超短基線定位的海上應(yīng)用及精度評估

周紅偉，張國堙，蔡　巍，張　愷

(1.國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012； 2. 國家海洋局 海底科學(xué)重點實驗室，浙江 杭州 310012)

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超短基線定位的海上應(yīng)用及精度評估

周紅偉1,2，張國堙1,2，蔡巍1,2，張愷1,2

(1.國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012； 2. 國家海洋局 海底科學(xué)重點實驗室，浙江 杭州 310012)

超短基線定位系統(tǒng)可以為水下調(diào)查設(shè)備提供精確的定位信息，是當(dāng)今海洋探測工作必不可少的裝備。超短基線定位系統(tǒng)的定位結(jié)果包含了多種來源的誤差影響，對超短基線定位數(shù)據(jù)進行有效的處理是保證水下精確定位的前提。本文通過對超短基線基陣進行校準，并對其定位精度進行精度評估，對海上應(yīng)用采集到的數(shù)據(jù)進行處理分析，對原始數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的跳點進行剔除、濾波處理，得到較可靠的水下定位結(jié)果。

超短基線；水下定位；精度評估；跳點

0　引言

隨著海洋科學(xué)考察以及資源勘探的發(fā)展，水下調(diào)查設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛且重要。在水下調(diào)查作業(yè)中，需要為水下設(shè)備進行定位，提供其地理坐標(biāo)。其中聲學(xué)定位是重要且有效的定位方法，主要包含長基線、短基線以及超短基線定位技術(shù)。長基線系統(tǒng)構(gòu)成組件多，布放較為復(fù)雜，定位精度高；短基線與超短基線基陣尺寸小，安裝較方便，在水下設(shè)備定位中具有廣泛的應(yīng)用。超短基線水聲定位系統(tǒng)確定水下目標(biāo)位置是通過測量信號的到達方位和距離來定位的，而測向任務(wù)是通過測量信號到達接收基陣陣元之間的相位差來實現(xiàn)的，這是超短基線定位系統(tǒng)的關(guān)鍵。目前，法國Ixsea、挪威Simrad、英國Sonardyne等公司[1-2]都推出了中深水的商用超短基線水下聲學(xué)定位系統(tǒng)產(chǎn)品，但對于其數(shù)據(jù)的處理與應(yīng)用則很少提及。國內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)對超短基線定位技術(shù)進行了深入研究，目前已經(jīng)研發(fā)成功可應(yīng)用于深水作業(yè)的超短基線定位系統(tǒng)[3]。超短基線系統(tǒng)在水下作業(yè)過程中，由于背景噪聲以及水下目標(biāo)的運動，會出現(xiàn)無法跟蹤目標(biāo)，出現(xiàn)短暫定位失效問題，造成定位數(shù)據(jù)不連續(xù)，不能完整反映水下目標(biāo)運動軌跡。本文以我國“向陽紅10號”科考船裝備的超短基線為例，在介紹超短基線水下聲學(xué)定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)水下目標(biāo)相對位置在空間和時間上的分布來識別定位跳點，并采用合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法，實現(xiàn)對跳點的剔除，對數(shù)據(jù)缺失點進行插值，得到可信的連續(xù)水下聲學(xué)定位數(shù)據(jù)，基于該技術(shù)還開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件，并在4 500 m級AUV南海海試中得到了良好的應(yīng)用。

1　超短基線水下聲學(xué)定位技術(shù)

超短基線系統(tǒng)由船載部分與水下應(yīng)答器構(gòu)成。船載部分包括電子控制單元和換能器基陣，電子控制單元作為整個系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，負責(zé)系統(tǒng)的運行；換能器基陣由一個發(fā)射換能器基元和4個接收換能器基元構(gòu)成，發(fā)射基元發(fā)射聲信號，接收換能器基元接收來自水下應(yīng)答器的聲信號，當(dāng)水下應(yīng)答器在接收到發(fā)射基元信號后，會發(fā)射應(yīng)答信號，基陣的4個接收基元接收應(yīng)答信號。通過計算不同接收換能器基元接收信號的時間差和相位差，獲得水下應(yīng)答器的具體位置。

超短基線基陣系統(tǒng)通常由一個位于中間的發(fā)射換能器、2組兩兩相距約50 cm的水聽器組成，通過測量水下應(yīng)答器的聲信號到達水聽器的時間差、相位差和目標(biāo)到接收陣之間的斜距進行定位。其定位原理示意圖如圖1所示，圖中Ox、Oy和Oz表示超短基線基陣的三維坐標(biāo)系，r表示水下應(yīng)答器與超短基線基陣之間的距離，θx表示r與x軸的夾角，θy表示r與y軸的夾角。

