基于長(zhǎng)基線水聲定位系統(tǒng)水下定位技術(shù)初步應(yīng)用研究

田春和，秦建

（1.山東省高校海洋測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山東科技大學(xué)），青島266590；2：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456）

基于長(zhǎng)基線水聲定位系統(tǒng)水下定位技術(shù)初步應(yīng)用研究

田春和1,2，秦建2

（1.山東省高校海洋測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山東科技大學(xué)），青島266590；2：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456）

長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)（Long Baseline），簡(jiǎn)稱LBL，是一種高精度深水水下定位系統(tǒng)。文章在介紹了國(guó)內(nèi)外LBL發(fā)展現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，通過(guò)松花湖LBL水下定位系統(tǒng)試驗(yàn)，介紹了其定位理論和方法，解決了50m水深海底信標(biāo)布放、固定及回收問(wèn)題，探索了海底應(yīng)答器相對(duì)校準(zhǔn)（基線校準(zhǔn)）、絕對(duì)校準(zhǔn)方法，確定了定位標(biāo)的跟蹤定位方式，形成了相對(duì)完整的LBL水下定位流程和方法體系，得到了高精度水下定位數(shù)據(jù)，為實(shí)際工程應(yīng)用提供了真實(shí)的理論基礎(chǔ)。

長(zhǎng)基線水聲定位系統(tǒng)；相對(duì)校準(zhǔn)；絕對(duì)校準(zhǔn)；跟蹤定位

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)能源的需求，近年來(lái)人類已經(jīng)將注意力越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向海洋資源的開(kāi)發(fā)和利用。水下定位技術(shù)為海洋開(kāi)發(fā)和科學(xué)研究提供基礎(chǔ)保障作用。在海洋石油開(kāi)發(fā)中的井口重入、水下油氣管道的布設(shè)、水下電纜的鋪設(shè)、水下救險(xiǎn)、沉船打撈、水下機(jī)器人定位、靶場(chǎng)定位、潛水員定位以及航道異物清除等都要用到水下定位技術(shù)。

長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)（Long Baseline），簡(jiǎn)稱LBL，是利用測(cè)量水下目標(biāo)聲源到各個(gè)基元的時(shí)間差,解算目標(biāo)的方位和距離，最終得出目標(biāo)精確的三維位置，為水下施工提供精確的定位服務(wù)。長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)基線長(zhǎng)度可達(dá)到100～6 000m，以其定位精度高，工作范圍大而備受關(guān)注，而現(xiàn)在國(guó)內(nèi)對(duì)于長(zhǎng)基線的工程實(shí)際應(yīng)用還沒(méi)有普及，長(zhǎng)基線水聲定位系統(tǒng)通常伴隨ROV一起應(yīng)用于實(shí)際工程中，市場(chǎng)潛力巨大，效益非常可觀，所以，長(zhǎng)基線水聲定位系統(tǒng)的應(yīng)用具有重要意義。

1958年，由華盛頓大學(xué)的應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室建成的4個(gè)水聽(tīng)器組成的三維坐標(biāo)跟蹤水下武器靶場(chǎng)，為L(zhǎng)BL水下定位系統(tǒng)的雛形［1］。USBL與LBL綜合定位系統(tǒng)是水下聲學(xué)定位系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的最新應(yīng)用，提高了定位精度和系統(tǒng)可靠性的同時(shí)，也擴(kuò)大了水下聲學(xué)定位技術(shù)的不同需求和應(yīng)用范圍。20世紀(jì)80年代初，為了對(duì)目標(biāo)實(shí)施精確導(dǎo)航及軌跡測(cè)量，國(guó)內(nèi)靶場(chǎng)首次引進(jìn)了法國(guó)Oceano公司的LBL系統(tǒng)［2］。哈爾濱工程大學(xué)交付海軍使用的GRAT LBL水下定位系統(tǒng)開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)開(kāi)展LBL系統(tǒng)研制的先河［2］。荀俊姑、郭紀(jì)捷等圍繞有關(guān)聲線修正方法，提出了基于平均聲速迭代算法進(jìn)行聲線修正的思想和方法［3］。李莉、王先華根據(jù)長(zhǎng)基線同步定位原理對(duì)測(cè)陣方法進(jìn)行了仿真研究［4-5］。高劍等在未校準(zhǔn)前提下提出基于地圖創(chuàng)建和無(wú)跡卡爾曼同步定位方法，輸出了高精度LBL跟蹤定位結(jié)果［6］。

