由a、b两个换能器（声学基元）构成一个声学基线，基线长度为d，假定探测目标与基线中点O的连线方向与基线方向的夹角为θ（图4-16），则要解决的问题即测定该方向值。

图4-16　声学测向原理示意图

对于位于远程的探测目标（应答器），无论声学基阵中哪一基元作为参考基元向目标应答器发射了声学询问信号，由应答器返回的声信号的波阵面均可认为以PO方向为中轴线，即对不同的接收基元而言，声波被当作平行波。因此，a、b基元对接收声波的波程差为dcosθ，对应的相位差为：

因此，通过相位差检测可实现目标定向。

USBL系统由声基阵、声信标、主控系统和外部设备等组成（冯守珍等，2002），将声基阵集成到一个换能器中，声信标内置电源、收发电路、应答器和压力传感器等，外部设备主要包括GNSS接收机、MRU、Gyro等（有些产品将后两种设备内置）。声基阵置于船底或船舷，声信标装在水下目标上，测定声信标与声基阵不同水听器之间的距离和声脉冲到达的相位差来确定声信标相对于声基阵的位置（图4-17）。

图4-17　超短基线定位系统

USBL系统声基阵一般由发射换能器和相互正交的水听器组成，基阵孔径为几厘米至几十厘米，声单元之间的相互位置精确测定，组成声基阵坐标系，其与船体坐标系之间的关系在安装时精确测定。几种常见的超短基线声基阵如图4-18所示。

图4-18　USBL系统常见的接收基阵

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图4-19　USBL系统定位原理图

USBL系统的工作方式是距离和角度测量，以包含三个声单元的声基阵为例来说明，如图4-19所示，三个声单元AOB垂直分布，目标点坐标为P （x，y，z ），则有：

假设阵元间距d＝dx＝dy，由于声基阵的尺寸很小，在平面波近似下，方向余弦为：

式中，c为声速值，Δt为两个声基元接收信号的时间差，λ为波长，Δφx为x轴相邻阵元接收信号相位差，Δφy为y轴相邻阵元接收信号相位差。式（4.78）代入式（4.33）可得：

对上式求微分：

在求得在所定义的参考坐标系中的目标位置后，根据测量载体的位置及姿态（特别是航向）信息，可以将目标位置转换至大地坐标系。根据式（4.80），定位精度与距离及相位测量误差直接相关，船（声基阵）越接近目标上方且距离越近，定位精度越高；相反，若水平位移越大且水越深，则定位精度越低。

USBL系统的优点是价格低廉，系统操作简便，安装方便；缺点是系统校准精度要求高，测量目标的绝对位置精度依赖于外部设备的精度。它主要应用于水下拖体定位跟踪、ROV定位导航、水下潜员跟踪定位、AUV定位跟踪及遥控、导管架角度遥测等。

USBL技术是近十多年来国内外研究的热点，技术逐步成熟，目前定位精度约为斜距的2%～5%。20世纪90年代后期国际上推出的商业产品，主要有挪威Kongsberg Simrad公司、法国IXSEA公司、英国Sonardyne公司的产品（郑翠娥，2007）。