超短基線水下聲學定位數(shù)據(jù)處理

吳學文，包更生，陶春輝，顧春華，張愷

(國家海洋局第二海洋研究所海底科學重點實驗室，浙江杭州310012)

0 引言

水下定位技術是解決水下作業(yè)的前提與關鍵。目前，法國Ixsea、挪威Simrad、英國Sondardyne等公司都推出了中深水的商用超短基線水下聲學定位系統(tǒng)產(chǎn)品，但對其數(shù)據(jù)的處理與應用則很少提及［1-3］。國內(nèi)只有少數(shù)機構(gòu)在進行水聲定位技術的研究，到目前為止，沒有成熟的產(chǎn)品，大部分都限于國外引進。本文便是以“大洋一號”裝備法國Ixsea公司的Posidonia 6000深水超短基線為例，在介紹超短基線定位原理的基礎上，依據(jù)水下目標相對位置x、y、z3向在時間軸上各自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)對跳點的交互式剔除，得到可信的水下聲學定位數(shù)據(jù);這一部分已開發(fā)出成熟的處理軟件，并在中國大洋第21、22航次近700天的海上作業(yè)中得到了充分的應用［4-6］。

1 超短基線水下聲學定位原理

超短基線定位系統(tǒng)通過測量從水下應答器(簡稱目標)到船底換能器陣(簡稱基陣)的聲波傳播時間(簡稱測時)來計算目標的斜距r，通過測量從目標到達基陣各水聽器的聲波相位差(簡稱測相)來計算目標的俯仰角和方位角，從而確定目標相對基陣的相對位置(x，y，z);最后通過(x，y，z)和基陣的GPS大地坐標換算出目標的大地坐標。

由于船底換能器基陣的尺寸很小(d＜＜r)，可按近似平面波場來處理;同時依據(jù)船底換能器陣與水下目標間的幾何關系下聲波傳播的波長;d為船底換能器基陣的陣元間距;ψ為船底換能器陣x軸相鄰基元接收信號相位差;ξ為船底換能器陣y軸相鄰基元接收信號相位差。

超短基線實際的測量值為斜距r和相位差ψ、ξ。斜距r通過回波測距測得，具有很高的精度;目標的相對坐標(x，y，z)是其最終的水下大地坐標唯一的制約因素，其精度主要取決于相位差ψ、ξ的測量［2］。

2 超短基線水下聲學定位數(shù)據(jù)處理

超短基線水下聲學定位系統(tǒng)在實際的現(xiàn)場作業(yè)中，既會受到涌浪、風、海流等不同的自然環(huán)境影響，又會受到船載多波束、ADCP、淺地層剖面等同時作業(yè)的聲學系統(tǒng)影響，更會受到母船船泊動力定位系統(tǒng)的干擾，導致不可避免的出現(xiàn):(1)在其解算出的定位數(shù)據(jù)中存在跳點;(2)在動態(tài)測量環(huán)境下長時間不能給出定位數(shù)據(jù)，形成一個時段內(nèi)定位數(shù)據(jù)空白的現(xiàn)象。為滿足現(xiàn)實作業(yè)需求，給水下目標上的各傳感器提供可信的定位信息，本文依據(jù)水下目標x，y，z3向在時間軸上各自的分布，采用交互式剔除的方法來排除粗差定位點，并在此基礎上介紹了基于航位推算的定位數(shù)據(jù)匹配方法，以實現(xiàn)對水下目標定位數(shù)據(jù)稀少時段進行補足，從而提升水下定位數(shù)據(jù)的效率。

2.1 定位數(shù)據(jù)介紹

Posidonia 6000超短基線定位系統(tǒng)的原始記錄文件是按設定的定位周期為單位，每周期內(nèi)包含PTSAG、PTSAX等多個固定字段的ASCII文件?？蓞㈤嗠S廠的操作手冊［3、4］對原始記錄文件進行數(shù)據(jù)抽取。本文主要提取原始記錄中每組定位數(shù)據(jù)的“日期、GMT時間、母船經(jīng)緯度、拖體經(jīng)緯度、X、Y、Z、斜距DTG(r)”信息，采用文件頭說明及數(shù)據(jù)行的ASCII方式寫出原始記錄的提取數(shù)據(jù)文件，作為本文的研究對象。

