超短基線定位原理及校正方法研究

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1、超短基線定位原理及校正方法研究王德剛,韓富江,來向華,茍諍慷,傅曉明(國家海洋局第二海洋研究所,浙江杭州310012)摘要:通過探討超短基線和GPS技術(shù)相結(jié)合的三維立體定位原理,分析超短基線定位誤差來源,如安裝偏差、聲速誤差、船姿態(tài)變化引起的偏差等,利用以最小二乘法為理論基礎(chǔ)的動態(tài)校正法對超短基線定位誤差進(jìn)行了修正,將校正前后的定位數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差和剩余偏差處理后對比發(fā)現(xiàn),這種方法可以極大地提高水下目標(biāo)定位的精度,減少定位的誤差,這也在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證。實(shí)現(xiàn)對超短基線定位數(shù)據(jù)的有效校正將極大地擴(kuò)展超短基線在海洋科學(xué)研究和海洋勘探開發(fā)活動水下定位領(lǐng)域的應(yīng)用,對提高水下目標(biāo)的定位精度具有重要的現(xiàn)實(shí)意

2、義。關(guān)鍵詞:超短基線系統(tǒng);水下定位;誤差分析;動態(tài)校正中圖分類號:P229文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1000-3096(2011)02-0077-05近年來,隨著海洋科學(xué)研究和海洋勘探開發(fā)活動對數(shù)據(jù)的精度要求越來越高,需要對水下工作的拖體(聲納拖魚、水下機(jī)器人等)進(jìn)行精確定位。當(dāng)前主要采用兩種手段進(jìn)行水下定位,一種是LAYBACK方式[1],方法較簡單,但定位效果不理想,主要由于拖體與GPS天線的方位和距離偏差受船速、航向和流速等因素影響較大;另一種是利用水聲技術(shù)進(jìn)行水下定位,可以達(dá)到較高的精度要求。高精度水下聲學(xué)定位系統(tǒng)是許多高新技術(shù)的集成,根據(jù)基線長度的不同以及工作原理和作用范圍的區(qū)別,可以

3、分為長基線(longbaseline)、短基線(shortbaseline)和超短基線(ultrashortbaseline,簡稱USBL)3種定位技術(shù)[2]。長基線方法定位精度高,但設(shè)備龐大,布放過程復(fù)雜;短基線定位方法的設(shè)備和布放較簡單,但精度不高;超短基線水聲定位系統(tǒng)以其成本低、便攜性強(qiáng)、靈活性高和操作簡單等優(yōu)點(diǎn),在海洋工程、海洋礦產(chǎn)資源、水下考古、海洋國防建設(shè)等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。由于超短基線定位存在一定的偏差而影響水下目標(biāo)定位的精度,為減小超短基線的定位誤差,本文利用以最小二乘法為理論基礎(chǔ)的動態(tài)校正法對定位數(shù)據(jù)進(jìn)行了基陣組成。收發(fā)基陣安裝在同一探頭上,應(yīng)答器固定在水下拖體上。系統(tǒng)

4、通過測定聲單元的相位差來確定換能器到目標(biāo)的相對方位角;換能器與目標(biāo)的距離通過測定聲波傳播的時間,再用聲速剖面修正波束線,最終確定聲基陣與水下拖體目標(biāo)的相對距離,從而確定目標(biāo)的相對位置(圖1)。圖1超短基線水下定位原理圖及坐標(biāo)系統(tǒng)Fig.1USBLunderwaterpositioningschematicdiagramandrelatedcoordinatesystems基陣坐標(biāo)系中,θ為目標(biāo)方位角,r為目標(biāo)水平斜處理,通過實(shí)例驗(yàn)證這種方法是有效和可行的,提高水下目標(biāo)定位的精度具有重要的意義。對收稿日期:2009-08-03;修回日期:2010-12-13基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(4

5、0476032);國家海洋局第二海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(JG0911,JG0913)作者簡介:王德剛(1981-),男,山東德州市人,碩士,主要從事海洋工程地球物理技術(shù)研究,E-mail:DeGang_W@163.com超短基線系統(tǒng)定位原理超短基線定位系統(tǒng)由發(fā)射基陣、應(yīng)答器、接收1距,α，β，R為測量值,可計算目標(biāo)的相對位置參數(shù)[3]:?10cosβmsinβm0??cosαm010sinαm?R1=?0?sinβm?×??×00???0???cosβm?????sinαmcosαm??x=Rcosαy=Rcosβ(1)(2)?cosγ?sinγ0?mm?sinγm0?超短基線定位系統(tǒng)要

6、測量水下目標(biāo)的絕對位置(地理坐標(biāo)),需將超短基線系統(tǒng)與DGPS系統(tǒng)、船姿態(tài)傳感器系統(tǒng)及電羅經(jīng)系統(tǒng)結(jié)合在一起(圖2),其中DGPS系統(tǒng)用于測得船只所在位置大地坐標(biāo),運(yùn)動傳感器和電羅經(jīng)用于獲取測量船每個時刻的橫搖(roll)、縱搖(pitch)及船艏向(yaw)資料,用于實(shí)時校正超短基線的姿態(tài),安裝后需精確測量各個傳感器之間的三維距離,根據(jù)傳感器之間的位置關(guān)系,進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,最終可實(shí)現(xiàn)水下運(yùn)動拖體的三維實(shí)時高精度定位。cosγm0????1??0在聲基陣探頭理想安裝狀態(tài)下,利用USBL定位結(jié)果及水下運(yùn)動目標(biāo)的方位角,通過式(3)可將水下目標(biāo)的位置信息轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系統(tǒng)中,得到水下目標(biāo)的絕對位置。2

7、誤差分析與系統(tǒng)校正2.1誤差分析影響超短基線定位系統(tǒng)精度的主要因素有系統(tǒng)自身誤差、海洋環(huán)境參數(shù)測量誤差、波浪引起的船姿態(tài)偏差及聲學(xué)基陣帶來的偏差等[5]。聲學(xué)基陣探頭、DGPS、電羅經(jīng)等儀器本身的絕對誤差,按照儀器相關(guān)校正方法進(jìn)行校正即可;海洋環(huán)境參數(shù)測量誤差主要是水體聲速剖面的變化所引起的距離測量偏差,需使用聲速剖面儀得到工作水域的聲速變化曲線,在計算水下目標(biāo)距離時進(jìn)行校正;船姿態(tài)引起的偏差校正