ADCP外接GNSS羅經(jīng)儀測流系統(tǒng)安裝偏移量測定

(長江水利委員會水文局 長江口水文水資源勘測局，上海 200136)

聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP, Acoustic Doppler Current Profiler)利用多普勒頻移原理獲得沿深度方向的垂線流速，通過船載走航測量，將流速測量從“點(diǎn)測量”擴(kuò)展到“面獲取”，較徹底地解決了大江大河流量測驗的難題。ADCP獲取的是相對其自身的流速，需要借助底跟蹤獲得船速和內(nèi)置磁羅經(jīng)獲取的方位分解計算出大地坐標(biāo)系的絕對流速[1-2]。但當(dāng)測量遇到流動底質(zhì)或底沙運(yùn)動(動底)時，底跟蹤失效；而當(dāng)采用鐵質(zhì)測量船時，會導(dǎo)致ADCP內(nèi)置磁羅經(jīng)失效或獲得的方位帶有較大誤差。ADCP底跟蹤和內(nèi)置磁羅經(jīng)只要有一項參數(shù)存在偏差，就會影響ADCP流速測量精度，甚至測不到絕對基準(zhǔn)的流速數(shù)據(jù)，限制了ADCP的應(yīng)用。為消除上述問題影響，近年來借助外部GNSS羅經(jīng)儀，為測量船提供絕對的船速和方位，為ADCP實測絕對流速提供外部參考基準(zhǔn)[3]。

由于ADCP、GNSS羅經(jīng)儀都有各自定義的坐標(biāo)系，在水文測船上ADCP外接GNSS羅經(jīng)儀所構(gòu)成的測流系統(tǒng)，必須保證ADCP、GNSS羅經(jīng)儀與船體三者的坐標(biāo)系完全一致[4]，才能利用GNSS羅經(jīng)儀提供的坐標(biāo)、方位和速度數(shù)據(jù)計算ADCP的實測流速。由于設(shè)備的安裝存在姿態(tài)和方位的隨機(jī)不確定性，加上GNSS天線要求對空開闊、周邊無微波信號干擾和多路徑干擾，在測船上，GNSS羅經(jīng)儀的定位天線一般不能直接安裝在ADCP正上方，會產(chǎn)生相對于ADCP的平面位置偏差。GNSS羅經(jīng)儀的羅經(jīng)指向與測船中軸線不平行，導(dǎo)致GNSS羅經(jīng)儀與船體坐標(biāo)系的偏差；安裝ADCP時，其內(nèi)部坐標(biāo)系的縱軸和測船的中軸線也不嚴(yán)格平行，導(dǎo)致ADCP與船體坐標(biāo)系的偏差；ADCP、GNSS羅經(jīng)儀與船體中軸三軸相互不平行，導(dǎo)致坐標(biāo)系統(tǒng)不統(tǒng)一，因而會造成流速流向誤差甚至錯誤。實際工作中，常常采用“目測法”使得ADCP和GNSS羅經(jīng)與船體軸線大致平行，強(qiáng)制將GNSS羅經(jīng)安裝在測船中軸平行線上，往往不利于GNSS羅經(jīng)獲取最佳的觀測精度，影響到ADCP系統(tǒng)的測驗精度。安裝偏差是客觀存在的，這一問題一直困擾著該項技術(shù)的精測應(yīng)用。通過研究和多次試驗驗證，解決了ADCP外接GNSS羅經(jīng)儀的測流系統(tǒng)的4項安裝偏移量的測定問題。在ADCP數(shù)據(jù)采集軟件里加入4項安裝偏移量[5]，該系統(tǒng)能避免動底和船體磁場的影響，提高了對不同測流環(huán)境的適應(yīng)性，也提高了ADCP的流速測量精度[6]。

1 ADCP測流系統(tǒng)及安裝偏差

船載ADCP測流系統(tǒng)由ADCP流速儀、GNSS羅經(jīng)和計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，涉及的坐標(biāo)系主要包括船體坐標(biāo)系、GNSS羅經(jīng)坐標(biāo)系和ADCP坐標(biāo)系，各坐標(biāo)系如圖1所示。