2.2 定位數(shù)據(jù)跳點的識別與剔除

跳點，又叫野值點、異常點，是指在一條測線資料中相對少數(shù)明顯與周圍測量值有較大出入，而且與實際不符的一些測量值點［5］。水下定位跳點數(shù)據(jù)的剔除，通常采用直接對最終水下大地坐標經(jīng)緯度進行處理，其手段有:(1)直接在經(jīng)緯度平面分布圖上剔除其外圍的散點，這存在兩個問題。1)由于存在較多不同時段的跳點剛好落在另一時段的密集區(qū)內(nèi)而導致剔除不徹底;2)“外圍”邊界是個很模糊的概念，難以找到準確依據(jù)加以確定，如圖1所示。(2)通過擬合或濾波等手段對異常點進行剔除，也存在兩方面問題:一方面是作業(yè)時不同時段受干擾的程度不同，不能使用統(tǒng)一的擬合參數(shù)或濾波參數(shù);另一方面是所有異常點都參與運算，相當于用異常數(shù)據(jù)來剔除異常數(shù)據(jù)。

圖1 母船與水下目標(拖體)位置分布

本文從現(xiàn)場作業(yè)中尋找依據(jù)、采用更易于操作的方法來實現(xiàn)對定位數(shù)據(jù)中的跳點進行識別并剔除。其基本思路是選用更為直觀的過程數(shù)據(jù)x，y，z作為判斷對象，利用定位原理中x，y，z的相互制約關系，依據(jù)x，y，z3維各自的時間系列分布，如圖2所示來識別跳點，并采用快速有效的交互方式將跳點剔除。

圖2 定位數(shù)據(jù)跳點識別與剔除的操作截屏

交互式剔除的基本思想是通過人來判斷定位數(shù)據(jù)是否應該剔除，并通過表述來剔除這些數(shù)據(jù)。只要選取更易于判斷的對象，采用人性化的表述方式，該方法能徹底、快速有效地剔除異常定位數(shù)據(jù)。本文回避對水下目標最終的大地坐標經(jīng)緯度進行判斷，以(x，y，z)三維各自的時間系列分布圖作為判斷對象更易于對跳點的識別，受干擾的異常定位數(shù)據(jù)的三維分量中至少有一個在時間系列分布圖上明顯偏離前后相鄰的未受干擾定位點。在表述方式上，本文采取直接在時間系列分布圖上用鼠標圈定出任意多邊型(左鍵取點，右鍵自動閉合多邊型)，圖2中圈在多邊型內(nèi)的點為異常定位數(shù)據(jù)點，自動被剔除［1］。

軟件設計的總體目標:(1)不改變Posidonia 6000顯控記錄軟件ABYSS記錄的原始文件及其提取數(shù)據(jù)文件，每次編輯完成后，自動生成測線的編輯工程文件、剔除后的有效定位數(shù)據(jù)文件;(2)支持對定位數(shù)據(jù)點的剔除、每步剔除后可即時獲得剔除前后相關數(shù)據(jù)的對比圖;(3)支持對執(zhí)行過剔除操作的數(shù)據(jù)的恢復，對于誤剔除的數(shù)據(jù)可采用相同操作對數(shù)據(jù)進行選擇性的恢復;(4)支持原始數(shù)據(jù)提取批處理功能，支持按“三維剔除模型”剔除異常定位數(shù)據(jù)的批處理功能。

本文按設計目標實現(xiàn)了圖2中超短基線快速后處理軟件設計功能。軟件主菜單中的“數(shù)據(jù)”主要完成單一、批量、同一測線的原始記錄數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)提取工作;“編輯”主要提供:(1)重復編輯歷史數(shù)據(jù)的入口;(2)實現(xiàn)數(shù)據(jù)剔除與數(shù)據(jù)恢復的轉(zhuǎn)換;“圖件”提供提取各種圖件，方便對原始數(shù)據(jù)的評價、交互式剔除結(jié)果的比較分析，圖2僅展示其中的一項;“幫助”提供軟件的使用說明和版本信息。通過z、x、y三維的交互式剔除達到要求后，保存退出。軟件自動寫出兩個文件:其一為工程文件，即在所有原始數(shù)據(jù)列后添加“是否為異常點列”，方便對同一數(shù)據(jù)不同研究目的的多次交互式剔除;其二為結(jié)果文件，即寫出所有可信的水下定位數(shù)據(jù)。