1 LBL系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 LBL系統(tǒng)組成

LBL包括三大部分：在船舶上的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；安裝在定位目標(biāo)或船舶上的聲學(xué)收發(fā)器（transducer）；另一部分是布放在海底由多個(gè)收發(fā)應(yīng)答器組成的定位基陣。由應(yīng)答器之間的距離構(gòu)成基線，長(zhǎng)基線水聲定位系統(tǒng)通過(guò)測(cè)定聲學(xué)收發(fā)器和應(yīng)答器之間的距離或者應(yīng)答器與跟蹤定位應(yīng)答器之間的距離，利用前方交會(huì)或后方交會(huì)算法，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位。

除了上述三大主要部分外，根據(jù)LBL絕對(duì)定位要求，長(zhǎng)基線水聲定位系統(tǒng)還需要其他外圍支持設(shè)備：定位系統(tǒng)GNSS、電羅經(jīng)、姿態(tài)補(bǔ)償裝置等。此外，聲速剖面儀也是聲學(xué)系統(tǒng)不可或缺的設(shè)備。

1.2 LBL工作原理

長(zhǎng)基線系統(tǒng)包含兩部分，分別是收發(fā)器部分和應(yīng)答器部分。收發(fā)器部分是安裝在船只上或水下機(jī)器人上；應(yīng)答器部分是安裝在一系列固定海底位置，各個(gè)應(yīng)答器之間的距離構(gòu)成基線。與超短基線和短基線相比，長(zhǎng)基線的基線長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在百米到幾千米之間。長(zhǎng)基線水聲定位系統(tǒng)主要是通過(guò)測(cè)量收發(fā)器和應(yīng)答器之間的距離，采用測(cè)量中的前方或后方交會(huì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位。系統(tǒng)的工作方式是距離測(cè)量。

實(shí)際工作時(shí)，既可利用一個(gè)應(yīng)答器進(jìn)行定位，也可以同時(shí)利用兩個(gè)、三個(gè)或更多的應(yīng)答器來(lái)進(jìn)行測(cè)距定位。用一個(gè)應(yīng)答器定位方法，是以船速、航向誤差較小為前提，定位精度不高，而實(shí)際工作中，運(yùn)用三個(gè)以上應(yīng)答器進(jìn)行跟蹤定位，產(chǎn)生多余觀測(cè)值，從而得到更高相對(duì)定位精度。本文以三個(gè)水下應(yīng)答器來(lái)說(shuō)明長(zhǎng)基線水下定位系統(tǒng)的工作原理。

如圖1所示，以x、y、z來(lái)表示跟蹤目標(biāo)的三維坐標(biāo)；以(xi,yi,zi),i=1,2,3表示已知的水下信標(biāo)Ti的坐標(biāo)，Ri(i=1,2,3)為跟蹤目標(biāo)與水下信標(biāo)的距離。由跟蹤目標(biāo)到水下應(yīng)答器的空間交會(huì)距離可知方程（1）

不過(guò)，劉霆在報(bào)告中也指出，2017年，我國(guó)人均年飲料消費(fèi)量約為130公斤，其中包裝飲用水消費(fèi)量占比接近53%。若不含包裝飲用水的人均年消費(fèi)量為61公斤，尚低于每年90公斤的世界平均水平，更遠(yuǎn)低于歐美國(guó)家人均消費(fèi)水平。

求解方程組即可得到跟蹤目標(biāo)的x、y、z三維位置。根據(jù)測(cè)量平差原理，實(shí)際應(yīng)用中,需要接收4個(gè)以上海底應(yīng)答器的信號(hào),產(chǎn)生多余觀測(cè),從而滿足最小二乘平差計(jì)算，提高測(cè)量的精度。

圖1 長(zhǎng)基線定位示意圖Fig.1 Sketch of LBL positioning system

2 LBL系統(tǒng)工作流程

本次試驗(yàn)設(shè)備主要包括LBL定位系統(tǒng)、RTK雙頻GPS接收機(jī)、VRU、Gyro、多波束測(cè)量系統(tǒng)、聲速剖面儀、導(dǎo)航軟件等。首先將LBL收發(fā)器用鋼管固定并放置在船舷遠(yuǎn)離噪聲的地方，使換能器過(guò)船底；通過(guò)電纜把換能器與甲板單元連接，并通過(guò)串口線使甲板單元與導(dǎo)航機(jī)相連；采用SeatexmRU?05姿態(tài)傳感器，Pitch/ Roll測(cè)量精度為±0.05°，Heave測(cè)量精度±5 cm，TSS電羅經(jīng)測(cè)量精度為±0.1°，為L(zhǎng)BL船載換能器提供姿態(tài)補(bǔ)償數(shù)據(jù)。GPS采用Leica GPS1200雙頻RTK，用于LBL船載換能器定位及基準(zhǔn)傳遞。