圖1 GNSS羅經(jīng)坐標(biāo)系、船體坐標(biāo)系和ADCP坐標(biāo)系Fig.1 GNSS compass coordinate system, hull coordinate system and ADCP coordinate system

GNSS羅經(jīng)由兩個GNSS接收天線和一臺接收機(jī)組成。其中一個GNSS天線是定位天線，接收機(jī)給出該天線所在位置的坐標(biāo)和速度；另一個GNSS天線為定向天線，與定位天線構(gòu)成基線，接收機(jī)計算該基線向量方位角，即GNSS羅經(jīng)方位。為了方便計算GNSS定位天線改算到ADCP平面的偏移量，將GNSS羅經(jīng)的定位天線作為GNSS羅經(jīng)儀的坐標(biāo)原點(diǎn)，GNSS定向天線指向定位天線的方向為羅經(jīng)儀坐標(biāo)系的縱軸(Y軸)，順時針旋轉(zhuǎn)90°即坐標(biāo)系橫軸(X軸)。GNSS羅經(jīng)坐標(biāo)系的定義如圖1(a)所示。船體坐標(biāo)系以船重心為坐標(biāo)原點(diǎn)，船體中軸線為縱軸(Y軸)，順時針旋轉(zhuǎn)90°為橫軸(X軸)，船體坐標(biāo)系的定義如圖1(b)所示。

ADCP有4個聲柱，在水平投影面上互成90°。為了將ADCP實測流速用地理坐標(biāo)系表示，在儀器內(nèi)部安裝了磁羅經(jīng)，并以儀器中心至3號探頭的水平線作為羅經(jīng)的指標(biāo)線來表達(dá)ADCP的水平姿態(tài)[5]，定義了ADCP的方位起算軸線，則在圖1(c)中，ADCP坐標(biāo)系原點(diǎn)位于儀器中心，1，3號構(gòu)成Y軸，2，4號構(gòu)成X軸，Z軸與X-O-Y面正交且與ADCP儀器軸線重合并向上。ADCP探測Y軸的磁北方位，并借助測驗位置的磁偏角對磁北方位修正，如果ADCP外接羅經(jīng)，則外接羅經(jīng)代替內(nèi)部磁羅經(jīng)[7]。

如前言所述，為了解決ADCP底跟蹤失敗的問題，避免ADCP內(nèi)部羅經(jīng)受干擾磁場影響而導(dǎo)致羅經(jīng)錯誤，ADCP外接GNSS羅經(jīng)被證實是有效的解決方案。為了計算絕對流速，ADCP數(shù)據(jù)采集及回放軟件都提供了相對于底跟蹤、GNSS通用NMEA 0183數(shù)據(jù)格式的位置數(shù)據(jù)GGA和速度數(shù)據(jù)VTG參考的算法[8]。在沒有河床底部走沙的條件下，采用這3個參考基準(zhǔn)計算的流速的大小和方向應(yīng)該是一致的，只有ADCP、GNSS羅經(jīng)儀和船體3個平面坐標(biāo)系互相平行，則GNSS羅經(jīng)提供的方位也即船體軸向方位和ADCP換能器軸向方位，才滿足外部羅經(jīng)替代ADCP內(nèi)部羅經(jīng)的要求；只有GNSS的位置坐標(biāo)和速度與ADCP完全一致，才能用GGA或VTG代替ADCP底跟蹤船速。

