王德剛, 韓富江, 來向華, 茍諍慷, 傅曉明

（國家海洋局 第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012）

超短基線定位原理及校正方法研究

王德剛, 韓富江, 來向華, 茍諍慷, 傅曉明

（國家海洋局 第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012）

通過探討超短基線和 GPS技術相結合的三維立體定位原理, 分析超短基線定位誤差來源, 如安裝偏差、聲速誤差、船姿態(tài)變化引起的偏差等, 利用以最小二乘法為理論基礎的動態(tài)校正法對超短基線定位誤差進行了修正, 將校正前后的定位數(shù)據(jù)標準偏差和剩余偏差處理后對比發(fā)現(xiàn), 這種方法可以極大地提高水下目標定位的精度, 減少定位的誤差, 這也在實際應用中得到驗證。實現(xiàn)對超短基線定位數(shù)據(jù)的有效校正將極大地擴展超短基線在海洋科學研究和海洋勘探開發(fā)活動水下定位領域的應用,對提高水下目標的定位精度具有重要的現(xiàn)實意義。

超短基線系統(tǒng); 水下定位; 誤差分析; 動態(tài)校正

近年來, 隨著海洋科學研究和海洋勘探開發(fā)活動對數(shù)據(jù)的精度要求越來越高, 需要對水下工作的拖體（聲納拖魚、水下機器人等）進行精確定位。當前主要采用兩種手段進行水下定位, 一種是LAYBACK方式[1], 方法較簡單, 但定位效果不理想,主要由于拖體與 GPS天線的方位和距離偏差受船速、航向和流速等因素影響較大; 另一種是利用水聲技術進行水下定位, 可以達到較高的精度要求。

高精度水下聲學定位系統(tǒng)是許多高新技術的集成, 根據(jù)基線長度的不同以及工作原理和作用范圍的區(qū)別, 可以分為長基線（long base line）、短基線（short base line）和超短基線（ultra short base line, 簡稱USBL） 3種定位技術[2]。長基線方法定位精度高,但設備龐大, 布放過程復雜; 短基線定位方法的設備和布放較簡單, 但精度不高; 超短基線水聲定位系統(tǒng)以其成本低、便攜性強、靈活性高和操作簡單等優(yōu)點,在海洋工程、海洋礦產資源、水下考古、海洋國防建設等領域中得到了廣泛的應用。由于超短基線定位存在一定的偏差而影響水下目標定位的精度, 為減小超短基線的定位誤差, 本文利用以最小二乘法為理論基礎的動態(tài)校正法對定位數(shù)據(jù)進行了處理, 通過實例驗證這種方法是有效和可行的, 對提高水下目標定位的精度具有重要的意義。

1 超短基線系統(tǒng)定位原理

超短基線定位系統(tǒng)由發(fā)射基陣、應答器、接收基陣組成。收發(fā)基陣安裝在同一探頭上, 應答器固定在水下拖體上。系統(tǒng)通過測定聲單元的相位差來確定換能器到目標的相對方位角; 換能器與目標的距離通過測定聲波傳播的時間, 再用聲速剖面修正波束線, 最終確定聲基陣與水下拖體目標的相對距離,從而確定目標的相對位置（圖1）。

圖1 超短基線水下定位原理圖及坐標系統(tǒng)Fig. 1 USBL underwater positioning schematic diagram and related coordinate systems

基陣坐標系中,θ為目標方位角,r為目標水平斜距,α，β，R為測量值, 可計算目標的相對位置參數(shù)[3]:

超短基線定位系統(tǒng)要測量水下目標的絕對位置（地理坐標）, 需將超短基線系統(tǒng)與DGPS系統(tǒng)、船姿態(tài)傳感器系統(tǒng)及電羅經系統(tǒng)結合在一起（圖 2）, 其中DGPS系統(tǒng)用于測得船只所在位置大地坐標, 運動傳感器和電羅經用于獲取測量船每個時刻的橫搖（roll）、縱搖（pitch）及船艏向（yaw）資料, 用于實時校正超短基線的姿態(tài), 安裝后需精確測量各個傳感器之間的三維距離, 根據(jù)傳感器之間的位置關系, 進行坐標轉換, 最終可實現(xiàn)水下運動拖體的三維實時高精度定位。

