在水下机器人作业领域，载人潜水器可运载科学家到达深海的海山、热液、盆地和洋中脊等复杂海底地形进行巡航、悬停、正确就位和定点坐坡作业，使得人类身临其境探求深海奥秘的梦想得以实现，也使人类的智慧在深海作业中得到及时充分的发挥[1-2].深海载人潜水器已经在深海矿物调查、深海生物基因研究、深海地质研究和深海打捞作业等方面做出了显著的贡献[3-5]. 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手段.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种[6-8].超短基线定位系统通过全球卫星定位系统(GPS)、姿态传感器将船载声基阵测得的相对位置转换到地球大地坐标系，以获得潜水器的大地经纬度坐标.与长基线和短基线定位系统相比，超短基线定位系统具有构成简单、操作方便，且不需要组建水下基线阵、便于大范围机动作业等优点，可为水下目标探测、定位跟踪、海底地形勘探和水下遥控作业等各种高精度作业提供技术支持，使得它在海洋资源调查和科学研究领域，特别是在大深度载人深潜领域，发挥着越来越重要的作用. 目前，蛟龙号载人潜水器的水下定位、跟踪和导航主要依靠超短基线定位系统[9].一方面，载人潜水器获取宝贵样品和数据资料的分析处理需要精确的三维坐标;另一方面，载人潜水器水下预定目标的快速搜素，以及水下作业精确、高效的顺利完成也需要高精度的定位数据;更重要的是，超短基线定位系统是否能正常工作直接影响到载人潜水器下潜作业的安全，进而影响到蛟龙号试验性应用航次的顺利完成. 超短基线定位系统中的GPS、姿态传感器和船载声基阵通常是分离式安装的.然而，在系统安装过程中，各测量设备所处的坐标系不可能完全重合，导致船载声基阵坐标系与GPS/姿态传感器坐标系之间存在一定的偏差.这种坐标系偏差(也称为船载声基阵安装 偏差)是影响超短基线定位系统定位精度的重要因素之一[10-13]，例如1°的艏向安装偏角产生1.7%斜距的定位误差.因此，在超短基线定位系统实施正常的定位作业之前，必须先进行船载声基阵安装偏差的海上标定，通过所采集的海上标定试验数据来反演船载声基阵的安装偏差. 本文以我国蛟龙号载人潜水器的超短基线定位系统为例，详细探讨适用于大深度载人潜水器的超短基线定位系统海上标定试验方法，并利用2014～2015年蛟龙号试验性应用航次第一航段10个潜次的下潜数据分析其定位性能。 超短基线定位系统用于水面支持母船对蛟龙号载人潜水器的水下定位，水面支持母船可以实时监控潜水器相对于水面支持母船的位置和相对于大地的坐标，并及时采取措施.潜水器也可通过水声通信机获得定位信息，帮助驾驶员操作. 1.1 工作原理 超短基线定位系统有两种工作方式.一种是声学应答模式，水面分别向各应答器发送询问信号，各应答器接收到针对自己的询问信号后发送应答信号，通过计算发出询问信号到收到应答信号的时间差来计算距离.另一种是同步时钟触发模式，如果有缆则触发脉冲通过电缆触发应答器，如果无缆则需要采用高精度的同步时钟来同步触发应答器和水面系统，通过计算同步脉冲触发时刻到收到应答信号的时间差计算距离.当进行水下信标位置测量时，采用声学应答模式;针对蛟龙号大深度作业特点，为减少定位时间间隔，蛟龙号载人潜水器下潜作业时采用同步时钟触发方式. 由时间差计算距离需要知道声速，因此精确的声速剖面数据是定位精度的保证.要确定潜水器在水下的位置，除了测量距离外还必须测量出方向角和倾斜角.超短基线定位系统是通过分析船载声基阵的4个水听器接收信号的相位差来计算出方向角和倾斜角的.将水面船载GPS与超短基线定位系统相结合，能够准确判断水下应答器的精确位置. 1.2 系统组成 超短基线定位系统由水面船用设备和潜水器应答器组成，如图1所示.水面船用设备包括信号处理单元、船载声基阵和外围辅助传感器(如GPS和姿态传感器).船载声基阵安装在水面支持母船的底部，由中心的发射换能器和四周的4个接收水听器组成.潜水器部分由超短基线应答器和同步时钟组成.超短基线应答器安装在潜水器的背部，其半球形指向性可覆盖整个上半空间，保证在水下各种深度和倾角状态下定位系统能够正常工作.
