0 引言

      目前，隨著海洋地震勘探業(yè)務(wù)不斷向深水區(qū)域跨進(jìn)， USBL的應(yīng)用逐漸廣泛。 USBL（超短基線）是一種水下定位技術(shù)，其工作原理是在水下被定位的目標(biāo)上安裝應(yīng)答器，水上的船體安裝超短基線基陣，應(yīng)答器發(fā)出聲信號(hào)，超短基線系統(tǒng)接收到信號(hào)后測(cè)算出目標(biāo)的方位及距離。目前在海洋地震勘探中主要應(yīng)用在節(jié)點(diǎn)（或檢波器）布設(shè)中， NOAR（nodeonarope）作業(yè)模式下， USBL用于對(duì)節(jié)點(diǎn)（或檢波器）在下沉過程中的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，最終的節(jié)點(diǎn)位置成果仍使用LBL（長基線）進(jìn)行定位。 ROV（水下機(jī)器人）作業(yè)模式正在逐步進(jìn)人海洋地震勘探業(yè)務(wù)發(fā)展中，導(dǎo)航定位系統(tǒng)通常由GPS，USBL,INS，羅盤（艦首、傾角傳感器）、深度計(jì)和高度計(jì)等傳感器組成，其可在水下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位、自主導(dǎo)航、布設(shè)節(jié)點(diǎn)等工作，節(jié)點(diǎn)位置（以下簡稱點(diǎn)位）的最終成果使用USBL定位結(jié)果。

1 USBL定位數(shù)據(jù)分析
      NOAR作業(yè)模式是將應(yīng)答器與節(jié)點(diǎn)綁定在一起進(jìn)行布設(shè)的，釋放時(shí)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)落入水中后會(huì)有一個(gè)持續(xù)下沉過程，直至落至海底。下沉過程中由于受洋流的影響，節(jié)點(diǎn)的下沉速度和方向存在不確定性，所以在整個(gè)過程中需要通過USBL實(shí)時(shí)聲學(xué)定位來獲取節(jié)點(diǎn)在水中的實(shí)時(shí)位置，導(dǎo)航員根據(jù)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)位置與設(shè)計(jì)點(diǎn)位的偏差，指揮船舶調(diào)整航向與速度，最終使其落地位置在設(shè)計(jì)點(diǎn)位附近，滿足設(shè)計(jì)限差要求。如圖1所示可以看出1～4號(hào)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)沉人海底處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，此時(shí)采集的USBL數(shù)據(jù)才可以用作后期數(shù)據(jù)的處理：而5～8號(hào)節(jié)點(diǎn)還處于下沉過程，所以此時(shí)采集的USBL數(shù)據(jù)只可以用于監(jiān)控節(jié)點(diǎn)下沉位置。

      在進(jìn)行USBL實(shí)時(shí)定位的同時(shí)會(huì)記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件，我們對(duì)數(shù)據(jù)體進(jìn)行分析，提取數(shù)據(jù)中的各個(gè)字段，并與設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)樁號(hào)進(jìn)行匹配，按樁號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)體進(jìn)行歸類后準(zhǔn)備處理。其中記錄的有價(jià)值的字段數(shù)據(jù)包含頭段信息和觀測(cè)值成果信息。頭段信息包含：聲速、探頭吃水深度、樁號(hào)與應(yīng)答器匹配關(guān)系、理論坐標(biāo)等：觀測(cè)值成果信息包含：應(yīng)答器號(hào)、觀測(cè)距離、水深、時(shí)間、實(shí)測(cè)坐標(biāo)等。

      通過提取后的USBL數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化、直觀分析，首先將USBL計(jì)算的水深值與船上安裝的測(cè)深儀的水深值進(jìn)行分析（如圖2所示）。當(dāng)節(jié)點(diǎn)人水后，持續(xù)下沉，在下沉過程中船舶繼續(xù)航行與節(jié)點(diǎn)的距離漸遠(yuǎn)。當(dāng)船舶航行120m后USBL記錄的節(jié)點(diǎn)水深與測(cè)深儀記錄的水深值相吻合，說明節(jié)點(diǎn)已經(jīng)沉人水底處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)船舶航行至195m后USBL水深數(shù)據(jù)出現(xiàn)輕微跳變，受觀測(cè)條件影響航行至260m后無USBL定位數(shù)據(jù)，從此組數(shù)據(jù)可以看出當(dāng)距離變遠(yuǎn)后人射角（人射角=ATAN（距離/水深））增大USBL水深數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳變導(dǎo)致定位精度下降，確定了人射角對(duì)USBL定位精度的影響。