工作過(guò)程包括：準(zhǔn)備工作、水底基陣設(shè)計(jì)、基陣布放校準(zhǔn)、跟蹤定位、數(shù)據(jù)處理等，其中，準(zhǔn)備工作內(nèi)容為GPS基準(zhǔn)站點(diǎn)位測(cè)量、設(shè)備安裝、多波束地形測(cè)量；基陣設(shè)計(jì)內(nèi)容有單個(gè)水下信標(biāo)的固定支架設(shè)計(jì)，布放地形選擇，根據(jù)地形設(shè)計(jì)集鎮(zhèn)布放位置；基陣布放校準(zhǔn)包括水下信標(biāo)的收放方式、相對(duì)校準(zhǔn)、絕對(duì)校準(zhǔn)及校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理；跟蹤定位為L(zhǎng)BL換能器的跟蹤定位。

2.1 海底基陣網(wǎng)設(shè)計(jì)

根據(jù)工作范圍、現(xiàn)場(chǎng)海域條件和技術(shù)要求，設(shè)計(jì)海底基陣信標(biāo)個(gè)數(shù)、信標(biāo)間距離，同時(shí)根據(jù)信標(biāo)間距離和海底地形高差確定每個(gè)信標(biāo)與海底的距離。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作條件采用絞車布放海底基陣。本次作業(yè)使用5個(gè)信標(biāo)進(jìn)行水下基陣的組成，基陣邊長(zhǎng)為100m。

2.2 海底基陣校準(zhǔn)

海底基陣為L(zhǎng)BL定位提供起算基準(zhǔn)，其精度直接影響定位精度。LBL基陣校準(zhǔn)分為相對(duì)校準(zhǔn)和絕對(duì)校準(zhǔn)。對(duì)于絕對(duì)校準(zhǔn)，如何獲取高精度的陣元絕對(duì)位置是長(zhǎng)基線絕對(duì)校準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是測(cè)繪基準(zhǔn)由水面?zhèn)鬟f到海底的關(guān)鍵技術(shù)。

（1）相對(duì)校準(zhǔn)。首先采用相對(duì)校準(zhǔn)方法，對(duì)海底基陣進(jìn)行校準(zhǔn)，相對(duì)校準(zhǔn)的觀測(cè)值為：水深、基線長(zhǎng)度、海底信標(biāo)的先驗(yàn)坐標(biāo)。為了驗(yàn)證相對(duì)校準(zhǔn)時(shí)，不同信標(biāo)個(gè)數(shù)對(duì)相對(duì)校準(zhǔn)的影響，本次試驗(yàn)進(jìn)行三次相對(duì)校準(zhǔn)試驗(yàn)，得到的平差后校準(zhǔn)精度分別為1.3 cm、1.5 cm、1.6 cm，都達(dá)到了厘米級(jí)精度。（2）絕對(duì)校準(zhǔn)。相對(duì)校準(zhǔn)完成之后，對(duì)基陣選取對(duì)角最長(zhǎng)邊的兩個(gè)海底信標(biāo)進(jìn)行絕對(duì)校準(zhǔn)，海底基陣絕對(duì)校準(zhǔn)采用GNSS定位技術(shù)和聲學(xué)測(cè)距技術(shù)，對(duì)海底基陣陣元進(jìn)行精確定位，得到相應(yīng)的海底陣元絕對(duì)坐標(biāo)，并以該絕對(duì)坐標(biāo)為起算數(shù)據(jù)，在相對(duì)校準(zhǔn)測(cè)邊網(wǎng)平差計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，獲得各陣元絕對(duì)坐標(biāo)。絕對(duì)校準(zhǔn)采用單個(gè)信標(biāo)校準(zhǔn)模式，使用導(dǎo)航軟件指揮測(cè)量船按照一定的圓軌跡，圍繞信標(biāo)進(jìn)行順時(shí)針繞三圈。

選取圓半徑與信標(biāo)深度大致相近的數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計(jì)算，由計(jì)算可以看出，不進(jìn)行粗差提出，結(jié)算所得信標(biāo)絕對(duì)校準(zhǔn)精度為±1m；采用2σ原則剔除粗差，絕對(duì)校準(zhǔn)精度為±1cm，采用1σ進(jìn)行粗差剔除，雖然精度達(dá)到厘米級(jí)，但超過(guò)80%數(shù)據(jù)被剔除，可靠性降低。則采用2σ原則剔除粗差，得到的絕對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)用于后續(xù)跟蹤測(cè)量。