實際安裝時，因為ADCP和GNSS羅經(jīng)儀都有各自最優(yōu)的安裝位置，必然導(dǎo)致ADCP坐標(biāo)縱軸、GNSS羅經(jīng)儀縱軸與船體坐標(biāo)縱軸三者互不平行。在測船上一般將ADCP安裝在測船中部的一側(cè)船舷外或特制的安裝井里，要求3號探頭(Beam 3)朝向船艏并力求1～3號連線(ADCP的Y軸)與船軸線平行，以保證ADCP平面坐標(biāo)系與與船體坐標(biāo)系平行[9]，實際安裝因只能依靠經(jīng)驗?zāi)繙y，所以必然存在不平行的問題。GNSS羅經(jīng)天線要求安裝在對空開闊、遠(yuǎn)離雷達(dá)和甚高頻的位置，更好地接受衛(wèi)星信號，降低周邊對衛(wèi)星信號的干擾。另外，為了提高GNSS羅經(jīng)的定向精度，其定位和定向天線的間距不應(yīng)小于1.0 m，這些因素也制約了GNSS羅經(jīng)儀與船體的坐標(biāo)軸的平行需求，另外GNSS羅經(jīng)儀定位天線一般不能直接安裝在ADCP正上方，直接用GNSS的位置坐標(biāo)代替ADCP的位置坐標(biāo)就存在偏差，當(dāng)采用GNSS的位置和速度參考計算流速時，在轉(zhuǎn)彎測段還會影響流速的精度[10]。因為存在安裝偏差，若直接利用各設(shè)備測量的坐標(biāo)和方位計算流速，必然會給絕對流速的計算帶來較大影響，因此必須探測這些偏差，并消除其影響。

2 安裝偏差的探測

2.1 獲取ADCP測流系統(tǒng)含有安裝偏差的數(shù)據(jù)

在測船合適的位置安裝好ADCP和GNSS羅經(jīng)后，需要測量各設(shè)備的安裝偏移量。為了探測ADCP、GNSS羅經(jīng)坐標(biāo)系的縱軸與船體中軸線的偏角，先將ADCP偏置參數(shù)設(shè)置中各項安裝偏差均設(shè)置為零，選擇一段長約300～500 m順流或逆流或流速遠(yuǎn)小于測船航速、橫風(fēng)較小、不影響測船航行姿態(tài)的河段，測船沿該段直線航行，在航行過程中保持艏向一致，保證船體中軸線與GNSS記錄的航跡線平行，記錄ADCP原始數(shù)據(jù)*.PD0、GNSS羅經(jīng)的定位數(shù)據(jù)*_GPS.TXT和定向數(shù)據(jù)*_EH.TXT。

當(dāng)GNSS羅經(jīng)的定位天線不能安裝在ADCP正上方時，需要量取ADCP、GNSS定位天線、定向天線構(gòu)成的三角形在水平面上的三邊長度，ADCP至GNSS定位天線的水平距離記為AG、ADCP至GNSS定向天線的水平距離記為AH、GNSS定位天線至GNSS定向天線的水平距離記為GH，單位為m，并確定ADCP在H→G連續(xù)的左邊還是右邊，見圖2。

圖2 ADCP(A)、GNSS定位天線(G)和定向天線(H)布置關(guān)系Fig.2 Arrangement relationship of ADCP (A), GNSS positioning antenna (G) and directional antenna (H)

2.2 ADCP的底跟蹤軌跡與船體中軸線不平行偏角計算

ADCP底跟蹤軌跡就是ADCP通過底脈沖信號探測的單元位移標(biāo)量與加載給ADCP的內(nèi)部或外部羅經(jīng)合成的單元位移矢量的累計連線。當(dāng)采用外部羅經(jīng)時，ADCP內(nèi)部坐標(biāo)系的參考方位就是外部羅經(jīng)的瞬時值，底跟蹤軌跡就是ADCP坐標(biāo)系加載外部羅經(jīng)后取得單元軌跡矢量的首尾連接線。GNSS的軌跡也即測船移動航跡。由于ADCP、GNSS羅經(jīng)與船體坐標(biāo)系三者不一致，導(dǎo)致底跟蹤線與GNSS軌跡線不平行，見圖3。需要通過安裝偏差探測數(shù)據(jù)計算該偏角，為ADCP測量提供真實方位。

圖3 外部羅經(jīng)安裝偏差改正前ADCP航跡線Fig.3 ADCP trace before external compass installation deviation correction

