船至水下应答器之间的距离（斜距）：1D - — Ct （6—1）2由于应答器的深度Z已知，于是，船台至应答器之间的水平距离S可按下式求出:S —2 — Z2 （ 6 2当有两个水下应答器，则可获得两条距离，以双圆方式交会出船位若对三个以上水下应答器进行测距，就可采用最小二乘法计算船位的最或然值二、测 向测向方式的工作原理如图 6—2 所 示船台上除安置换能器以外，还在船 的两侧各安置一个水听器，即a和bo P 为水下应答器设PM方向与水听器a, b连线之间的夹角为8 , a、b之间距离 为 d,且 aM=Bm=d/2o首先换能器M发射询问信号，水下 应答器 P 接收后，发射应答信号，水听 器a、b和换能器M均可收到应答信号， 由于a、b之间距离与P、M间距离相比甚小，故可视发射与接收的声信号方向相互平行。
但由于a、M、b距P的距离并不相等，若以M为中心，显然a接收到信号相位比M的要超 前，而b接收到的信号相位比M的要滞后设At和At'分别为a和b相位超前和滞后的 时延，那么由图2—9,我们可写出a和b接收信号的相位分别为:©6—3)a©b于是水听器 a 和 b 的相位差为:A© — © —ba2ndcos96—4)显然当8 =90°时，a和b的相位差为零这只有船首线在P的正上方才行所以只要 在航行中使水听器a和b接收到的信号相位差为零，就能引导船至水下应答器的正上方 这种定位方式在海底控制点（网）的布设以及诸如钻井平台的复位等作业中经常用到三、水声定位系统的工作方式水声定位系统可采取许多不同的工作方式进行工作例如，直接工作方式，中继工作 方式，长基线工作方式，短基线工作方式，超短基线工作方式，双短基线工作方式等等 不同的水声定位系统可以具有其中一种或多种工作方式本章仅介绍长基线、短基线和超 短基线定位系统6.2 长基线系统6.2.1 概述答器（或声信标），以一定图形组成海底基阵，如正三角形或正四边形等基线长度按所要求的作业区域确定运载工具（测船）一般位于基阵内，通过测量距离确定点位长基线系统定位精度可达到 5—10 米，测程约5公里。
长基线测量距离可采用两种方式：一种是单向测距，即采用声信标；另一种是双向测距，即4长基线系统通常在海底布设三个以上的应采用应答器定位如图6—3所示T, T , T, T是设置在1234海底的应答器，其高斯坐标为卩（x，y）, z为平均海面至T的深度P为测点，可用水 i i i i i声仪器测得P至T的距离p （经声线弯曲改正），用距离空间交会法就能确定P点的坐标 iix， y， z ）为提高定位精度，可进行多余观测，即由四个以上位置面误差方程，用平差方法求得最或然点位下面讨论计算p点近似坐标（x，y，z）的方法ppp6.2.2 定位点近似坐标计算当采用两距离方式定位时，如选用p，p，则运载工具至Tl、T2的平面距离S、S1 2 1 2为：S2 二 p2 — （z — z ）21 1 1 pS2 二 p2 — （z — Z ）2 > （6—5）2 2 2 pS2 二（x — x ）2 + （y — y ）212 1 2 1 2Tl、T2与P点在平面上的关系如图6—4所 示，由图可知，由s’ s、S]?可推算a,卩，进 而求得（x，y ），而：z = 换能器吃水 + 水位改正p上面为两距离计算P点近似坐标的方法。
P，1离 P(i当采用三距离方式定位时，如选用P，P，则运载工具至Tl、T2和T3的距 23i = 1， 2， 3)为：P 2 =(x —x )2+(y —y )2 +(z —zi i p i p i=(x2 + y2 + z2) +(x2 + y2 + z2) — (2 xi i i p p pn = x2 + y2 + z2 — P2 + z2 — 2z z ( i i i i p i p= 2x x — x2 + 2 y y — y21 p p 1 p p= 2x x — x2 + 2y y — y 22 p p 2 p p= 2x x — x2 + 2y y — y 23 p p 3 p p)2 pxipi = 1，2，3)in1n2 n36—6)式减(6—7)式：n — n = (2 x — x )x + (2 y — y )1 2 1 2 p 1 26—8)式减(6—7)式：n — n = (2 x — x )x + (2 y — y )y3 2 3 2 p 3 26—9)式：n —n — 2(x — x )x1 2 1 2 p6—6)6—7)6—8)6—9)6—10)(2 y — y )12n —n — 2(y — y )y1 2 1 2 p6—11)2（ x — x ）126—11）式和（6—12）式代入（6—10）经整理可得：6—12)n (y — y ) +n (y — y ) +n (y= 1——3 2 2 1 3 32[x (y — y ) + x ( y — y ) + x (y — y )]1 3 2 2 1 3 3 2 1n (x — x )+n (x — x )+n (x — x)= 1_3 2 2 1 3 3 2 1 一2[y(x —x )+y (x —x)+y (x —x)]1 3 2 2 1 3 3 2 1当采用具有多余观测方式定位时，可采用下面平差的方法计算最或然点位坐标。
6.2.3 最或然点位坐标计算首先根据（3—32）式建立位置线误差方程式：V = AX + L式中：V = (v , v , v , v )T 为 P (i = 1,2,3,4)的改正数;1 2 3 4 iT-R-P _1i1lR-P2=22lR-P333l4R4-P4L =6—13)其中R, R , R , R分别表示由P点近似坐标（x , y ）计算的与1234T, T , T , T 之间的距离 1 2 ~R =((xI pb1b2b3b4ppA=a1 a2 a3 a4其中系数a,i（QR） a =（ i）i Qx P=（巴）Qy P=（匹）Qz P3 4-x)2 +(y 一 y ) +(z - z)2i pi pic1c2c3c4b 表示为以下形式：ix 一 x=p iRy 一y= L IRiz 一 z= LRi6—14)i = 1，2，3，4X = (Ax, Ay,Az)t解算上面位置线误差方程式可得：x = x + Axpy = y +Ay >pz = z + Azp如果只布设三个应答器 T ,T12T 时,36—15)则把 z 视为精确值（已知值）,平差计算测点 p坐标及其定位中误差。
6.3 短基线系统6.3.1 概述如图 6—5 所示，短基线系统水下部分仅需 要一个声信标（或应答器），而船上的接收基阵一 般由三个换能器组成基阵安装在船体的下方， 为了提高定位精度，基线长度尽可能利用船体的 长度和宽度，通常在 10 米以上三个换能器构成 互成正交的基阵，H1和H2连线指向船首的方向 定为x轴，基线H1H2的长度为bH2和H3连线x指向右舷的方向为y轴，长度为b指向海底的 yHi —方向为z轴短基线系统有声信标、应答器和响应器三种工作方式，下面分别介绍6.3.2 声信标工作方式声信标工作方式是在海底设置声信标 T，由仪器测得H1、H2至T的时间差A（（ = t -1），Hl、H3至T的时间差At（二t — t），则可求得点位坐标1 1 2 2 2 3如图6—5、图6—6所示，设8 x、8 y和8 z分别 为 PT 方向与 x、 y、 z 轴间的夹角，可得：AR VAtcos 0 = i ix b bxxAR VAtcos 0 二 2 二 2y b by y 而 cos 0 = .1 一 COS2 0 一 COS2 0z 勺 x y式中：v为声波在海水中的传播速度图 6—6声信标T相对于船位P的坐标X，y 为：cos0x = C0SF 乙6—l6)zcos0斗zcos 0z式中：Z为定位时水听器H与声信标T的深度差。
这种系统主要用于深海采矿和钻井工程的动态定位声信标常设置在井口旁边，用于 保证钻井。