圖2 超短基線水下定位系統(tǒng)框架圖Fig. 2 USBL underwater positioning system frame diagram

在整個集成系統(tǒng)中需建立 3個坐標系, 大地坐標系、船坐標系及聲基陣坐標系（圖1）。以向下與船甲板垂直方向為Z軸, 船艏方向為X軸, 依照右手原則建立船坐標系, 且船坐標系與聲基陣坐標系原點為同一點, 這樣可避免坐標的平移產生, 有利于下文的計算與坐標轉換。聲基陣探頭在船坐標系中的值為再利用船上羅經和運動傳感器可得到的橫搖角αm、縱搖角mβ、船航向角mλ, 聲基陣探頭在大地坐標中的位置計為根據(jù)坐標旋轉原則[4]確定聲基陣大地坐標值為:

其中

在聲基陣探頭理想安裝狀態(tài)下, 利用 USBL定位結果及水下運動目標的方位角, 通過式（3）可將水下目標的位置信息轉換到大地坐標系統(tǒng)中, 得到水下目標的絕對位置。

2 誤差分析與系統(tǒng)校正

2.1 誤差分析

影響超短基線定位系統(tǒng)精度的主要因素有系統(tǒng)自身誤差、海洋環(huán)境參數(shù)測量誤差、波浪引起的船姿態(tài)偏差及聲學基陣帶來的偏差等[5]。

聲學基陣探頭、DGPS、電羅經等儀器本身的絕對誤差, 按照儀器相關校正方法進行校正即可; 海洋環(huán)境參數(shù)測量誤差主要是水體聲速剖面的變化所引起的距離測量偏差, 需使用聲速剖面儀得到工作水域的聲速變化曲線, 在計算水下目標距離時進行校正; 船姿態(tài)引起的偏差校正,主要是利用運動傳感器測量得到船橫搖、縱搖及電羅經得到的船艏向數(shù)據(jù), 實時校正由于波浪引起的船姿態(tài)變化對基陣探頭的影響。需要特別指出的是, 聲學基陣安裝偏差是超短基線定位系統(tǒng)的主要誤差來源, 在使用前必須進行校正。

2.2 系統(tǒng)校正

超短基線定位系統(tǒng)的聲學基陣在測量船上安裝是有方向性的, 由于在安裝時, 基陣坐標系與船心坐標系之間不可能完全重合, 存在系統(tǒng)性偏差, 要保證獲取高精度的定位數(shù)據(jù), 必須進行校準改正。根據(jù)基陣安裝偏差的方向可以分為橫向偏差（roll error）、縱向偏差（pitch error）和船向偏差（yaw error） （圖3）。

聲基陣安裝偏差校正應在工作區(qū)域附近進行,將應答器（信標）連接重塊釋放到海底, 以應答器的位置為圓心, 水深為半徑, 設計6條測線, 測線的長度一般為水深的2～3倍（圖4）, 安裝聲學基陣探頭的船只按照設計的 6條測線的順序航行, 船在航行時盡量保持固定航向, 當船到達測線起點時, 開始記錄數(shù)據(jù), 這樣可以在每個航跡位置確定基陣坐標下的應答器位置, 同時要記錄航跡位置處的 DGPS位置信息和船姿態(tài)數(shù)據(jù)。

圖3 超短基線聲基陣安裝偏差Fig. 3 The installation errors of USBL probe

圖4 超短基線安裝校正測線布設圖Fig. 4 The lateral line diagram of USBL installation correction

R1為聲學基陣向大地坐標變換的旋轉矩陣,R2為聲學基陣坐標系向船坐標系轉換的旋轉矩陣。其中:

為安裝偏角的旋轉矩陣, （α,β, ）γ分別為聲基陣安裝的橫向偏差、縱向偏差及船向偏差。

由最小二乘法可以得到由探頭安裝偏差所帶來的旋轉矩陣R2, 即可求出姿態(tài)角的偏差（α,β, ）γ[6-8]。

3 實例分析

國家海洋局第二海洋研究所承擔的亞洲內環(huán)海底光纜系統(tǒng)海洋路由調查項目中, 使用了HIPAP350P超短基線定位系統(tǒng)用于側掃聲納拖魚的水下定位。在南海工作區(qū)域, 利用上述方法對超短基線的安裝偏差進行了校正, 總共采集數(shù)據(jù)918組,使用數(shù)據(jù)772組, 占整個數(shù)據(jù)的84%, 利用上述系統(tǒng)動態(tài)校正方法得到以下結果: 超短基線的橫向偏差 為 ?0.952°, 縱 向 偏 差 為 2.136°, 船 向 偏 差 為3.584°。