采用第2.1節(jié)方法獲取直線段航行數(shù)據(jù)后，回放*.PD0，分別記錄“相對于底跟蹤”的F_B和“相對于GGA”參考的“航跡方向”F_G，則ADCP底跟蹤線軌跡與船體中軸線不平行偏差θ為

θ=F_G-F_B

(1)

式中，θ是ADCP底跟蹤線與船中軸線的夾角，F(xiàn)_B是ADCP采用底跟蹤的航跡線的方位角，F(xiàn)_G是ADCP記錄的GGA航跡線的方位角。

也可以直接查看數(shù)據(jù)采集軟件里的GC-BC表單，GC-BC角度值也即偏角θ。

2.3 GNSS羅經(jīng)在船體坐標(biāo)系的方位角計算

根據(jù)第2.1節(jié)方法，在船載ADCP測流系統(tǒng)直線航行的記錄文件*_GPS.TXT里，取直線起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)，計算GGA航跡線所在位置的真子午線的方位角F_GGA，再由*_EH.TXT記錄數(shù)據(jù)里每一個歷元的羅經(jīng)值，計算航段平均羅經(jīng)F_HDT，則羅經(jīng)在船體坐標(biāo)系里的方位角F_HG為

F_HG=F_HDT-F_GGA

(2)

式中,F_HG是GNSS羅經(jīng)在船體坐標(biāo)系的方位角，F(xiàn)_HDT是檢測時段內(nèi)的平均羅經(jīng)值，F(xiàn)_GGA是檢測航跡線的方位角。

2.4 GNSS羅經(jīng)定位天線相對ADCP位置偏移量的計算

如圖2所示，量取ADCP、GNSS羅經(jīng)定位與定向所構(gòu)成的平面三角形的三邊長，計算得到GNSS羅經(jīng)儀在船體坐標(biāo)系的方位角后，就可以計算GNSS羅經(jīng)儀定位天線相對于ADCP的平面位置偏移量。

(1) 采用余弦定理計算∠HGA。

∠HGA=arccos(AG2+GH2-AH2)/(2AG·GH)

(3)

(2) 計算AG邊的方位角F_AG。

當(dāng)ADCP在H→G連續(xù)的左邊時，

F_AG=F_HG+∠HGA

(4)

當(dāng)ADCP在H→G連續(xù)的右邊時，

F_AG=F_HG-∠HGA

(5)

(3) 計算GNSS定位天線相對ADCP的偏移量。

OffestX=AG×sin(F_AG)

OffestY=AG×cos(F_AG)

(6)

式中，∠HGA是三角形的GH與GA兩邊的夾角，AG，GH，AH是三角形AGH三邊的邊長；F_AG是ADCP與GNSS羅經(jīng)的定位天線所構(gòu)成的邊在船體坐標(biāo)系的方位角；OffsetX和OffsetY是以ADCP為原點(diǎn)的船體坐標(biāo)系；GNSS羅經(jīng)的定位天線的橫坐標(biāo)x和縱坐標(biāo)y值。

2.5 ADCP坐標(biāo)縱軸與船體中軸線不平行量的計算

上述計算的GNSS羅經(jīng)定位天線相對ADCP位置的偏移量OffsetX和OffsetY是以ADCP為原點(diǎn)的船體坐標(biāo)系里GNSS羅經(jīng)的定位天線的橫向和縱向的坐標(biāo)值。由于ADCP與船體平面坐標(biāo)系不平行，即存在安裝偏差，需要計算并在數(shù)據(jù)采集軟件里設(shè)置該項偏差，才能采用OffsetX和OffsetY值用GNSS的位置坐標(biāo)計算ADCP的實時位置坐標(biāo)。

因為ADCP坐標(biāo)系的縱軸就是儀器中心與3號探頭的中心在水平面上投影的連線，另外在ADCP數(shù)據(jù)采集軟件里，將ADCP坐標(biāo)系的Y軸與船體坐標(biāo)系的Y軸的夾角定位為“波束3與船軸夾角”[5]，因此計算ADCP坐標(biāo)系的Y軸與船體坐標(biāo)系的Y軸的夾角就是計算ADCP波束3(BEAM_3)與船體中軸的夾角。