為了驗(yàn)證絕對(duì)校準(zhǔn)中不同方向走航對(duì)校準(zhǔn)精度的影響，分別采用逆時(shí)針、順時(shí)針進(jìn)行絕對(duì)校準(zhǔn)試驗(yàn)，采用2σ進(jìn)行剔除粗差后，平差結(jié)果為：順時(shí)針絕對(duì)校準(zhǔn)精度為1 cm，逆時(shí)針精度為1 cm；順時(shí)針、逆時(shí)針?biāo)袛?shù)據(jù)參與平差后，絕對(duì)校準(zhǔn)精度為0.7 cm，可以看出走航方向?qū)π?zhǔn)精度沒(méi)有太大影響，順時(shí)針和逆時(shí)針數(shù)據(jù)合并解算提高絕對(duì)校準(zhǔn)精度。

2.3 跟蹤定位

跟蹤定位作業(yè)時(shí)，輸入準(zhǔn)確的聲速，通過(guò)水面船只的收發(fā)器對(duì)目標(biāo)上的收發(fā)器下達(dá)測(cè)量指令，選擇參與跟蹤定位的陣元和跟蹤方式，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)始測(cè)距，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至定位軟件，軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，解算目標(biāo)的位置。

本次試驗(yàn)，使用的是高精度RTK定位系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)定位精度在2 cm，GPS基準(zhǔn)站架設(shè)在松花湖邊附近樓頂，距離試驗(yàn)水域1 km左右距離，基準(zhǔn)站點(diǎn)位位置通過(guò)24 hGPS靜態(tài)觀測(cè)，并與IGS長(zhǎng)春站聯(lián)測(cè)得到。

把RTK天線固定在垂直于換能器的位置，并輸入其高度差，把換能器與RTK歸算到同一位置，根據(jù)校準(zhǔn)后的基陣位置，來(lái)跟蹤測(cè)量換能器的實(shí)時(shí)位置，并與RTK天線位置進(jìn)行對(duì)比，用以分析LBL定位系統(tǒng)的跟蹤測(cè)量精度。

3 定位數(shù)據(jù)分析

影響LBL定位的誤差源按影響特性分為偶然誤差、系統(tǒng)誤差和粗差三類，偶然誤差如測(cè)時(shí)誤差、羅經(jīng)方位誤差、姿態(tài)儀誤差等；系統(tǒng)誤差包括GNSS定位誤差、聲速測(cè)量誤差、姿態(tài)儀安裝偏差等；粗差包括多路徑效應(yīng)、異常GNSS定位數(shù)據(jù)、海底基陣變動(dòng)等。上述誤差中，偶然誤差可通過(guò)數(shù)據(jù)處理來(lái)削弱；系統(tǒng)誤差如GNSS定位誤差、聲速測(cè)量誤差，可通過(guò)提高GNSS定位精度、進(jìn)行聲線修正來(lái)削弱；而粗差的影響，除采用嚴(yán)格的觀測(cè)流程消弱之外，還可以采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行消除。

本次數(shù)據(jù)分析所采用的數(shù)據(jù)為松花湖試驗(yàn)其中某一天的觀測(cè)數(shù)據(jù)，布放5個(gè)海底信標(biāo)組成海底基陣，經(jīng)過(guò)相對(duì)校準(zhǔn)和絕對(duì)校準(zhǔn)后，對(duì)換能器進(jìn)行跟蹤定位，并與安裝在LBL換能器正上方的GPS RTK定位數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，在X、Y方向的精度較低，而在Z方向的精度較高，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)條件分析，由于船只橫搖、縱搖引起的在XY平面位置換能器與RTK位置的偏差。如果認(rèn)為大于0.5m的差異為粗差，則剔除粗差可得表2中數(shù)據(jù)。由表2中可以看出，剔除粗差后，在XYZ方向上的精度分別為0.261m、0.224m、0.081m，分別在分米量級(jí)和厘米量級(jí)。說(shuō)明LBL水下定位系統(tǒng)具有較高精度。

表1 換能器跟蹤定位結(jié)果與GPS RTK定位結(jié)果在XYZ三方向差異對(duì)比表Tab.1 Statistical result of transducer and GPS location

表2 剔除粗差的換能器定位結(jié)果與GPS RTK定位結(jié)果在XYZ三方向差異對(duì)比表Tab.2 Statistical result of transducer location without gross error and GPS location

