声学导航系统误差

4.6.1　声学导航系统误差

1.系统误差

系统误差是由固定或按一定规律变化的因素引起的，在相同的测量条件下，这一规律可重复地表现出来，原则上可以用函数或曲线加以表示。

一般认为声学导航系统的误差包括:

①声速测量误差Δc;

②基阵安装误差Δd;

③声波波长误差Δγ;

④声线弯曲导致的相位测量误差Δφ。

其中Δd和Δγ由声学导航系统设备本身的设计参数所决定，在此不予以讨论。下面着重讨论由声速测量误差Δc和相位测量误差Δφ所引起的定位误差。

目前声速测量误差通常可以控制在0.1%距离以内，因而影响不大。但由声线弯曲引起的相位测量误差大小取决于作业区的声速结构，主要是由声传播路径中水体的温度和密度变化引起的。一般情况下，在夏秋两季，声线存在明显弯曲，而且弯向海底并经海底反射，声能被大量损耗，传播条件很差;而在冬季，由于声速上下层相差不大，声线弯曲较小，而且弯向海面，海面反射的损耗远比海底小，声能传播较远，测量精度也较高。这类误差在夏季影响最严重时可达2%以上，而在冬季只有0.2%。由于声速剖面在时间和空间上的可变性，为了保证精度，必须使用实地、实时的声速剖面，不能使用历史声速剖面资料。

声波在经过不同声速之间的界面时遵循Snell折射定律，入射角度越大，折射角越大，因此，只有水下目标在换能器阵的正下方即入射角为0°时才可以不考虑声线弯曲的影响，在工作过程中可以将船体引至水下应答器的正上方附近测量，减小声线弯曲造成的误差。随着入射角的增大，Δφ迅速增大，只有当入射角小于30°时才可用于高精度定位。

2.随机误差

随机误差主要包括测时误差和测相误差。

测时误差由时钟误差和脉冲前沿测量误差组成。时钟误差非常小，可以不考虑;而脉冲前沿测量误差是由海洋噪声引起的，与信噪比有关。受噪声影响的相位测量误差和时间测量误差，其测量值φ_x、φ_y、φ_t都服从正态分布，表现出随机特性。所以随机误差主要由噪声引起，其均方差用σ_φx、σ_φy、σ_Δt表示。

Cramer-Rao下界是离散随机信号处理理论中的重要方法，通过Cramer-Rao下界判断估计值的最优性，可以得到:

式中，B为基阵可接收的信号带宽(Hz)，SNR为信噪比。

从式(4-43)可以看出，测时误差与信噪比的平方根和信号带宽成反比，提高信噪比和信号带宽能有效地减少海洋噪声对测量结果的影响，利用匹配滤波技术可以达到最好的测时精度。

同样，通过Cramer-Rao下界判断估计值的最优性，可以得到:

可以看出，测相误差也与信噪比的平方根成反比，改善测相精度的有效方法就是提高信噪比，采用较低的频率和采用宽带信号比较有利。因此，水声信号传播过程中噪声越大，测量的随机误差就越大。提高信噪比可有效地减少海洋噪声对测量结果的影响，提高整个系统的性能。

采取各种措施对噪声源进行抑制并降低噪声是提高信噪比的主要方法之一。

噪声根据来源可分为海洋环境噪声和舰船噪声两种，海洋环境噪声来源主要是海面的波浪产生的空化噪声，舰船噪声来源主要是机械噪声、水动力噪声和螺旋桨噪声。选择流线型的测量船和换能器，选择低噪音的发动机，增大换能器吃水深度，在低风速时，采用较低的船速都可以有效地降低海洋噪声，提高信噪比。

3.水声定位误差及其消除

根据测量误差理论，在测量中应该尽量消除或削弱系统误差的影响，使随机误差成为总误差的主要组成部分。但是系统误差在实际测量过程中是普遍存在的，完全消除是不可能的，只能最大限度地削弱其影响。

根据系统误差和随机误差的分析，水声定位误差主要源于系统的测相、测时和声速测量。系统误差中的相位测量误差和声速测量误差，均是由于深水作业时不同区域、不同深度的声速曲线不同引起的，有必要根据声速剖面仪提供的声速变化对声速曲线进行修正，以减少声速测量带来的系统误差。随机误差中的测时误差和测相误差，主要受信噪比的影响，较高的信噪比能带来更好的测量精度，可直接提高整个系统的性能。

就水声定位系统中的超短基线定位系统而言，应通过声速校准补偿，尽量减少系统误差部分的影响，使噪声引起的随机误差成为整个水声定位误差的主要来源。一般认为，当系统误差小于随机误差的20%～30%时，则可以认为系统误差可以忽略不计。

已有文献表明，若测向精度达到0.2°，应答器工作频率为20kHz，水听器阵间距d为40cm，则航向和姿态传感器测量精度必须要达到0.1°，信噪比要高于12dB，声速测量精度应优于0.1%，阵元位置精度达到1mm量级。

4.现有超短基线导航定位系统的精度统计

以目前市场占有率较高的Sonardyne、Kongsberg Simrad产品和IXSea Gaps为例，表4-1和表4-2分别给出了不同作用距离下超短基线导航定位系统的精度指标。

表4-1　长距离高精度超短基线系列

表4-2　短距离低精度超短基线系列