通過直線航行獲得了檢測數(shù)據(jù)F_B，F(xiàn)_G，F(xiàn)_HDT，如圖4所示，矢量BEAM_3與矢量F_G的夾角就是ADCP波束3與船軸線夾角。

在測量過程中，由GNSS羅經(jīng)向船體坐標(biāo)系和ADCP提供的羅經(jīng)數(shù)值是相同的，從圖4可知，F(xiàn)_G與F_HDT的夾角等于BEAM_3與F_B夾角，設(shè)為β，底跟蹤矢量F_B與GNSS矢量F_G的夾角設(shè)為θ，所以有：

α_3=θ-(F_HDT-F_G)=-(θ+F_HG)

(7)

式中，α_3是ADCP波束3與船中線的夾角。

圖4 船載ADCP坐標(biāo)矢量關(guān)系示意Fig.4 Schematic diagram of shipborne ADCP coordinate vector relationship

2.6 影響安裝偏差探測精度的因素

(1) 直線航行長度。GNSS羅經(jīng)與船中軸線夾角，通過測船沿直線航行的起、終點(diǎn)直線方位角與在該段GNSS羅經(jīng)的平均方位角之差來計算。直線段過短，會影響方位角的精度，從而影響GNSS羅經(jīng)與船中軸線夾角的計算精度，因此應(yīng)采用較長的直線測量數(shù)據(jù)進(jìn)行該偏角測算。建議采用定位精度優(yōu)于1 m的差分定位型的GNSS羅經(jīng)儀，根據(jù)GNSS定位精度確定直線航行長度，一般選擇300～500 m，保證航行直線基線的方位角的精度小于0.5°，并做往、返測量，以獲取更豐富的測量數(shù)據(jù)用于偏差計算和檢校。

(2) 測船沿直線航行的穩(wěn)定性。如果測船沿直線航行期間艏向頻繁變動，則GNSS羅經(jīng)實時數(shù)據(jù)的一致性就降低了，影響平均羅經(jīng)方向的精度。另外，艏向不穩(wěn)定，則GNSS航跡線與船體中軸線也不平行，影響GNSS羅經(jīng)在船體坐標(biāo)系里的計算精度。

(3) GNSS羅經(jīng)的定位和定向精度。如果定位精度低，則測船航行的直線向量的精度偏低，其方位角精度也較低；定向精度低，平均羅經(jīng)方位精度則會偏低，最終都影響各偏角及ADCP換能器絕對速度的計算精度。

(4) 測量模式。為提高GNSS羅經(jīng)定位和定向精度，GNSS定位時建議將RTK定位、定向天線與定位天線安裝在同一水平面上，其間距應(yīng)大于1.5 m。

(5) 測量環(huán)境。偏差走航探測時，宜在風(fēng)力小于4級，或風(fēng)向、流向和測船航向大致在一條直線上的條件下進(jìn)行，以降低環(huán)境氣象和水文因素對測量結(jié)果的影響。

3 試驗及分析

為了滿足長江南京以下12.5 m深水航道整治工程安全監(jiān)管要求，在固定的水文測驗斷面需要固定的測船和測驗人員，由于測船安裝條件限制，GNSS羅經(jīng)儀兩個天線不能安裝在船中軸的平行線上，ADCP波束3與船首方向基本一致，ADCP和GNSS羅經(jīng)的兩個天線的安裝位置示意見圖2。

