陳建紅，李建明，黃明泉

（1.中海輝固地學(xué)服務(wù)(深圳)有限公司，廣東 深圳 518067）

GyroUSBL在深海水下定位中的應(yīng)用

陳建紅1，李建明1，黃明泉1

（1.中海輝固地學(xué)服務(wù)(深圳)有限公司，廣東 深圳 518067）

以GyroUSBL系統(tǒng)為例，分析討論了GyroUSBL系統(tǒng)的工作原理、精度估計(jì)、應(yīng)用范圍等內(nèi)容，介紹了GyroUSBL在深海鋪管工程中的實(shí)際應(yīng)用，并對(duì)使用過(guò)程中影響定位性能的主要因素進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

GyroUSBL；深海水下定位；工作原理；定位性能；適用范圍

1 GyroUSBL定位原理

GyroUSBL探頭按照功能不同可以分為超短基線和光纖羅經(jīng)2部分（圖1）， 這2部分同軸整合在一個(gè)部件中[1-5]。

圖1 GyroUSBL探頭實(shí)物圖

超短基線是根據(jù)聲波在水中傳播的速度，測(cè)量往返時(shí)間差來(lái)計(jì)算距離，測(cè)量相位差進(jìn)行定位，即在水下發(fā)射聲波信號(hào)，依其水聽(tīng)器接收陣的多個(gè)單元，按等邊三角形（或直角）布陣，水聽(tīng)器之間距離只有約20 cm，將其設(shè)計(jì)安裝在一個(gè)部件中，將三角形所在平面當(dāng)作基準(zhǔn)坐標(biāo)系的平面。通過(guò)測(cè)量水聽(tīng)器單元接收的聲波信號(hào)的相位差確定應(yīng)答器相對(duì)船艏的方位。同時(shí)測(cè)量斜距計(jì)算出水下應(yīng)答器的坐標(biāo)。系統(tǒng)內(nèi)置的計(jì)算程序根據(jù)應(yīng)答器與水聽(tīng)器的距離和方位，解算出應(yīng)答器相對(duì)于船載換能器三維空間位置的坐標(biāo)[6]。

超短基線定位系統(tǒng)一般由聲學(xué)測(cè)量設(shè)備和數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備2大部分組成。聲學(xué)測(cè)量設(shè)備由安裝在船體的聲學(xué)換能器和安裝在水下的聲學(xué)應(yīng)答器組成。聲學(xué)換能器發(fā)射聲波信號(hào)給應(yīng)答器，應(yīng)答器收到訊問(wèn)信號(hào)時(shí)，立即發(fā)射區(qū)別于訊問(wèn)信號(hào)的響應(yīng)信號(hào)到換能器，響應(yīng)信號(hào)經(jīng)通訊電纜傳輸給數(shù)據(jù)采集處理單元，做進(jìn)一步加工處理，得到應(yīng)答器相對(duì)于換能器的空間位置[6]。

GyroUSBL就是在UBSL探頭上增加一個(gè)高精度的光纖羅經(jīng)，能輸出高精度姿態(tài)和艏向數(shù)據(jù)，加上精確的GNSS時(shí)間同步，通過(guò)對(duì)USBL的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，就可以得到比單純USBL更精確的位置[5-7]。其工作原理見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 超短基線聲學(xué)定位原理

圖3 GyroUSBL姿態(tài)修正原理

2 影響定位性能的因素

GyroUSBL水下定位系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航定位，必然受到水面導(dǎo)航定位系統(tǒng)、姿態(tài)傳感器和超短基線定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、時(shí)間同步精準(zhǔn)度等因素的制約。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)合理進(jìn)行誤差分配，控制顯著誤差，求得最佳測(cè)量結(jié)果[8]。

總體來(lái)講，誤差來(lái)源可以綜合為下面4個(gè)方面。

1）校準(zhǔn)誤差。船只航行時(shí)航行軌跡的瞬間變化與海況有著直接關(guān)系，GyroUSBL定位計(jì)算的瞬間起算大地坐標(biāo)是通過(guò)GNSS提供的，換能器安裝在搖擺不定的船上，隨著船只擺幅變化，定位航跡與實(shí)際航跡并不完全一致。如不考慮GNSS自身誤差的影響，依其接收天線安裝高度，船姿態(tài)對(duì)GNSS和GyroUSBL校準(zhǔn)的影響是不可忽視的因素。

2）測(cè)距誤差。測(cè)距誤差主要是由測(cè)時(shí)誤差引起的，而測(cè)時(shí)誤差又與信噪比和聲速息息相關(guān)。聲波在水下傳播過(guò)程中，聲速、聲線彎曲、水面反射等都會(huì)影響測(cè)時(shí)的準(zhǔn)確度，而聲波的散射、吸收和環(huán)境噪音會(huì)影響信噪比，因此測(cè)距誤差主要是由水聲學(xué)因素引起的，水下定位時(shí)的工作條件和工作方法直接影響定位精度。

3）測(cè)角誤差。測(cè)角誤差主要由陣元間相位測(cè)量誤差、姿態(tài)角度誤差和羅經(jīng)角度誤差引起，姿態(tài)角度誤差和羅經(jīng)角度誤差主要由安裝技術(shù)引起。GyroUSBL的姿態(tài)和羅經(jīng)角度誤差在出廠前已進(jìn)行精密調(diào)校，基本可以忽略不計(jì)。相位誤差與基陣和應(yīng)答器的位置有關(guān)，當(dāng)應(yīng)答器在基陣正下方時(shí)，陣元間相位差很小，從而使定位誤差保持在一個(gè)較小的范圍。因此，GyroUSBL只有在基陣下方一定椎度范圍內(nèi)，才能保持較高精度。