2.3 定位數(shù)據(jù)匹配

只有給水下目標上搭載的傳感器匹配準確的定位信息，其探測出的屬性數(shù)據(jù)才具有獨立分析和使用價值。水下目標在下水作業(yè)前，需將各傳感器的系統(tǒng)時鐘均設置為GMT時間并對時;作業(yè)結(jié)束，出水后以時間為索引、在剔除跳點后的離散定位點基礎上，對各傳感器進行定位數(shù)據(jù)的匹配，以滿足各傳感器不同采樣頻率的定位匹配要求，從而最大限度的提升數(shù)據(jù)的使用效率。設需要匹配時刻ti的位置(xi，yi)，記為(ti，xi，yi)，超短基線水下聲學定位周期為tcycle，并在其有效定位數(shù)據(jù)中，與時刻ti相鄰的前一定位點(t0，x0，y0)、后一定位點(t1，x1，y1)，理論上介紹定位數(shù)據(jù)匹配方法。

水下目標上通常搭載有LADCP或DVL［6］、MRU等傳感器。LADCP、DVL這類傳感器能測出水下目標相對海底的運動速度、具有較高的采樣頻率，能在短時間內(nèi)給出水下目標的相對位置測量，而超短基線有效定位數(shù)據(jù)則能在較長時間段內(nèi)給出水下目標的絕對定位數(shù)據(jù)。將兩者充分結(jié)合便可在定位數(shù)據(jù)匹配上取得較好的效果。

利用已知起點、終點的坐標(超短基線系統(tǒng)給出)和海底探測系統(tǒng)的對地速度和運動方向(DVL、MRU給出)推算海底探測系統(tǒng)當前時刻的位置，如圖3所示。

由于水下目標不帶有加速度計，但DVL采樣率較高，可以假定在距離di時間段內(nèi)加速度ai不變，則:

式中，ai為ti到ti+1時間段內(nèi)的加速度;di為海底探測系統(tǒng)在ti到ti+1時間段內(nèi)運行的距離，t為采樣間隔時間，t=ti+1－ti;vi為ti時刻的DVL測量速度。水下目標在ti時刻的位置可表示為:

圖3 航位推算法原理

式中，θi為ti時刻水下目標的真航向，由運動參考單元的羅經(jīng)測量得出。

3 結(jié)束語

本文以“大洋一號”已裝備的Posidonia 6000超短基線為例，在介紹超短基線定位原理的基礎上，從過程數(shù)據(jù)(x，y，z)入手，依據(jù)水下目標x，y，z3向在時間軸上各自的分布來識別定位跳點、并實現(xiàn)對跳點的交互式剔除，做到對超短基線水下聲學定位數(shù)據(jù)的“去偽存真”。最后從理論上闡述了基于航位推算法的定位數(shù)據(jù)匹配方法，從而提升水下定位數(shù)據(jù)的效率，以滿足現(xiàn)場作業(yè)中對水下定位的更高需求。

［1］吳學文，包更生，張愷.熱液硫化物現(xiàn)場調(diào)查中超短基線異常定位數(shù)據(jù)的快速剔除［J］.熱帶海洋學報，2010，29(4):165－169.

［2］喻敏，惠俊英，馮海泓，等.超短基線系統(tǒng)定位精度改進方法［J］.海洋工程，2006，24(1):86－91.

［3］Ixsea Oceano Sas.Posidonia6000 User Manual［P/CD］.http://www.ixsea-oceano.com，2003－10－01.

［4］Ixsea Oceano Sas.Posidonia features and benefits［EB/OL］.http://www.ixsea.com/en/products/14/posidonia.html，2009－02－06.

［5］吳學文，高金耀，包更生.走航測線數(shù)據(jù)跳點的剔除［J］.海洋測繪，2007，27(4):44－46.

［6］Teledyne Rd Instruments.Workhorse Commands and Output Data Format［P/CD］.http://www.adcp.com，2001－08－01.