超短基線定位誤差綜合分析及實(shí)驗(yàn)

田春和

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456）

超短基線定位誤差綜合分析及實(shí)驗(yàn)

田春和

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456）

在超短基線水下定位過(guò)程中，海洋噪聲的存在、工作環(huán)境的變化以及設(shè)備安裝等方面都會(huì)引起定位誤差，這些誤差的傳遞致使定位誤差在超過(guò)幾百米后增長(zhǎng)很快，致使有效定位距離不能太遠(yuǎn)，限制了超短基線在水下定位作業(yè)中的應(yīng)用范圍。文章對(duì)超短基線水下定位系統(tǒng)誤差的來(lái)源進(jìn)行了綜合分析，并進(jìn)行了水聲定位誤差綜合實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析，對(duì)超短基線定位誤差進(jìn)行了綜合評(píng)估。通過(guò)對(duì)超短基線定位誤差來(lái)源中粗差和系統(tǒng)誤差的分析并開(kāi)展相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的處理和研究，提出了改善超短基線水下定位性能的幾種方法。

超短基線；精度；誤差；實(shí)驗(yàn)

水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)是一個(gè)綜合定位系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航定位，必然受到GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)、船載（集成）輔助傳感器、超短基線導(dǎo)航定位系統(tǒng)及水上定位和水下定位數(shù)據(jù)融合方法等的影響和制約，其中超短基線導(dǎo)航定位系統(tǒng)的研究是重中之重。海洋噪聲的存在、工作環(huán)境的變化以及設(shè)備安裝等方面都會(huì)引起超短基線系統(tǒng)的定位誤差［1］。對(duì)超短基線而言，在其定位計(jì)算的過(guò)程中，這些誤差的傳遞致使定位誤差在超過(guò)幾百米后增長(zhǎng)很快，致使有效定位距離不能太遠(yuǎn)，限制了超短基線在水下定位作業(yè)中的應(yīng)用范圍。要提高超短基線的定位精度和作業(yè)距離，必須盡量減小各種誤差來(lái)源中粗差和系統(tǒng)誤差對(duì)定位系統(tǒng)精度的影響，因此有必要分析定位系統(tǒng)中的誤差來(lái)源。

1 超短基線水下定位精度分析

假設(shè)影響水下定位精度的各誤差源是相互獨(dú)立的，則整個(gè)系統(tǒng)的定位精度可以定義為

式中：USBL為超短基線系統(tǒng)本身測(cè)量所引起的定位誤差，即測(cè)距和測(cè)向引起的誤差；Gyro為電羅經(jīng)測(cè)量航向引起的在水平位置上的誤差；MRU為運(yùn)動(dòng)傳感器所引起的在水平位置上的誤差；GPS為衛(wèi)星定位系統(tǒng)的平面誤差；SVP為聲速剖面測(cè)量引起的水平位置的誤差；Calibration為安裝校準(zhǔn)引起的水平位置的誤差；i為換能器到應(yīng)答器不同入射角所引起的誤差；Noise為噪聲所引起的誤差。為了分析起來(lái)簡(jiǎn)便一些，把USBL、SVP、噪聲和不同入射角i所造成的誤差統(tǒng)稱(chēng)為USBL誤差，將Calibration、Gyro和MRU統(tǒng)稱(chēng)為Calibration誤差，將GPS單獨(dú)列為GPS誤差［2-6］?？梢钥闯?，USBL誤差和Calibration誤差均與作用距離（包括水平距離和垂直距離）密切相關(guān)。

USBL誤差是由聲速、噪聲和不同入射角造成的。而Calibration誤差則主要包括Gyro與MRU的測(cè)量誤差及其校準(zhǔn)誤差。當(dāng)采用RTK GPS進(jìn)行水上表面定位時(shí)，由于其定位精度可達(dá)厘米級(jí)，因此其誤差可以忽略。如果使用差分GPS進(jìn)行水上定位，定位精度則在1～2 m以內(nèi)，當(dāng)超短基線系統(tǒng)在近距離工作時(shí)，USBL誤差和Calibration誤差所在比重很小，DGPS的定位誤差對(duì)系統(tǒng)定位精度的影響就比較明顯；而隨著作用距離增加，DGPS定位誤差在整個(gè)定位誤差中的比例也相應(yīng)減小，USBL誤差和Calibration誤差就成為定位精度的主要影響因素。

