郝艷楠

摘要：科考船是裝配多種調(diào)查設(shè)備，集成多種傳感器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測和數(shù)據(jù)處理的水上移動(dòng)測量平臺(tái)。本文基于科考船船體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了構(gòu)建船體坐標(biāo)系的方法，便于使用全站儀等設(shè)備進(jìn)行測量。

關(guān)鍵詞：科考船;傳感器;安裝位置;偏角測定

隨著越來越多的專業(yè)科考船在水運(yùn)和海洋調(diào)查中投入使用，為實(shí)現(xiàn)高精度的測量成果，精確測定眾多傳感器在船體中以及相互之間的位置和偏角關(guān)系，是目前科考船行業(yè)中亟待解決的問題之一。目前各種傳感器的測量精度越來越高，傳感器在船體坐標(biāo)系中安裝位置和偏角的測量精度已成為制約最終測量成果精度的主要因素之一。

一、科考船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

綜合科考船能夠滿足海洋工程、海道測量、海洋生物、地球物理和海洋地質(zhì)等多學(xué)科測量需求。目前我國已有多艘現(xiàn)代化綜合科考船相繼下水，以“向陽紅01”、“向陽紅03”和“嘉庚”號(hào)等為代表，遠(yuǎn)赴極地和各大洋開展海洋調(diào)查工作。出于水上測量目的，與其他游輪和貨輪不同，科考船在結(jié)構(gòu)上往往具備以下共性：1）為滿足拖曳設(shè)備或水底取樣設(shè)備的收放，綜合科考船均具備更大的前后甲板作業(yè)空間，且后作業(yè)甲板往往較低，距離吃水面較近;2）為保證各種天線的信號(hào)接收強(qiáng)度和避免天線之間的干擾，科考船往往具備更高的桅桿，且桅桿上裝備有更多的天線和傳感器;3）為滿足部分設(shè)備室內(nèi)、振動(dòng)小、恒溫等條件，科考船往往在靠近船體重心位置有專門的儀器室放置AHRS系統(tǒng)、姿態(tài)傳感器和重力儀等設(shè)備;4）為保證船體有足夠空間安裝聲學(xué)換能器陣列，科考船船底設(shè)計(jì)有專門的換能器區(qū)域，或具備導(dǎo)流罩或Gondola結(jié)構(gòu)體，這些結(jié)構(gòu)體下表面較大且平坦。

二、船載測量傳感器類型

根據(jù)傳感器的用途，可以將科考船上的傳感器分為GNSS接收機(jī)、AHRS姿態(tài)傳感器和聲學(xué)換能器傳感器3類。GNSS接收機(jī)裝在船舶桅桿上，具有很好的對(duì)空通視條件。例如Veripos LD7，Seapath320等成對(duì)GNSS接收機(jī)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后還具備提供船舶首向功能，天線對(duì)之間基線越長，所提供的首向精度越高，前提是需要精確測定天線對(duì)方向和船首向之間的夾角關(guān)系。Veripos LD7標(biāo)稱測量精度如表1所示：姿態(tài)傳感器體積小，一般安裝在靠近船體重心且震動(dòng)較小的位置，實(shí)時(shí)精確提roll，pitch和heave值。OCTANCE，PHINS和MRG等還可提供首向值Head-ing，經(jīng)過精確測量確定姿態(tài)傳感器單元首向和船體首向的安裝偏差后，即可實(shí)時(shí)獲得船體首向。聲學(xué)換能器是海洋調(diào)查中非接觸式探測的最常用傳感器，多用于單波束、多波束測深儀、淺地層剖面儀、聲學(xué)多普勒測流儀和魚探儀等設(shè)備。

三、傳感器安裝位置和偏角測定

船舶在干船塢內(nèi)進(jìn)行傳感器測量時(shí)可使用具備無棱鏡反射的高精度全站儀觀測，例如萊卡TS50等。

（一）位置測定方法

船塢周圍應(yīng)當(dāng)有至少2個(gè)及以上相距大于100m的C級(jí)GPS網(wǎng)控制點(diǎn)，根據(jù)船體結(jié)構(gòu)和船塢實(shí)地情況，在船舶周圍和船上選擇設(shè)站點(diǎn)，并做好標(biāo)識(shí)，開展閉合導(dǎo)線或附合導(dǎo)線控制測量。經(jīng)聯(lián)測已知點(diǎn)或方位，平差計(jì)算后得到各設(shè)站點(diǎn)坐標(biāo)。船舶內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，位于船艙內(nèi)的傳感器往往無法在導(dǎo)線點(diǎn)上直接觀測到，因此需要布設(shè)支導(dǎo)線進(jìn)行坐標(biāo)和方位傳遞。傳感器自身測量中心有的位于傳感器內(nèi)部，需根據(jù)設(shè)備規(guī)格進(jìn)行偏心測量，利用外部觀測點(diǎn)和傳感器內(nèi)部測量中心的幾何關(guān)系歸算到傳感器測量中心，有的設(shè)備測量中心位于傳感器外表面，且有明確標(biāo)識(shí)，對(duì)于安裝在桅桿上且只需要測定船體坐標(biāo)系中位置的GNSS天線，可使用全站儀無棱鏡模式在多個(gè)導(dǎo)線點(diǎn)上多次觀測，無需架設(shè)棱鏡測量，因?yàn)闊o棱鏡測量精度要遠(yuǎn)高于GNSS接收機(jī)的定位精度。對(duì)于能提供艏向的GNSS接收機(jī)對(duì)，若使用無棱鏡模式觀測，則經(jīng)觀測計(jì)算得到的天線對(duì)方位的精度應(yīng)高于天線對(duì)自身提供的艏向精度。對(duì)于其他傳感器，根據(jù)儀器測量精度選擇是否使用無棱鏡模式觀測。

