超短基線在定位應用的時候，需要安裝在水面船舶上，并結合全球衛(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，需要歸算到 GPS 的絕對坐標 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)，這就是校準的過程，本文將對超短基線的校準方法進行詳細的闡述。

1 超短基線定位的工作原理

      超短基線定位系統(tǒng)（USBL）聲學系統(tǒng)使用由四個 或更多元件組成的單個傳感器（見圖 1），通過聲學測 量確定目標位相對于水聽器的距離和方位，來完成對目 標物的定位。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

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

2 系統(tǒng)校準的目的

      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)采集校準出水平方向偏差、 俯仰和滾轉偏差，以提升定位的準確性。

圖 2 相位延遲和入射角

圖 3 USBL 幾何圖

3 系統(tǒng)校準實施

3.1數(shù)據(jù)采集

      系統(tǒng)校準正式展開前，需要進行羅經(jīng)檢查及校準、 姿態(tài)傳感器的檢查及校準、聲速的采集及應用、偏移距 的測量及應用。羅經(jīng)的校準需要將羅經(jīng)的測量數(shù)據(jù)歸算 至船舶的中心線上，利用全站儀，使用已知點或者太陽 觀測的方式。船舶姿態(tài)傳感器的校準時將傳感器的測量 數(shù)據(jù)歸算至船舶的參考系，可以采用兩臺全站儀或 RTK 的方式進行實時相對高程測量。聲速采集則使用聲速傳 感器進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 立右手坐標系，用全站儀測量更參考點在坐標系中的位 置。上述準備工作完成后，在海底布置 1 枚應答器，應 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法。 在四個選定的基點上進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集時需要船 舶盡量保持同一首向，以獲得更準確的校準結果。在深水中，基點通常選定在距離信標水深的1/3 或 500m 處， 以較小者為準。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)采集的質量不夠理 想，可以調轉船頭，如圖 5 所示，按 1，中心，3，4，中心， 2 的數(shù)據(jù)再次進行數(shù)據(jù)采集，以確保采集到數(shù)量足夠的數(shù) 據(jù)，每個基點的每個方向上至少采集 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)校準輪廓

圖 6 通過運行線進行校準

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

在兩個相鄰的基點之間總共運行 12 條線路，并在 信標頂部進行 4 次轉換。測線的布置方向可以旋轉，以 便在需要的地方提供電流和風向。運行線的長度取決于 固定數(shù)據(jù)采集的水深。在開始收集數(shù)據(jù)之前，應將線路 延長一段適當?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)。當誤 差的逆值作為調整過程中的權值時，對于未知數(shù)應給出 初值和誤差。誤差估計值應該是切實的。

以下誤差估計代表了一個典型的船只設置。

信標位置 +/- 50m 

信標深度 +/- 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 準結果才更為可信。

圖 7 船舶通過校準運行線（水深大于100m）

3.4 結果驗證

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

4 結束語

      USBL 定位系統(tǒng)在使用前需要確認其是否經(jīng)過系統(tǒng) 的校準，校準后的系統(tǒng)才具備正常使用的意義。校準的 過程應考慮當前的天氣 / 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)內對聲速進行 精確建模。在較舊的系統(tǒng)上，只能輸入傳感器，中間水和應答器位置的聲速。此外，在 USBL 校準過程中，應 監(jiān)控水面定位系統(tǒng)的質量，因為水面定位系統(tǒng)的任何誤 差會直接傳遞到 USBL 系統(tǒng)，從而影響校準結果。

參考文獻：

[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,2005. 

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

[3] 牛清正. 超短基線定位系統(tǒng)檢測裝置設計實現(xiàn)[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學,2017.

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