圖1節(jié)點(diǎn)釋放過程

圖2 USBL深度值與測(cè)深儀對(duì)比

      由于USBL定位數(shù)據(jù)是當(dāng)節(jié)點(diǎn)人水后就開始記錄了，而我們需要的數(shù)據(jù)是節(jié)點(diǎn)沉入水底穩(wěn)定后采集的USBL定位數(shù)據(jù)，因此如何確定落底時(shí)刻就是我們分析的重點(diǎn)。

      確定以上幾個(gè)因素后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。數(shù)據(jù)采集前首先對(duì)USBL設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)和聲線改正，確保數(shù)據(jù)精度。對(duì)野外采集的USBL定位數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，將結(jié)果與LBL定位成果進(jìn)行對(duì)比[2]。按5°人射角將數(shù)據(jù)分多段計(jì)算，對(duì)比數(shù)據(jù)詳見表1。71°～75°人射角時(shí)統(tǒng)計(jì)表中點(diǎn)號(hào)3約束后有12個(gè)基線數(shù)，但是采集的聲學(xué)數(shù)據(jù)跳變嚴(yán)重未能計(jì)算出坐標(biāo)值；76°～80°入射角統(tǒng)計(jì)表中點(diǎn)號(hào)2受外界因素的影響，當(dāng)人射角大于75°后無聲學(xué)數(shù)據(jù)，未能計(jì)算出坐標(biāo)值。如圖3所示可以看出，隨人射角的增大，對(duì)比差也相應(yīng)變大，當(dāng)人射角約束在70°內(nèi)時(shí)，定位誤差小于2m，數(shù)據(jù)精度相對(duì)可靠。通過圖4可以看出，基線取值個(gè)數(shù)隨人射角增大而數(shù)量增多，人射角小于70°時(shí)有效基線個(gè)數(shù)8個(gè)左右，可以滿足USBL數(shù)據(jù)處理需求。

表1入射角分段統(tǒng)計(jì)表

圖3USBL與LBL坐標(biāo)差

圖4約束后基線取值個(gè)數(shù)

（1）通過深度和距離值進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)選，提高了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性

（2）處理過程中使用的數(shù)據(jù)要選擇節(jié)點(diǎn)落地穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)；
（3）人射角影響定位精度，當(dāng)人射角大于70°時(shí)，誤差大于2m。
（4）人射角影響有效基線取值個(gè)數(shù)，人射角越小基線數(shù)越少。
2. USBL定位數(shù)據(jù)處理方法
       要想得到最終的USBL定位數(shù)據(jù)成果，經(jīng)過研究我們確定了幾個(gè)方面進(jìn)行，分別為：數(shù)據(jù)過濾、落底距離約束、人射角約束、水深約束、平差計(jì)算。

2.1數(shù)據(jù)過濾
      通過多項(xiàng)次濾波將殘差大的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，水深和距離分別進(jìn)行曲線擬合，若水深和距離的實(shí)際值減去曲線擬合的值，大于設(shè)定的倍數(shù)乘以標(biāo)準(zhǔn)差則剔除數(shù)據(jù)，反之保留。剔除效果如圖5a、5b所示，經(jīng)過濾波后，將殘差大于設(shè)定的值后將數(shù)據(jù)剔除。

圖5處理過程示意圖

2.2落底距離約束
      經(jīng)過濾波后的數(shù)據(jù)，在對(duì)其進(jìn)行條件約束，首先約束的是落底后的距離（探頭到應(yīng)答器）。將此后的USBL定位數(shù)據(jù)認(rèn)為是節(jié)點(diǎn)落底穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)，如圖5c所示。