將校正后和校正前的定位數(shù)據(jù)對比（圖5）可以發(fā)現(xiàn), 校正后的數(shù)據(jù)偏差都集中在零點附近, 通過數(shù)理統(tǒng)計可得X,Y,Z的標準偏差分別為4.31, 4.31和5.87 m, 由剩余偏差統(tǒng)計圖可得知其基本服從標準正態(tài)分布, 校正效果良好。其后工作中利用校正的HIPAP350P進行水下側掃聲納拖魚的定位, 通過多種資料對比結果表明, 其定位效果良好, 這也證明了該校正方法的有效性。

4 結論

超短基線水聲定位系統(tǒng)和差分式全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（DGPS）組成的測量系統(tǒng)可以有效地解決水下和海底目標的高精度定位問題。整個系統(tǒng)的構成簡單, 操作方便,測距精度高, 不需要組建水下基線陣; 系統(tǒng)的主要缺點是仍需要做大量的校準工作, 測量目標的絕對位置精度依賴于外圍設備精度——全球差分定位系統(tǒng)（DGPS）、電羅經（GYRO）、運動傳感器（VRU）等。但隨著多種類型基線集成使用系統(tǒng)（如超短基線和短基線、長基線組合定位）、多傳感器集成技術的出現(xiàn)（如法國 IXSEA公司的GAPS 超短基線系統(tǒng), 探頭內集成了羅經、運動傳感器等設備）及更優(yōu)秀的數(shù)據(jù)處理算法[9]（如卡爾曼濾波算法）的使用, 確保了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的高精度, 可以更大限度的發(fā)揮超短基線在水下目標位置定位中的應用。

圖5 安裝偏差校正結果統(tǒng)計圖Fig. 5 The stacistical graph of installation error correction

[1] 隋海琛, 劉彥祥, 姜曉暉. 海洋調查中水下目標位置的確定[J]. 海洋測繪, 2004, 24（3）: 32-34.

[2] 李守軍, 包更生, 吳水根. 水聲定位技術的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].海洋技術, 2005, 24（1）: 130-135.

[3] 喻敏, 惠俊英, 馮海泓, 等. 超短基線系統(tǒng)精度改進方法[J]. 海洋工程, 2006, 24（1）: 86-91.

[4] 張煒, 王大成. 水下和海底大地坐標的精確測量[J].應用科技, 2003, 30（9）: 19-21.

[5] Philip D R. An evaluation of USBL and SBL acoustic systems and the optimisation of methods of calibration[J]．The Hydrographic Journal, 2003, 108:10-25．

[6] 鄭翠娥, 孫大軍, 張殿倫, 等. 超短基線定位系統(tǒng)安裝誤差校準技術研究[J]. 計算機工程與應用, 2007,43（8）: 171-173.

[7] Takuji Y, Masataka A. Error evaluation in acoustic positioning of a single transponder seafloor crustal deformation measurements[J].Earth, Planets and Space,2002, 54（9）: 871-881.

[8] Angelis C M, Whitney J. Adaptive calibration of an autonomous underwater vehicle navigation system [J].IEEE, 2000, 1: 273-275.

[9] 郭紀捷. 水下拖體聲學超短基線定位測量及其卡爾曼濾波技術[J]. 海洋技術, 2002, 21（1）: 7-11.

Received: Aug., 3, 2009

Key words:ultra short base line; underwater positioning; error analysis; dynamic correction

Abstract:Three dimension location theory based on USBL and GPS principle was discussed and also the resources of USBL positioning data errors such as installation error, acoustic error and the error caused by ship attitude movement were analyzed in the paper. Dynamic correction which based on the least square method was used to modify the USBL positioning errors. Comparing the standard deviation and residual analyzed on the pre and post positioning data, the method improved the underwater positioning precision to a great extent which was proved in practice. The application of USBL positioning data modification in effect would expand the USBL usage in the marine investigation science area and also had important practical significance in the improving of underwater positioning precision.

（本文編輯:劉珊珊）

The localization theory and corresponding correction methods of USBL

WANG De-gang, HAN Fu-jiang, LAI Xiang-hua, GOU Zheng-kang, FU Xiao-ming
（Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012, China）

P229

A

1000-3096（2011）02-0077-05

2009-08-03;

2010-12-13

國家自然科學基金資助項目（40476032）; 國家海洋局第二海洋研究所基本科研業(yè)務費專項（JG0911, JG0913）

王德剛（1981-）, 男, 山東德州市人, 碩士, 主要從事海洋工程地球物理技術研究, E-mail: DeGang_W@163.com