超短基線在定位應(yīng)用的時(shí)候，需要安裝在水面船舶上，并結(jié)合全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)DGPS、姿態(tài)傳感器 VRU、羅經(jīng) GYRO 完成最終的定位，超短基線測量出換能器的相對距離和方位，需要?dú)w算到 GPS 的絕對坐標(biāo) 系下，在歸算的過程中，涉及換能器方向的歸算到船舶首向，姿態(tài)歸算到船舶的姿態(tài)，這就是校準(zhǔn)的過程，本文將對超短基線的校準(zhǔn)方法進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

1 超短基線定位的工作原理

      超短基線定位系統(tǒng)（USBL）聲學(xué)系統(tǒng)使用由四個(gè) 或更多元件組成的單個(gè)傳感器（見圖 1），通過聲學(xué)測 量確定目標(biāo)位相對于水聽器的距離和方位，來完成對目 標(biāo)物的定位。超短基線定位系統(tǒng)（USBL）原理基于一 組聲波傳感器的，這些聲波傳感器安裝在單個(gè)收發(fā)器（水 聽器）組件中，并部署在水面船只上。

圖 1 USBL 傳感器發(fā)射器 / 接收器元件

      超短基線定位聲學(xué)系統(tǒng)水下定位，是通過精確測量兩個(gè)傳感器接收的聲學(xué)信號（載波頻率 f）的相位差進(jìn)行方位的解算，通過測量詢問信號發(fā)出及應(yīng)答信號收到的時(shí)間差來完成距離的解算。使用正弦信號的系統(tǒng)測量每個(gè)元件中信號的“時(shí)間相位”（見圖 2），與接收機(jī) 的參考有關(guān)。一個(gè)詢問脈沖從船舶，參考傳感器傳送到 被詢問的海底應(yīng)答機(jī)，并將回復(fù)脈沖發(fā)送回傳感器。如 果一套羅經(jīng)和水面導(dǎo)航系統(tǒng)與該系統(tǒng)連接，應(yīng)答器的北 側(cè)參考位置和絕對位置可以通過三角法計(jì)算（見圖 3）。

2 系統(tǒng)校準(zhǔn)的目的

      在USBL安裝過程中發(fā)射 / 接收基元的參考方向和船舶水平參考系方向，基元所在平面和船舶豎直參考系 方向存在安裝及系統(tǒng)誤差，校準(zhǔn)的目的就是將這些誤差剔除掉，通過特定方式的數(shù)據(jù)采集校準(zhǔn)出水平方向偏差、 俯仰和滾轉(zhuǎn)偏差，以提升定位的準(zhǔn)確性。

圖 2 相位延遲和入射角

圖 3 USBL 幾何圖

3 系統(tǒng)校準(zhǔn)實(shí)施

3.1數(shù)據(jù)采集

      系統(tǒng)校準(zhǔn)正式展開前，需要進(jìn)行羅經(jīng)檢查及校準(zhǔn)、 姿態(tài)傳感器的檢查及校準(zhǔn)、聲速的采集及應(yīng)用、偏移距 的測量及應(yīng)用。羅經(jīng)的校準(zhǔn)需要將羅經(jīng)的測量數(shù)據(jù)歸算 至船舶的中心線上，利用全站儀，使用已知點(diǎn)或者太陽 觀測的方式。船舶姿態(tài)傳感器的校準(zhǔn)時(shí)將傳感器的測量 數(shù)據(jù)歸算至船舶的參考系，可以采用兩臺全站儀或 RTK 的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)相對高程測量。聲速采集則使用聲速傳 感器進(jìn)行全水深的聲速測量，可以采用絞車釋放或 ROV 搭載的方式進(jìn)行。偏移距的測量則是建立船舶參考下， 以船舶中心線指向船首的方向作業(yè) Y 軸測正方形，建 立右手坐標(biāo)系，用全站儀測量更參考點(diǎn)在坐標(biāo)系中的位 置。上述準(zhǔn)備工作完成后，在海底布置 1 枚應(yīng)答器，應(yīng) 答器采用三腳架或重塊加浮球的方式固定，距離海底 1.5 ～ 2m 的距離，測試通訊正常后，準(zhǔn)備開始數(shù)據(jù)采集 工作。

3.2 數(shù)據(jù)采集

      在動態(tài)定位的船上，數(shù)據(jù)收集的首選方法是定點(diǎn)法。 在四個(gè)選定的基點(diǎn)上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集時(shí)需要船 舶盡量保持同一首向，以獲得更準(zhǔn)確的校準(zhǔn)結(jié)果。在深水中，基點(diǎn)通常選定在距離信標(biāo)水深的1/3 或 500m 處， 以較小者為準(zhǔn)。這減少了可能發(fā)生的通訊彎曲量，并保 證通訊具有最佳的信噪比。如果數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量不夠理 想，可以調(diào)轉(zhuǎn)船頭，如圖 5 所示，按 1，中心，3，4，中心， 2 的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以確保采集到數(shù)量足夠的數(shù) 據(jù)，每個(gè)基點(diǎn)的每個(gè)方向上至少采集 100 組以上的數(shù)據(jù)。