圖1　超短基線定位原理Fig.1　Positioning principle of USBL

超短基線系統(tǒng)通過測量水下應(yīng)答器到船底換能器基陣的聲波傳播時間來計算目標(biāo)的斜距r，通過測量從目標(biāo)到達基陣各水聽器的聲波相位差來計算目標(biāo)的俯仰角和方位角，從而確定目標(biāo)相對基陣的相對位置。

2　超短基線定位系統(tǒng)的校準和精度評估

本文對安裝在“向陽紅10”號船上的超短基線定位系統(tǒng)進行了校準分析，對采集的原始數(shù)據(jù)的異常值進行剔除、平滑等處理，對其定位精度進行評估。最后將位置信息和深度信息融合，轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)下，生成目標(biāo)體高精度的三維定位數(shù)據(jù)。

2.1校準和精度評估方法

超短基線定位系統(tǒng)在船上安裝好以后，由于安裝在船底的超短基線換能器基陣的三維坐標(biāo)系與船體的三維坐標(biāo)系不一致[4-5]，有所偏差，因此需要通過對基陣的校準來求出基陣坐標(biāo)系相對于船體坐標(biāo)系在X、Y和Z三個方向上的偏差角，確保超短基線定位的可靠性，提高其定位精度。

習(xí)慣上認為基陣的X軸相對船體的偏差角為艏向偏差角、基陣的Y軸相對船體的偏差角為縱搖偏差角、基陣的Z軸相對船體的偏差角為橫搖偏差角。

超短基線基陣進行校準前，先在試驗海域進行CTD聲速剖面測量，給超短基線定位系統(tǒng)提供聲速剖面數(shù)據(jù)；超短基線基陣的校準地點選擇海底較為平坦、水深約1 500 m左右的區(qū)域。開始校準時，將投放于海底的超短基線聲學(xué)應(yīng)答器作為校準應(yīng)答器，保證羅經(jīng)信號中艏向偏差角的精度在0.1°以內(nèi)、縱搖偏差角和橫搖偏差角的精度在0.01°以內(nèi)。然后通過升降桿將超短基線基陣放至船底以下2 m，在系統(tǒng)調(diào)試正常后，為確保工作母船船底聲學(xué)基陣工作的安全穩(wěn)定，工作母船在應(yīng)答器的上方以2～3 kn的速度按照“8”字形的軌跡運動2個周期，第1個周期的數(shù)據(jù)用于計算船底聲學(xué)基陣相對于船體坐標(biāo)系的偏差矩陣，第2個周期的數(shù)據(jù)用于計算船底聲學(xué)基陣坐標(biāo)系相對于船體坐標(biāo)系在3個坐標(biāo)軸方向上每個夾角的偏差?！?”字形的軌跡是為了確保母船的聲學(xué)基陣相對聲學(xué)應(yīng)答器在各個不同的方向和距離上進行測試?？紤]到有效定位數(shù)據(jù)統(tǒng)計需要，并結(jié)合船舶航行經(jīng)濟性，每個“8”字的圓圈直徑約為1 000 m，按照廠家提供的要求[6]，每次計算前保證該“8”字周期內(nèi)的有效數(shù)據(jù)點數(shù)在80%以上才算合格。母船運動軌跡如圖2所示，通過校準以后獲得的校準矩陣用于更新基陣的偏差，基陣經(jīng)過校準后，超短基線的定位精度必須達到斜距的0.3%以內(nèi)。

圖2　基陣校準時的母船運動軌跡示意圖Fig.2　Motion trajectory of vessel in acoustic antennacalibration

2.2校準和精度評估數(shù)據(jù)分析

2015年7月，選擇在南海進行超短基線基陣的校準及精度評估試驗，在良好的海況下，取得2組“8”字數(shù)據(jù)，列為A、B兩組，應(yīng)答器的定位數(shù)據(jù)分布情況如圖3和圖4所示。從圖中可以看出，第1次校準的數(shù)據(jù)較為分散，主要分布在200 m×200 m的矩形范圍內(nèi)；第2次校準的數(shù)據(jù)較為集中，主要分布在20 m×20 m的矩形范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)情況分析如表1所示，兩組數(shù)據(jù)的有效數(shù)據(jù)比例都在80%以上，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

圖3　聲學(xué)應(yīng)答器校準的第1次定位數(shù)據(jù)分布圖Fig.3　The distribution diagram for the first positioningdata of acoustic transponder calibration

圖4　聲學(xué)應(yīng)答器校準的第2次定位數(shù)據(jù)分布圖Fig.4　The distribution diagram for the second positioningdata of acoustic transponder calibration

數(shù)據(jù)組號AB數(shù)據(jù)組數(shù)389447有效數(shù)據(jù)組數(shù)332371有效數(shù)據(jù)比例85.34%83%

根據(jù)船上羅經(jīng)提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)計算得出基陣在3個方向上的角度偏差分別為：艏向偏差角-0.02°，縱搖偏差角+0.09°，橫搖偏差角0．00°。

