科考船傳感器安裝位置及偏角測(cè)定方法

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(cè)和數(shù)據(jù)處理的水上移動(dòng)測(cè)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(cè)量。

關(guān)鍵詞：科考船;傳感器;安裝位置;偏角測(cè)定

隨著越來(lái)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(cè)量成果，精確測(cè)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(wèn)題之一。目前各種傳感器的測(cè)量精度越來(lái)越高，傳感器在船體坐標(biāo)系中安裝位置和偏角的測(cè)量精度已成為制約最終測(cè)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(cè)量、海洋生物、地球物理和海洋地質(zhì)等多學(xué)科測(cè)量需求。目前我國(guó)已有多艘現(xiàn)代化綜合科考船相繼下水，以“向陽(yáng)紅01”、“向陽(yáng)紅03”和“嘉庚”號(hào)等為代表，遠(yuǎn)赴極地和各大洋開(kāi)展海洋調(diào)查工作。出于水上測(cè)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(mén)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(mén)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(cè)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(zhǎng)，所提供的首向精度越高，前提是需要精確測(cè)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(cè)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(guò)精確測(cè)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(cè)的最常用傳感器，多用于單波束、多波束測(cè)深儀、淺地層剖面儀、聲學(xué)多普勒測(cè)流儀和魚(yú)探儀等設(shè)備。

三、傳感器安裝位置和偏角測(cè)定

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

（一）位置測(cè)定方法

船塢周?chē)鷳?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?chē)痛线x擇設(shè)站點(diǎn)，并做好標(biāo)識(shí)，開(kāi)展閉合導(dǎo)線或附合導(dǎo)線控制測(cè)量。經(jīng)聯(lián)測(cè)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(wú)法在導(dǎo)線點(diǎn)上直接觀測(cè)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(cè)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(cè)量，利用外部觀測(cè)點(diǎn)和傳感器內(nèi)部測(cè)量中心的幾何關(guān)系歸算到傳感器測(cè)量中心，有的設(shè)備測(cè)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(cè)定船體坐標(biāo)系中位置的GNSS天線，可使用全站儀無(wú)棱鏡模式在多個(gè)導(dǎo)線點(diǎn)上多次觀測(cè)，無(wú)需架設(shè)棱鏡測(cè)量，因?yàn)闊o(wú)棱鏡測(cè)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(wú)棱鏡模式觀測(cè)，則經(jīng)觀測(cè)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(cè)量精度選擇是否使用無(wú)棱鏡模式觀測(cè)。

（二）安裝偏角測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)得FRO和A的坐標(biāo)或在FRO和A架設(shè)RTK，進(jìn)行RTK基線測(cè)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(cè)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(cè)定FRO-A的方位 后，在過(guò)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(cè)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(cè)量過(guò)程中同時(shí)記錄PHINS和OCTANS輸出的roll數(shù)據(jù)，取一段觀測(cè)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(cè)定，上述觀測(cè)順序不可更換。

（2）聲學(xué)換能器安裝偏角測(cè)定方法

聲學(xué)換能器因尺寸較大，且設(shè)備規(guī)格書(shū)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(cè)和計(jì)算。換能器安裝偏角測(cè)量方法如下：

1）首先在換能器各軸向方向分別測(cè)定至少2個(gè)及以上點(diǎn)坐標(biāo)，并計(jì)算出測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)點(diǎn)坐標(biāo) ;

6）利用旋轉(zhuǎn)后換能器首向上的測(cè)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(cè)量和計(jì)算得出。

針對(duì)科考船上多種測(cè)量傳感器的安裝位置和安裝偏角難以精確測(cè)定的問(wèn)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(cè)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(cè)量給出方法和具體實(shí)施方案。

參考文獻(xiàn)

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