在非 DP 船上，很難保持一個(gè)恒定的航向和位置。 因此可以采用各種其他方法來收集數(shù)據(jù)，例如八葉圖， 三葉草葉或雙三角形法（見圖 6）。

圖 5 基數(shù)校準(zhǔn)輪廓

圖 6 通過運(yùn)行線進(jìn)行校準(zhǔn)

      如果可能的話，USBL 系統(tǒng)不應(yīng)該在小于 100m 的 水中校準(zhǔn)。如果校準(zhǔn)必須在小于 100m 的水中進(jìn)行，那 么數(shù)據(jù)只能通過在一個(gè)盒子中以相反的方向運(yùn)行線和以 發(fā)射機(jī)應(yīng)答器為中心的十字圖案來收集。圖 7 是一個(gè)典 型的數(shù)據(jù)采集模式。

在兩個(gè)相鄰的基點(diǎn)之間總共運(yùn)行 12 條線路，并在 信標(biāo)頂部進(jìn)行 4 次轉(zhuǎn)換。測線的布置方向可以旋轉(zhuǎn)，以 便在需要的地方提供電流和風(fēng)向。運(yùn)行線的長度取決于 固定數(shù)據(jù)采集的水深。在開始收集數(shù)據(jù)之前，應(yīng)將線路 延長一段適當(dāng)?shù)木嚯x，以使船舶穩(wěn)定航向。

3.3 數(shù)據(jù)處理

      處理軟件通常采用最小二乘法來求解未知數(shù)。當(dāng)誤 差的逆值作為調(diào)整過程中的權(quán)值時(shí)，對于未知數(shù)應(yīng)給出 初值和誤差。誤差估計(jì)值應(yīng)該是切實(shí)的。

以下誤差估計(jì)代表了一個(gè)典型的船只設(shè)置。

信標(biāo)位置 +/- 50m 

信標(biāo)深度 +/- 10m 

聲速 +/- 3m 

偏移 +/- 1m

在處理過程中，確保至少 2/3 的數(shù)據(jù)可用，這樣校 準(zhǔn)結(jié)果才更為可信。

圖 7 船舶通過校準(zhǔn)運(yùn)行線（水深大于100m）

3.4 結(jié)果驗(yàn)證

      系統(tǒng)驗(yàn)證的目的是校準(zhǔn)的結(jié)果可靠可信。該測試通 常在現(xiàn)場校準(zhǔn)結(jié)束時(shí)進(jìn)行，但也可以用作驗(yàn)證一個(gè)系統(tǒng) 是被校準(zhǔn)過的，而不需要進(jìn)行完全的校準(zhǔn)。在這種情況 下，如果驗(yàn)證結(jié)果表明系統(tǒng)中可能存在系統(tǒng)誤差，則可能需要進(jìn)行全面的現(xiàn)場校準(zhǔn)。為了進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，船舶 與已部署的信標(biāo)之間的距離設(shè)置為 30m 或 40m（正常 ROV 工作范圍）。與旋轉(zhuǎn)測試一樣，船舶將圍繞傳感 器旋轉(zhuǎn) 360°，同時(shí)觀察和記錄 USBL 數(shù)據(jù)。至少記錄 200 點(diǎn)。如果最終結(jié)果顯示沒有系統(tǒng)偏差，并且滿足測 試期間水深和環(huán)境條件系統(tǒng)的正常預(yù)期精度，則認(rèn)為該系統(tǒng)處于校準(zhǔn)狀態(tài)。

4 結(jié)束語

      USBL 定位系統(tǒng)在使用前需要確認(rèn)其是否經(jīng)過系統(tǒng) 的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后的系統(tǒng)才具備正常使用的意義。校準(zhǔn)的 過程應(yīng)考慮當(dāng)前的天氣 / 海況，盡可能減少來自推力器 和波浪噪聲的聲音干擾。需要考慮海洋條件，如果在水 層中存在極端的氯離子或溫躍層，則光線彎曲（折射和 反射）的影響會對校準(zhǔn)工作產(chǎn)生不利影響。在較新的系 統(tǒng)如 HiPAP/APOS 中，可以在 USBL 系統(tǒng)內(nèi)對聲速進(jìn)行 精確建模。在較舊的系統(tǒng)上，只能輸入傳感器，中間水和應(yīng)答器位置的聲速。此外，在 USBL 校準(zhǔn)過程中，應(yīng) 監(jiān)控水面定位系統(tǒng)的質(zhì)量，因?yàn)樗�面定位系統(tǒng)的任何誤 差會直接傳遞到 USBL 系統(tǒng)，從而影響校準(zhǔn)結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 喻敏. 長程超短基線定位系統(tǒng)研制[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工 程大學(xué),2005. 

[2] 劉 焱 雄, 彭 琳, 吳 永 亭, 等. 超 短 基 線 水 聲 定 位 系 統(tǒng) 校 準(zhǔn) 方 法 研 究[J]. 武 漢 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)( 信 息 科 學(xué) 版),2006(7):610- 612. 

[3] 牛清正. 超短基線定位系統(tǒng)檢測裝置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué),2017.