（二）安裝偏角測定方法

傳感器安裝偏角分為Yaw，Roll和Pitch三種，這3種安裝偏角均為歐拉角。不同傳感器均有各自定義的測量坐標(biāo)系，有的傳感器坐標(biāo)軸指向與船體坐標(biāo)系指向有所不同，姿態(tài)傳感器和聲學(xué)換能器上均有明確標(biāo)識(shí)。Yaw安裝偏角指的是傳感自身的首向所指的地理北方位和船舶首向（X軸）所指的地理北方位之間的偏差;Roll安裝偏差指的是傳感器在左右舷方向的坐標(biāo)軸與船體坐標(biāo)系Y軸之間的未對(duì)齊偏差;Pitch安裝偏角指的是傳感器在豎直方向的坐標(biāo)軸與船體坐標(biāo)系Z軸的未對(duì)齊偏差。

（1）PHINS/OCTANS安裝偏角測定方法

PHINS和OCTANS不僅可以輸出roll，pitch和heave等姿態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)可以輸出yaw首向數(shù)據(jù)。Yaw，roll和pitch的安裝偏角測定流程如下：

1）首先在PHINS和HYDRINS的配置軟件中，將所有的安裝偏差設(shè)置為0;

2）使用全站儀測得FRO和A的坐標(biāo)或在FRO和A架設(shè)RTK，進(jìn)行RTK基線測量確定船體首向 ，同時(shí)記錄PHINS和OCTANS的首向數(shù)據(jù)heading，觀測一段時(shí)間后分別取平均值 ，2組數(shù)據(jù)平均值之差就是PHINS和HYDRINS的首向安裝偏差： ;

3）測定FRO-A的方位 后，在過FRO且方位為（ ）的方向上找一標(biāo)識(shí)點(diǎn)S，則向量FRO-S在XOY平面上的投影即為船體坐標(biāo)系Y軸的方向向量;

4）將步驟2計(jì)算得到的 偏差 輸入到PHINS和OCTANS的配置軟件中，計(jì)算XOY平面沿著船首向 的傾角p，同時(shí)記錄PHINS和OCTANCS輸出的 姿態(tài)角，取一段觀測時(shí)間的平均值 與p作差，即得到角安裝偏差 ;

5）將步驟2和步驟3中得到的 和 輸入到PHINS和OCTANCS的配置軟件中。類似地，求得XOY平面沿Y軸的傾角r。測量過程中同時(shí)記錄PHINS和OCTANS輸出的roll數(shù)據(jù)，取一段觀測時(shí)間的平均值 與r作差，即得到roll角安裝偏差 ;

6）至此，完成PHINS和OCTANS的安裝偏角測定，上述觀測順序不可更換。

（2）聲學(xué)換能器安裝偏角測定方法

聲學(xué)換能器因尺寸較大，且設(shè)備規(guī)格書中嚴(yán)格定義了坐標(biāo)軸向，可借助換能器安裝支架和換能器邊緣的螺桿作為參考點(diǎn)進(jìn)行觀測和計(jì)算。換能器安裝偏角測量方法如下：

1）首先在換能器各軸向方向分別測定至少2個(gè)及以上點(diǎn)坐標(biāo)，并計(jì)算出測點(diǎn)在船體坐標(biāo)系下的坐標(biāo) ;

2）利用換能器首向方向上點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算出換能器首向和船體首向之間的夾角，即換能器首向安裝偏差△yaw;

將換能器表面上所有觀測點(diǎn) 繞Z軸旋轉(zhuǎn)△yaw后得 ：

4）利用旋轉(zhuǎn)后換能器首向上的測點(diǎn) 求出換能器首向軸與XOY平面的夾角，即pitch安裝偏差△pitch;

5）將換能器表面上所有觀測點(diǎn)坐標(biāo) 繞X軸旋轉(zhuǎn)△pitch，即按照如下旋轉(zhuǎn)關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，求得各測點(diǎn)坐標(biāo) ;

6）利用旋轉(zhuǎn)后換能器首向上的測點(diǎn) 求出換能器X軸與XOY平面的夾角，即roll安裝偏差△roll;

7）至此，各換能器與船體坐標(biāo)系的安裝偏角均已經(jīng)測量和計(jì)算得出。

針對(duì)科考船上多種測量傳感器的安裝位置和安裝偏角難以精確測定的問題，提出根據(jù)科考船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和各傳感器類型特征構(gòu)建船體坐標(biāo)系的基本方法，給出使用高精度全站儀測定各傳感器在船體坐標(biāo)系中的安裝位置和安裝偏角的原理及流程，并對(duì)大型聲學(xué)換能器陣列平整度的測量給出方法和具體實(shí)施方案。

參考文獻(xiàn)

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