由于影響系統(tǒng)定位精度的因素很多，消除每個(gè)誤差源顯然是不現(xiàn)實(shí)的，應(yīng)該通過(guò)超短基線水下定位精度分析，針對(duì)不同情況下的主要誤差源進(jìn)行重點(diǎn)研究。

2 水聲定位誤差綜合實(shí)驗(yàn)

通過(guò)水下定位系統(tǒng)的誤差分析，將總誤差分解為USBL誤差、Calibration誤差和GPS誤差，其中GPS誤差由工作中使用的水上定位設(shè)備決定，Calibration誤差由安裝校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)解決。

本次實(shí)驗(yàn)水上定位采用RTK GPS，其定位精度可達(dá)厘米級(jí)，因此GPS誤差可以忽略；水下定位使用的IXSea Gaps超短基線，具有便攜、即插即用、無(wú)需校準(zhǔn)等突出優(yōu)點(diǎn)，它通過(guò)將GPS定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、光纖羅經(jīng)/姿態(tài)儀系統(tǒng)同水聲定位系統(tǒng)的傳感器組裝在一起，并將各傳感器之間的相對(duì)偏移量在出廠前進(jìn)行內(nèi)部標(biāo)定并固化在系統(tǒng)的內(nèi)部程序中，因此從理論上來(lái)說(shuō)Gaps系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需進(jìn)行標(biāo)定，不存在各傳感器之間的安裝、測(cè)量誤差問(wèn)題，確保了系統(tǒng)的高精度導(dǎo)航定位。但是，在野外工作條件下，Gaps能否達(dá)到其宣稱(chēng)的非校準(zhǔn)精度，則需要實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

因此以下探討的主要問(wèn)題Calibration誤差和由聲速、噪聲及不同入射角造成的USBL誤差。

2.1 Calibration誤差實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證IXSea Gaps超短基線在非校準(zhǔn)的情況下能否達(dá)到標(biāo)稱(chēng)精度，在室內(nèi)游泳池里進(jìn)行了校準(zhǔn)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，驗(yàn)證Gaps的測(cè)量精度。