4）時(shí)間同步誤差。時(shí)間同步誤差主要是因?yàn)槌袒€數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、GNSS、羅經(jīng)數(shù)據(jù)融合瞬間的各觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間不同步而產(chǎn)生的。

3 精度估計(jì)

GyroUSBL的定位精度與海況和水深關(guān)系密切。本文以荔灣3-1深海鋪管作業(yè)為例，討論GyroUSBL的精度。

為了檢驗(yàn)其精度，在荔灣3-1深海鋪管作業(yè)時(shí)進(jìn)行野外校準(zhǔn)。精度檢驗(yàn)的基本原理和方法是：利用投放在海底固定不動(dòng)的信標(biāo)，在4個(gè)互成90°的方位經(jīng)過(guò)對(duì)該信標(biāo)實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)的采集，計(jì)算位置的平均值作為信標(biāo)的真實(shí)位置，反推出姿態(tài)和艏向的改正值。校準(zhǔn)前的各項(xiàng)參數(shù)如圖4，此時(shí)的姿態(tài)改正值Pitch和Roll均為0，方向改正值也為0。校準(zhǔn)后的各項(xiàng)參數(shù)如圖5，不難發(fā)現(xiàn)此時(shí)的姿態(tài)改正值Pitch和Roll均有了改變，方向改正值也有改變，改正值都非常小。

圖4 校準(zhǔn)前各項(xiàng)參數(shù)

圖5 校準(zhǔn)后各項(xiàng)參數(shù)

從圖6可以看出，校準(zhǔn)前和校準(zhǔn)后信標(biāo)的水平位置和垂直位置分布基本沒(méi)有變化，而且很集中，說(shuō)明位置穩(wěn)定沒(méi)有跳動(dòng)。校準(zhǔn)時(shí)（圖7），船在以海底信標(biāo)為中心的4個(gè)互成90°方位上保持相同的艏向?qū)π艠?biāo)位置進(jìn)行采集， 中心位置即為信標(biāo)位置， 4個(gè)方位上采集到的信標(biāo)位置非常集中，說(shuō)明位置誤差很少。校準(zhǔn)時(shí)需要應(yīng)用工區(qū)實(shí)測(cè)的聲速剖面，如圖8所示。圖9為校準(zhǔn)時(shí)距離和X、Y、Z方向殘差柱狀分布圖，可以看出距離和X、Y、Z方向的殘差基本呈現(xiàn)正態(tài)分布規(guī)律，而且標(biāo)準(zhǔn)差非常小。

圖6 校準(zhǔn)前、后水平方向和垂直方向分布圖

圖7 校準(zhǔn)時(shí)船的運(yùn)動(dòng)軌跡分布圖

圖8 校準(zhǔn)時(shí)的聲速剖面圖

從以上的校準(zhǔn)結(jié)果可以看出，在水深451 m的地方，GyroUSBL的位置綜合平面精度約為0．5 m，深度測(cè)量精度約為0．8 m。GyroUSBL探頭內(nèi)置光纖羅經(jīng)的精度：縱搖修正值為-0．08°；標(biāo)準(zhǔn)差為0．01°；橫搖修正值為0．01°；標(biāo)準(zhǔn)差為0．01°；羅經(jīng)方位修正值為-0．01°；標(biāo)準(zhǔn)差為0．02°。從數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看，各項(xiàng)誤差都很小，因此GyroUSBL可以免校準(zhǔn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

在作業(yè)水深不超過(guò)500 m的情況下，使用GyroUSBL能滿足作業(yè)精度需要。 隨著水深的增加，GyroUSBL的誤差會(huì)逐步增加，在水深1 300 m、浪高4 m的海況下，GyroUSBL定位的平面精度大約為5 m，此時(shí)只靠GyroUSBL已經(jīng)很難滿足作業(yè)的精度要求。在水深超過(guò)1 000 m時(shí)，GyroUSBL如何滿足水下定位精度要求，是今后研究和討論的方向。

圖9 校準(zhǔn)時(shí)距離和X、Y、Z殘差柱狀分布圖

[1] 管澤霖,俆德寶,寧津生,等．海洋大地測(cè)量學(xué)[M]．北京:測(cè)繪出版社,1989

[2] Sonardyne International Limited．UM-8250 A5 Marksman LUSBL Ranger 2 Pro USBL User Manual[M]．Rev 5．United Kingdom,2012

[3] Sonardyne International Limited．UM-8084-101-A5 Lodestar Hardware Manual[M]．Rev 5．United Kingdom,2011

[4] Sonardyne International Limited．UM-8084-107 A3 Lodestar AHRS Operation Manual[M]．Rev 3． United Kingdom,2011

[5] IXSEA．User Guide Octans Sunsea Models 1 000, 30 000 and 3 000Ti[M]．Rev F France,2004

[6] 馮守貞,吳永亭,唐秋華．超短基線聲學(xué)定位原理及其應(yīng)用[J]．海岸工程,2002(4):14-19

[7] 飛揚(yáng)科技．DGPS基本理論[EB/OL]． http://www．gpsbaby．com/wz/dgps．html,2007-11-08

[8] Fugro Survey Pty Ltd．Starfix Seis Suite of Applications User Manual[M]．Rev 10．1． Netherlands,2012

P229

B

1672-4623（2015）02-0130-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.046

陳建紅，工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ鬁y(cè)繪的方法和數(shù)據(jù)處理、深海定位方法及應(yīng)用。

2013-07-09。