      想要得到到底點(diǎn)時(shí)的距離可按公式（1）計(jì)算，式中v和h可在數(shù)據(jù)文件中提取相應(yīng)的數(shù)值，而t是未知的，需要求取。在海洋地震勘探中每個(gè)工區(qū)的測(cè)線方向是一致的，施工時(shí)延測(cè)線方向往返行駛，并且會(huì)盡量避免在漲落潮期間釋放同一根測(cè)線。根據(jù)這個(gè)特性，我們可以將航向與潮流的關(guān)系確定，分四種情況，即：延測(cè)線方向順流、延測(cè)線方向頂流、反測(cè)線方向順流、反測(cè)線方向頂流。四個(gè)方向的落地距離S，可根據(jù)數(shù)據(jù)總結(jié)得到。分別收集四種情況的USBL聲學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行，通過已知的S并根據(jù)下式進(jìn)行反算得到t，根據(jù)上述四種潮流情況將t值代入公式（1）中進(jìn)行計(jì)算。

      經(jīng)過以上幾步的處理我們已經(jīng)將有效數(shù)據(jù)范圍縮小，目前我們已經(jīng)得到了有效數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)，通過之前的分析確定了人射角的增大會(huì)導(dǎo)致定位精度的下降，所以下一步就要約束人射角，使其有效數(shù)據(jù)的范圍進(jìn)一步縮小。如圖5d所示，將人射角約束在70°，已經(jīng)將后半部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。

2.4水深約束
      通過以上的約束，有了大致的取值范圍，但是在這些數(shù)值中扔有些突變值，只有剔除這些值才能保證取值范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)精度。剔除水深跳變的數(shù)據(jù)，判斷深度在參考水深士n%（靈活調(diào)整n的數(shù)值）以內(nèi)認(rèn)為合格，否則剔除。如圖5e所示，

3 USBL數(shù)據(jù)驗(yàn)證

      使用此處理方法選取一條檢波線，通過USBL定位數(shù)據(jù)計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，并與LBL定位成果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其處理結(jié)果的準(zhǔn)確性。本次對(duì)比檢驗(yàn)過程共計(jì)算117個(gè)點(diǎn)位坐標(biāo)，其中坐標(biāo)差大于2m的點(diǎn)9個(gè)，小于等于2m的點(diǎn)108個(gè)，誤差對(duì)比曲線圖詳見圖6。通過圖7的正態(tài)分布圖可以看出，正態(tài)曲線的高峰值集中在1.2~1.7m之間，占比個(gè)數(shù)最高集中在1.2m的頻次范圍。通過以上數(shù)據(jù)，表明計(jì)算的USBL成果與LBL對(duì)比誤差小于等于2m的占比92.3%。其數(shù)據(jù)結(jié)果表明，使用此USBL數(shù)據(jù)處理方法計(jì)算的結(jié)果與LBL定位結(jié)果相吻合，計(jì)算結(jié)果可靠。

圖7USBL與LBL對(duì)比差正態(tài)分布圖

4結(jié)束語

      在使用USBL定位設(shè)備進(jìn)節(jié)點(diǎn)布設(shè)工作時(shí)，已經(jīng)通過數(shù)據(jù)驗(yàn)證了USBL的定位精度，當(dāng)滿足特定條件下時(shí)，誤差小于等于士2m。條件應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)：（1）按規(guī)范進(jìn)行校準(zhǔn)，減小系統(tǒng)誤差影響[1；（2）有足夠多的有效數(shù)據(jù)體支撐，因?yàn)樵跒V波和條件約束的時(shí)候會(huì)剔除部分殘差大的數(shù)據(jù)；（3）使用節(jié)點(diǎn)落底并穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)參與計(jì)算，避免因節(jié)點(diǎn)漂浮干擾計(jì)算結(jié)果；（4）人射角小于等于70°，從上面的數(shù)據(jù)分析可以看出人射角增大精度會(huì)降低，大于70°時(shí)，誤差大于2m。不同水深情況下對(duì)USBL定位成果的影響和如何更好的應(yīng)用USBL定位成果是我們下一步需要研究的方向。

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