為了探測ADCP外接GNSS羅經(jīng)流速測量系統(tǒng)安裝偏差，測量前，在將ADCP、外部GNSS設(shè)備安裝牢固后，量取AG，AH，GH三邊長度， GNSS采用RTK定位。ADCP數(shù)據(jù)采集軟件的初始設(shè)置各項安裝偏差為0，然后測船沿逆流的直線方向航行約300 m，ADCP數(shù)據(jù)采集軟件采集記錄了*.PD0、*_GPS.TXT和*_EH.TXT三個文件。完成走航檢測后，按照上述方法計算各項安裝偏差。圖3給出了未校準(zhǔn)安裝偏差時的船跡線(相對于GGA)和ADCP采用GNSS羅經(jīng)提供的底跟蹤航跡線(相對于底跟蹤)?？梢钥闯觯馨惭b偏差影響，兩個航跡方向呈現(xiàn)大于100°的夾角。如果不將采用GNSS羅經(jīng)的ADCP底跟蹤航跡線的偏角修正到船體坐標(biāo)系，將導(dǎo)致底跟蹤方向錯誤，測得的流速的方向也是錯誤的。通過“外部羅經(jīng)偏移量”修正后得到的底跟蹤航跡線與船跡線方向一致，將“外部羅經(jīng)偏移量、波束3與船軸線夾角、offset x、offset y” 四項安裝偏移量輸入到ADCP數(shù)據(jù)置設(shè)頁里，經(jīng)外部羅經(jīng)偏移量糾正后，看出兩個航跡完全重合，見圖5。

表1給出了同一次測驗數(shù)據(jù)，偏置改正前后，分別采用底跟蹤和GGA參考的該測段流速、流量的數(shù)據(jù)。從表1可以看到，當(dāng)不修正安裝偏移量，采用底跟蹤的流向是錯誤的，采用GGA參考，流量和流速全部是錯誤的；安裝偏移量修正后，采用底跟蹤和GGA參考測得的流量、流速的大小和流向都基本一致，每一個數(shù)據(jù)組的位置坐標(biāo)也改算到ADCP上了，提高了流量測驗精度。

圖5 外部羅經(jīng)安裝偏差改正后ADCP航跡Fig.5 ADCP trace after correction of external compass installation deviation

參考方法偏移量改正前流量/(m3·s-1)流速值/(m·s-1)流向/(°)偏移量改正后流量/(m3·s-1)流速值/(m·s-1)流向/(°)底跟蹤11641.34311641.34109GGA參考-255394.4733411681.32112

4 結(jié) 論

采用ADCP實施流量測驗，需要為其提供正確的船速和船向。通常ADCP采用底跟蹤和內(nèi)部磁羅經(jīng)來實現(xiàn)，但由于存在河床底部走沙問題造成底跟蹤速度錯誤、以及ADCP內(nèi)部磁羅經(jīng)受船體磁場干擾導(dǎo)致內(nèi)部羅經(jīng)提供錯誤的方位等問題,使該技術(shù)應(yīng)用受到很大限制。

GNSS羅經(jīng)儀不受磁場影響，其羅經(jīng)精度優(yōu)于0.1°，當(dāng)采用RTK差分定位時，其定位精度優(yōu)于5 cm。GNSS羅經(jīng)的位置和方位數(shù)據(jù)的更新率可達(dá)到20 Hz，安裝使用方便，性能穩(wěn)定。ADCP可以外接GNSS羅經(jīng)構(gòu)成測流系統(tǒng)，采用本文方法探測設(shè)備之間的安裝偏差并在數(shù)據(jù)采集或回放軟件里設(shè)置安裝偏差修正值，ADCP就能獲得GNSS羅經(jīng)儀提供的高精度的坐標(biāo)和方位的絕對基準(zhǔn)，能避免底跟蹤失敗和內(nèi)部羅經(jīng)錯誤，提高ADCP對測流環(huán)境的適應(yīng)能力和流速的測量精度。當(dāng)然，本文提供的探測與計算方法僅率定與校準(zhǔn)了ADCP測流系統(tǒng)在平面坐標(biāo)系上的偏差，如果因大風(fēng)或船舶劇烈轉(zhuǎn)向浪造成測船存在較大幅度的縱橫或艏向搖擺，僅作二維修正還不能有效提高ADCP流量測驗精度，有效的辦法是避免在風(fēng)浪大的天氣進(jìn)行測驗作業(yè)。