根據(jù)超短基線基陣測得的經(jīng)度、緯度和深度數(shù)據(jù)計算標(biāo)準差，計算得出基陣在X、Y和Z3個方向上的定位標(biāo)準差分別為：4.01,4.01和1.49 m。

超短基線定位系統(tǒng)校準完成后，將基陣在3個方向上的偏差寫入控制計算機，參照聲學(xué)應(yīng)答器的入水深度，求得超短基線基陣在30°、60°和120°三種開角下的定位精度分別為：0.20%，0.27%和0.61%。

綜合以上的計算數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)該超短基線基陣經(jīng)過校準之后，其基陣在60°開角內(nèi)的定位精度能保持在斜距的0.30%之內(nèi)，符合廠家提供的參數(shù)指標(biāo)，滿足海上設(shè)備的應(yīng)用需求。

2.3超短基線定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件在海上的應(yīng)用

為方便科考隊員在海上進行超短基線數(shù)據(jù)的快速處理，基于Matlab程序開發(fā)了一款超短基線數(shù)據(jù)后處理軟件，該軟件先對聲學(xué)應(yīng)答器定位跳點數(shù)據(jù)進行剔除，然后對剔除后的數(shù)據(jù)進行平滑濾波，并可以保存處理后的數(shù)據(jù)，并成圖。圖5是目標(biāo)體定位的原始數(shù)據(jù)，圖6是經(jīng)該軟件處理后的數(shù)據(jù)。

圖5　聲學(xué)應(yīng)答器的原始定位數(shù)據(jù)Fig.5　Raw positioning data of acoustic transponder

圖6　經(jīng)過軟件處理后的數(shù)據(jù)Fig.6　Data after processing by software

從圖5和圖6的對比中可以看出，經(jīng)過軟件處理后的數(shù)據(jù)，跳點明顯減少，數(shù)據(jù)曲線也光滑許多，提高了超短基線定位數(shù)據(jù)的處理效率。

3　小結(jié)

超短基線定位系統(tǒng)能方便快速地對水下目標(biāo)進行定位，經(jīng)超短基線基陣的海上校準試驗，驗證了該基陣的測量精度能滿足海上設(shè)備的水下定位要求，超短基線的數(shù)據(jù)后處理軟件也能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理。由于受海況、船舶噪聲、GPS信號、羅經(jīng)信號等的影響，導(dǎo)致2次校準的差值較大，另可能因基陣安裝位置的原因?qū)е驴v搖偏差角也較大，需要后期在基陣維護上注意。

目前，數(shù)據(jù)后處理軟件只能進行簡單的處理，未能做進一步的差值處理、誤差分析以及精度評估等，有待進一步的改進。

致謝衷心感謝IXBLUE公司的Jared工程師和北京賽迪海洋技術(shù)中心的孫金明工程師對超短基線定位系統(tǒng)校準試驗提供的幫助，感謝吳學(xué)文老師以及AUV海試全體調(diào)查隊員的幫助與支持!

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The maritime applications and accuracy evaluation of ultra short baseline positioning

ZHOU Hong-wei1,2，ZHANG Guo-yin1,2，CAI Wei1,2，ZHANG Kai1,2

(1.SecondInstituteofOceanography，SOA，Hangzhou310012，China；2.KeyLaboratoryofSubmarineGeosciences，SOA，Hangzhou310012，China)

Ultra short baseline positioning system can provide accurate positioning information for underwater equipment. The positioning results of the ultra short baseline positioning system contain a variety of factors, the effective processing of the data is the essential prerequisite for position precision. In this study, the acoustic antenna was calibrated, the accuracy of the positioning data was evaluated, the maritime collecting data were analyzed and the gross points of the raw data were filtered and removed. Finally, the reliable results of underwater positioning thereby can be acquired.

ultra short baseline；underwater positioning；accuracy evaluation；gross points

2016-01-18

2016-05-16

國際海域資源調(diào)查與開發(fā)“十二五”課題資助(DY125-22-QY-04)；浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究項目資助(2016C33092)

周紅偉(1987-)，男，浙江建德市人，主要從事水下定位的應(yīng)用技術(shù)及作業(yè)保障方面的研究。E-mail:zhw06011433@163.com

P733.2

A

1001-909X(2016)03-0076-04

10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.012

周紅偉，張國堙，蔡巍，等.超短基線定位的海上應(yīng)用及精度評估[J].海洋學(xué)研究,2016,34(3):76-79,doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.012.

ZHOU Hong-wei，ZHANG Guo-yin，CAI Wei，et al. The maritime applications and accuracy evaluation of ultra short baseline positioning[J]. Journal of Marine Sciences, 2016,34(3):76-79, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.012.