当对潜水器进行定位时，它采用了同步脉冲触发模式.在水面支持母船和潜水器上都安装了同步时钟，潜水器下水前两台同步时钟首先进行对钟.潜水器下水后，两台同步时钟按相同的时间间隔同时触发超短基线定位系统的水面信号处理单元和潜水器应答器，应答器发射应答信号，水面信号处理单元测量同步脉冲和应答信号的时延并进行计算. 当超短基线定位系统用于水下信标测量时(如船载声基阵安装偏差海上标定试验)，它工作于声学触发模式.船载声基阵中心的发射换能器发射询问信号，不同的频率询问不同的应答器，应答器接收到指定频率的询问信号后立即发射调频的应答信号，不同应答器的应答信号是不同的. 超短基线定位系统的发射声源级为190±3dB ref 1 μPa，发射频率范围8～14kHz，接收频率范围14～18kHz，信号形式为MFSK，最大作用距离为8000m(环境噪声为60dB时)，测距精度为0.3%斜距(60°圆锥角内)，最大工作水深为7000m。 超短基线定位系统船载声基阵的重新安装，以及水面支持母船的进坞维修，不可避免的重新引入安装偏差，进而影响其定位性能，甚至无法正常工作.因此，在超短基线定位系统实施正常的定位作业之前，必须选择合适的海域先进行安装偏差的海上标定，以确认其工作状态是否正常，为设备的系统标定提供检测数据. 2.1 海上标定试验 2.1.1 母船本体噪声测量 在水深大于500m的海区进行母船不同航速下(漂泊、 2kn、3kn、4kn)的自噪声测量. 超短基线定位系统的信号处理单元具备通带内噪声分析功能，实时显示以dB为单位的噪声谱密度数据.每种工况记录20个数据，以数据的平均值作为该工况下的噪声谱密度结果. 2.1.2 声速剖面测量 在1000m左右试验海区进行超短基线定位系统海上标定试 验.到达试验海区后用船载测深仪测量出海水深度，然后开展声速剖面测量. (1)开展全海深温盐深(CTD)调查，要求绞车放缆速度不大于1m/s，获取试验海区的声速数据. (2)对声速数据进行处理，消除大气压力变化的影响，生成超短基线定位系统所需的声速剖面数据. (3)将处理后的声速剖面数据文件导入超短基线定位系统的信号处理单元中. 2.1.3 水下潜标组装和投放 (1)更换水下信标的电池，确保电量充足. (2)利用甲板单元确认水下信标各项功能正常. (3)利用绳索将水下信标、浮球、水泥重块等组装成水下潜标系统，要求换能器朝上，距离海底50m. (4)在投放前为了确认释放器的释放功能正常，进行一次投放试验. (5)确认释放器释放功能正常后，投放水下潜标系统，并用超短基线定位系统跟踪潜标下降过程，直至潜标达到海底. 2.1.4 船载声基阵安装误差校准 (1)在调试超短基线定位系统正常工作后，将各标定参数复位到初始值. (2)母船以海底信标为中心，航行一个8字形轨迹(图2)，直径约为深度的0.7倍，航行过程中要求船速小于3kn. (3)航行开始时，开启超短基线定位系统信号处理单元的数据记录功能，航行结束后停止记录. (4)对定位数据进行处理，计算船载声基阵安装偏差，并将校准参数输入超短基线定位系统. (5)重复上述校准过程，如果经过校准图2超短基线系统标定航迹后定位误差减小，则把校准矩阵的变化量累加到原校准矩阵上作为新的校准矩阵输入超短基线定位系统，再次重复校准过程，否者结束校准过程. 2.1.5 水下潜标回收 (1)用超短基线定位系统或甲板单元向水下信标发送释放命令. (2)用超短基线定位系统跟踪水下潜标的上浮过程，确定其出水位置. (3)母船航行靠近浮出水面的潜标，回收到甲板. 2.2 标定结果分析 2.2.1 母船本体噪声测量结果 在距离1000m试验海区约6km位置，进行了母船不同航速下的自噪声测量试验.试验位置在，水深大于500m，满足海区深度要求.对4种航速下母船的自噪声测量结果见表1.
可以看到在所设置的各航速下，母船的自噪声的统计平均值均不超过60dB，满足超短基线定位系统的要求. 2.2.2 海上标定试验结果 试验海区的水深为1066m，CTD测量了970m以浅的声速剖面，经过处理后得到超短基线定位系统信号处理单元所需的声速剖面(图3).
超短基线系统初始状态的校准矩阵见表2.
图4给出了8字形航行时母船航行轨迹及超短基线定位系统的定位结果.图4(a)中GPS测量得到的母船航行轨迹呈现由两个圆组成的8字形;图4(b)为超短基线定位系统测量的校准应答器深度.用系统自带标定软件计算得到的校准矩阵如表3所示.校准后定位精度为0.25%斜距，达到超短基线定位系统标称精度，满足蛟龙号载人潜水器下潜作业要求.