（1）實(shí)驗(yàn)思路。在校準(zhǔn)工作中，輸入人工位置作為Gaps換能器的坐標(biāo)，避免了GPS的測(cè)量誤差；主要試驗(yàn)應(yīng)答器固定置于水底的校準(zhǔn)方法；選擇圍繞應(yīng)答器位置的4個(gè)重要位置點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量；在測(cè)量開(kāi)始前進(jìn)行聲速剖面的測(cè)量并輸入超短基線控制系統(tǒng)；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，盡量減小聲速和噪聲的影響；校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)前，精確測(cè)量Gaps固定桿頂端到換能器的距離。（2）實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所。選擇一室內(nèi)游泳池，長(zhǎng)50 m，寬20 m，中央?yún)^(qū)域水深2 m。選擇室內(nèi)游泳池的目的是為了盡量減小聲速和噪聲的影響，使測(cè)量過(guò)程中主要存在換能器的安裝校準(zhǔn)誤差，有利于儀器校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。游泳池內(nèi)為淡水，水溫變化不大，深度只有2 m以內(nèi)，溫鹽深三項(xiàng)基本一致，沒(méi)有聲速的影響；而且作為室內(nèi)游泳池，封閉性好，水面平靜，而且測(cè)量時(shí)保持換能器和應(yīng)答器靜止不動(dòng)，噪聲可以忽略不計(jì)。（3）實(shí)驗(yàn)要求。校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)需要對(duì)換能器位置、應(yīng)答器位置、應(yīng)答器相對(duì)于換能器的距離和方位、換能器的三維姿態(tài)進(jìn)行同步觀測(cè)，并稱(chēng)之為“位置配對(duì)”（Position Pair）。要求在圍繞應(yīng)答器位置進(jìn)行4個(gè)重要點(diǎn)的配對(duì)位置測(cè)量，換能器距應(yīng)答器的水平距離分別為10 m和25 m左右。（4）實(shí)驗(yàn)過(guò)程。將應(yīng)答器固定于水池的中央，并保持豎直。實(shí)驗(yàn)前，首先使用全站儀精確測(cè)量應(yīng)答器的位置和Gaps固定桿頂端坐標(biāo)；使用聲速計(jì)進(jìn)行聲速剖面的測(cè)量并輸入Gaps控制軟件。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在每個(gè)位置測(cè)量10 min，至少記錄100對(duì)數(shù)據(jù)。每次測(cè)量都必須在水面波動(dòng)停止后進(jìn)行，以減小噪聲的影響。（5）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。使用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)答器始終靜止安放于水底，且換能器也在保持靜止的情況下對(duì)應(yīng)答器進(jìn)行測(cè)量。校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)是在盡量減小系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的條件下進(jìn)行的，因此通過(guò)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法，剔除粗大誤差，提高數(shù)據(jù)的密度后，能體現(xiàn)出系統(tǒng)本身的性能，方便對(duì)測(cè)量結(jié)果的分析。在對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，計(jì)算得到應(yīng)答器距離換能器的平均距離和中誤差（表1）。通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到，IXSea Gaps在近似理想工作情況的游泳池內(nèi)，將近70%的數(shù)據(jù)位于半徑為0.35 m的圓里，即定位精度可以達(dá)到0.35 m。（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)論。超短基線系統(tǒng)IXSea Gaps在無(wú)需校準(zhǔn)的情況下，依然可以達(dá)到很高的測(cè)量精度；在近似理想的工作條件下，IXSea Gaps可以達(dá)到0.35 m以內(nèi)的定位精度，與標(biāo)稱(chēng)的0.2 m的定位精度很接近。

2.2 USBL噪聲實(shí)驗(yàn)

將信標(biāo)拋入某港池中部的水中，此處水深約為15 m，并記錄大致位置。測(cè)量船穿越應(yīng)答器上方布設(shè)一條長(zhǎng)度為400 m的測(cè)線。在測(cè)量過(guò)程中，換能器保持豎直安裝，航線盡量保持直線，分別采用2節(jié)、4節(jié)、6節(jié)船速對(duì)應(yīng)答器的位置進(jìn)行往返測(cè)量，在剔除粗差數(shù)據(jù)后比較不同船速下的測(cè)量結(jié)果中誤差，船速為2節(jié)、4節(jié)、6節(jié)時(shí)，中誤差分別為1.13 m、1.28 m、2.68 m。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，噪聲是降低IXSea Gaps超短基線測(cè)量精度的主要因素。在船低速行駛時(shí)，螺旋槳和發(fā)動(dòng)機(jī)是主要噪聲源。隨著船速加大，數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯降低，在正常工作船速即四節(jié)船速下USBL噪聲誤差為1.28 m。

因此在水下定位測(cè)量時(shí)，如無(wú)必要盡量不要?jiǎng)哟词箘?dòng)船必須嚴(yán)格限制船速在4節(jié)以下。

2.3 USBL不同入射角實(shí)驗(yàn)

換能器位置固定不變，不同距離下，應(yīng)答器從海面深入海底，再?gòu)暮５谆氐胶Ｃ?，測(cè)試入射角變化對(duì)定位精度的影響。

為減小隨機(jī)誤差即噪聲的影響，所有聲速實(shí)驗(yàn)均在停船的情況下進(jìn)行。

將測(cè)量船固定在某海域碼頭，換能器位于船的外側(cè)，避免遮擋，距離應(yīng)答器距離約120 m，應(yīng)答器從水面依次停止在3 m、9 m、15 m3個(gè)深度，每個(gè)深度測(cè)量5 min。以深度±3 m作為有效水深范圍，2倍中誤差剔除粗差數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算，得到應(yīng)答器深度為3 m、9 m、15 m時(shí)，中誤差分別為8.19 m、1.79 m、1.43 m。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：IXSea Gaps在不考慮聲線彎曲并且沒(méi)有動(dòng)船的情況下，工作時(shí)的作用距離越近即入射角越小，數(shù)據(jù)質(zhì)量越好，在渤海灣正常工作條件下，水深為15 m，換能器距離應(yīng)答器為120 m左右，入射角所造成的誤差為1.43 m。