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)介紹了LBL試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備、水下基陣布設(shè)、水下基陣校準(zhǔn)、跟蹤定位整個(gè)過(guò)程。

在此基礎(chǔ)上，探討了不同校準(zhǔn)方法對(duì)校準(zhǔn)精度的影響。在絕對(duì)校準(zhǔn)中，不同數(shù)量的基線參與校準(zhǔn)時(shí)對(duì)相對(duì)校準(zhǔn)精度的影響不同，全部基線參與校準(zhǔn)時(shí)，相對(duì)校準(zhǔn)精度為1.3 cm；對(duì)角線基線不參與解算時(shí)，校準(zhǔn)精度為1.5 cm；相鄰邊基線不參與解算時(shí)，校準(zhǔn)精度為1.6 cm。都達(dá)到了厘米級(jí)精度。絕對(duì)校準(zhǔn)時(shí)，順時(shí)針、逆時(shí)針絕對(duì)校準(zhǔn)精度都為1 cm，當(dāng)同時(shí)參與解算時(shí)精度達(dá)到0.7 cm，精度有所提高，都達(dá)到了厘米級(jí)精度。

在跟蹤定位時(shí)，剔除粗差后定位精度在XYZ分別為0.261m、0.224m、0.081m，由本文的最終結(jié)果看，基于LBL的水下定位系統(tǒng)跟蹤定位結(jié)果，與GPS RTK定位結(jié)果對(duì)比，具有較高的定位精度。論文所試驗(yàn)的LBL精密跟蹤定位理論方法正確，為實(shí)際工程提供了理論基礎(chǔ)。

［1］田坦,劉國(guó)枝,孫大軍.聲納技術(shù)［M］.哈爾濱∶哈爾濱工程大學(xué)出版社,2000.

［2］付進(jìn).長(zhǎng)基線定位信號(hào)處理若干關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.哈爾濱∶哈爾濱工程大學(xué),2007.

［3］荀俊姑,郭紀(jì)捷.深海超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)計(jì)算目標(biāo)水平距離的一種新方法［J］.海洋技術(shù),1997,16（4）∶17-22. XUN J G,GUO J J.A Newmethod tomeasure Horizontal Distance of Target by a Deep Ocean Ultra Short Baseline Acoustic Posi?toning System［J］.Ocean Technology,1997,16（4）∶17-22.

［4］李莉.長(zhǎng)基線陣測(cè)陣校陣技術(shù)研究［D］.哈爾濱∶哈爾濱工程大學(xué),2007.

［5］王先華.長(zhǎng)基線水下跟蹤定位系統(tǒng)測(cè)陣校陣及系統(tǒng)集成［D］.哈爾濱∶哈爾濱工程大學(xué),2004.

［6］高劍,徐德民,嚴(yán)衛(wèi)生,等.應(yīng)答器未校準(zhǔn)情況下的水下長(zhǎng)基線定位方法研究［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,23（6）∶754-758. GAO J,XU Dm,YAN W S,et al.A New and Bettermethod of Underwater LBL Localization with Unsurveyed Transponders［J］. Journal of Northwestern Polytechnical University,2005,23（6）∶754-758.

Applied research of long baseline acoustic positioning system based on underwater positioning technique

TIAN Chun?he1,2，QIN Jian2
（1.Key Laboratory ofmarine Surveying andmapping in Universities of Shandong（Shandong University of Science and Technology）,Qingdao 266590,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Tianjin 300456,China）

Long baseline positioning system,referred to as LBL，is a kind of high precise deep underwater posi?tioning system.Based on analyzing the development situations of LBL,the positioning theory andmethod were stud?ied systematically according to the experiment in Songhua lake,and the problems of seabed beacons laying,fixation and recycle in 50m water depth were solved in this paper.Then relative calibration(baseline calibration)method and absolute calibration(box?in)were explored,and the tracking and positioningmode of localizer was determined. An integrated system and a positioning process of LBL were formed,and the high precise underwater positioning da?ta were obtained.

long baseline acoustic positioning system;relative calibration;absolute calibration;track localiza?tion

P 229

A

1005-8443（2015）03-0268-04

2014-10-09；

2014-11-14

山東省高校海洋測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山東科技大學(xué)）資助項(xiàng)目（2013A01）

田春和（1979-），男，吉林省榆樹(shù)人，高級(jí)工程師，主要從事海洋工程勘察研究工作。

Biography：TIAN Chun?he(1979-),male,senior engineer.