 在3000m试验海区进行超短基线定位系统的定位精度复核试验. 3.1 精度复核试验 3.1.1 声速剖面测量 与2.1.2节声速剖面测量步骤相同. 3.1.2 水下潜标组装和投放 与2.1.3节水下潜标组装和投放步骤相同. 3.1.3 定位精度试验 (1)超短基线定位系统测量水下信标的位置; (2)母船驶离水下信标的位置. (3)以水下信标为圆心，母船按±30°圆锥角航行一圈，半径根据水下信标深度和圆锥角计算得到(图5).当水深为3000m时，分别为1800m;定位周期设置为8s.
(4)航行开始时，开启超短基线定位系统信号处理单元的数据记录功能，航行结束后停止记录. (5)对水下信标的定位数据进行分析，评估定位精度. 3.1.4 水下潜标回收 与2.1.5节水下潜标回收步骤相同. 3.2 定位精度结果分析 试验海区的水深为3110m，CTD测量了3005m浅的声速剖面，经过处理后得到超短基线定位系统信号处理单元所需的声速剖面(图6).
±30°圆锥角精度试验的航行轨迹与定位结果见图7，共获得定位数据1150个，包含15个野点，数据有效率为98.7%，分布见图8.计算得到水下信标的平均位置为(XX°53.51331'N，XX°55.93754'E)，平均深度为3060.0m，均方根误差为8.0m，定位精度为0.23%斜距，达到了要求的精度指标.
在各次下潜中超短基线定位系统较好的实现了对潜水器下潜、海底作业、上浮全过程的水下位置的跟踪.图9是某潜次超短基线定位系统的定位结果，清楚地描绘出了潜水器的轨迹.200m以深超短基线定位系统的定位数据共3918个，跳点17个，有效数据率99.6%.
图10给出了超短基线定位系统对潜水器深度的测量结果与深度计和CTD测量结果的对比.由图可见，超短基线定位系统测量结果与其他两者测量结果吻合，很好地描述了潜水器深度变化.
以某潜次为例，讨论超短基线定位系统的定位精度.图11给出了超短基线定位系统相对斜距误差.潜水器下潜阶段、近底作业和抛载上浮阶段分别用不同颜色标示.图中黑色点线表示潜水器相对于母船超短基线定位系统换能器阵的圆锥半开角.由图可见，在潜水器下降初始阶段和抛载上浮末段，超短基线定位系统相对斜距误差较大，大于0.3%.这主要是由于超短基线定位系统圆锥半开角较大，超过额定30°，导致定位性能有所下降.当超短基线定位系统圆锥半开角小于30°时，总数据个数1594;相对斜距误差≤0.1%的数据个数:1139，占71.5%;≤0.2%的数据个数:1498，占94.0%;≤0.3%的数据个数:1560，占97.9%;≤0.4%的数据个数:1573，占98.7%;≤0.5%的数据个数:1578，占99.0%.
表4给出了各潜次中超短基线定位系统30°圆锥半开角内定位精度统计结果.其中79潜次12:30前后，超短基线接收不到同步时钟信号.将同步信号传输线缆拔下重新插入后，回去正常，但因存在电位差，可能导致同步时钟发生一定漂移.第81潜次母船和潜水器同步时钟对钟不正确，导致潜水器入水后超短基线的问题的定位结果不正确.经过计算，获取两同步时钟的时间差，调整后重新输出至超短基线定位系统，定位结果回复正常.第84潜次11:30前后，姿态传感器出现故障，输出的母船姿态信息不正确，经过调整后，姿态传感器功能恢复正常.
超短基线定位系统用于水面支持母船对大深度载人潜水器的定位，水面支持母船可以实时监控潜水器相对于水面支持母船的位置和相对于大地的坐标，及时采取措施.定位数据通过水声通信机发送给潜水器，用于水下导航.为保证水下定位精度和可靠性，在超短基线定位系统实施正常的定位作业之前，必须进行船载声基阵安装偏差的海上标定试验.超短基线定位系统海上标定试验主要包括母船本体噪声测量、海上标定试验和定位精度复核试验. 2014年蛟龙号超短基线定位系统南海海上标定试验表明，±32°圆锥角内，超短基线定位精度为斜距的0.23%，数据有效率达98.7%，满足蛟龙号下潜作业要求.在2014～2015年蛟龙号试验性应用航次第一航段10个潜次的下潜作业过程中，超短基线定位系统较好的实现了对潜水器下潜、海底作业、上浮全过程的水下位置的跟踪，定位性能(相对斜距误差、相对深度误差、数据有效率)与定位精度复核试验结果一致。
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