表1校準(zhǔn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.1Results of calibration datam

3 USBL定位誤差綜合評(píng)估

如實(shí)驗(yàn)所述，在渤海灣正常工作條件下，水深為15 m，換能器距離應(yīng)答器為120 m左右，采用RTK GPS進(jìn)行表面定位，IXSea Gaps超短基線進(jìn)行水下定位，在正常工作船速為4節(jié)的情況下，各誤差源所引起的超短基線定位誤差為：IXSea Gaps USBL系統(tǒng)本身測(cè)量所引起的定位誤差為0.2%，120 m即0.24 m；Calibration、Gyro和MRU所引起的定位誤差為0.35 m；RTK GPS所引起的定位誤差為0.03 m；Noise即USBL噪聲誤差為1.28 m；聲速測(cè)量誤差通?？梢钥刂圃?.1%距離以內(nèi)，120 m即0.12 m，SVP即USBL聲速誤差為0.12 m；i即入射角所造成的誤差為1.43 m。故σ即USBL整個(gè)系統(tǒng)的定位精度為1.97 m。

假設(shè)影響水下定位精度的各誤差源是相互獨(dú)立的，則USBL整個(gè)系統(tǒng)的定位精度可以定義為

4 提高USBL定位精度的方法

通過(guò)USBL定位誤差分析、實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理，可以總結(jié)出以下提高USBL定位精度的方法：（1）噪聲是降低IXSea Gaps超短基線測(cè)量精度的主要因素。在船低速行駛時(shí)，螺旋槳和發(fā)動(dòng)機(jī)是主要的噪聲源。隨著船速加大，數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯降低。（2）IXSea Gaps在不考慮聲線彎曲并且沒(méi)有動(dòng)船的情況下，工作時(shí)的作用距離越近即入射角越小，數(shù)據(jù)質(zhì)量越好。（3）USBL定位過(guò)程中，應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)量聲速。（4）對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)可以采用卡爾曼濾波消除粗差，卡爾曼濾波能明顯的改善超短基線的定位結(jié)果［6］。

［1］田坦.水下定位與導(dǎo)航技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

［2］隋海琛，田春和，韓德忠，等.水下定位系統(tǒng)誤差分析［J］.水道港口，2010，31（1）：69-72. SUI H C，TIAN C H，HAN D Z，et al.Error analysis of underwater positioning system［J］.Journal of Waterway and Harbor，2010，31（1）：69-72.

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Error analysis and experiment of USBL positioning

TIAN Chun?he
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

The ocean noise,the change of the working environment and the installation of the equipment could cause the positioning error in the ultra short baseline underwater positioning.The position error could be diverged by propagation of error in more than a few hundred meters,resulting in the effective positioning distance could not be too far.The application of ultra short baseline would be affected directly in the underwater positioning.In this pa?per,a comprehensive analysis of the error sources of the ultra short baseline underwater positioning system was car?ried out,and a comprehensive evaluation of the error of the positioning error was carried out.Several methods for im?proving the accuracy of the ultra short baseline positioning were proposed by analyzing the error of the ultra short baseline positioning,the experiment and the data processing.

ultra short baseline(USBL);accuracy;error;experiment

P 229

A

1005-8443（2015）06-0605-04

2015-09-06；

2015-11-02

田春和（1979-），男，吉林省榆樹(shù)人，高級(jí)工程師，主要從事海洋工程勘察研究工作。

Biography：TIAN Chun?he（1979-），male，senior engineer.