GyroUSBL在深海水下定位中的應用

陳建紅，李建明，黃明泉

（1.中海輝固地學服務(深圳)有限公司，廣東 深圳 518067）

GyroUSBL在深海水下定位中的應用

陳建紅1，李建明1，黃明泉1

（1.中海輝固地學服務(深圳)有限公司，廣東 深圳 518067）

以GyroUSBL系統為例，分析討論了GyroUSBL系統的工作原理、精度估計、應用范圍等內容，介紹了GyroUSBL在深海鋪管工程中的實際應用，并對使用過程中影響定位性能的主要因素進行簡單分析。

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2部分（圖1）， 這2部分同軸整合在一個部件中[1-5]。

圖1 GyroUSBL探頭實物圖

超短基線是根據聲波在水中傳播的速度，測量往返時間差來計算距離，測量相位差進行定位，即在水下發射聲波信號，依其水聽器接收陣的多個單元，按等邊三角形（或直角）布陣，水聽器之間距離只有約20 cm，將其設計安裝在一個部件中，將三角形所在平面當作基準坐標系的平面。通過測量水聽器單元接收的聲波信號的相位差確定應答器相對船艏的方位。同時測量斜距計算出水下應答器的坐標。系統內置的計算程序根據應答器與水聽器的距離和方位，解算出應答器相對于船載換能器三維空間位置的坐標[6]。

超短基線定位系統一般由聲學測量設備和數據采集處理設備2大部分組成。聲學測量設備由安裝在船體的聲學換能器和安裝在水下的聲學應答器組成。聲學換能器發射聲波信號給應答器，應答器收到訊問信號時，立即發射區別于訊問信號的響應信號到換能器，響應信號經通訊電纜傳輸給數據采集處理單元，做進一步加工處理，得到應答器相對于換能器的空間位置[6]。

GyroUSBL就是在UBSL探頭上增加一個高精度的光纖羅經，能輸出高精度姿態和艏向數據，加上精確的GNSS時間同步，通過對USBL的觀測數據進行實時修正，就可以得到比單純USBL更精確的位置[5-7]。其工作原理見圖2、圖3。

圖2 超短基線聲學定位原理

圖3 GyroUSBL姿態修正原理

2 影響定位性能的因素

GyroUSBL水下定位系統要實現精確導航定位，必然受到水面導航定位系統、姿態傳感器和超短基線定位系統的穩定性、可靠性、時間同步精準度等因素的制約。在實際應用中，應合理進行誤差分配，控制顯著誤差，求得最佳測量結果[8]。

總體來講，誤差來源可以綜合為下面4個方面。

1）校準誤差。船只航行時航行軌跡的瞬間變化與海況有著直接關系，GyroUSBL定位計算的瞬間起算大地坐標是通過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，船姿態對GNSS和GyroUSBL校準的影響是不可忽視的因素。

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

3）測角誤差。測角誤差主要由陣元間相位測量誤差、姿態角度誤差和羅經角度誤差引起，姿態角度誤差和羅經角度誤差主要由安裝技術引起。GyroUSBL的姿態和羅經角度誤差在出廠前已進行精密調校，基本可以忽略不計。相位誤差與基陣和應答器的位置有關，當應答器在基陣正下方時，陣元間相位差很小，從而使定位誤差保持在一個較小的范圍。因此，GyroUSBL只有在基陣下方一定椎度范圍內，才能保持較高精度。

4）時間同步誤差。時間同步誤差主要是因為超短基線數據、姿態數據、GNSS、羅經數據融合瞬間的各觀測數據的時間不同步而產生的。

3 精度估計

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

為了檢驗其精度，在荔灣3-1深海鋪管作業時進行野外校準。精度檢驗的基本原理和方法是：利用投放在海底固定不動的信標，在4個互成90°的方位經過對該信標實時定位數據的采集，計算位置的平均值作為信標的真實位置，反推出姿態和艏向的改正值。校準前的各項參數如圖4，此時的姿態改正值Pitch和Roll均為0，方向改正值也為0。校準后的各項參數如圖5，不難發現此時的姿態改正值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 校準前各項參數

圖5 校準后各項參數

從圖6可以看出，校準前和校準后信標的水平位置和垂直位置分布基本沒有變化，而且很集中，說明位置穩定沒有跳動。校準時（圖7），船在以海底信標為中心的4個互成90°方位上保持相同的艏向對信標位置進行采集， 中心位置即為信標位置， 4個方位上采集到的信標位置非常集中，說明位置誤差很少。校準時需要應用工區實測的聲速剖面，如圖8所示。圖9為校準時距離和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正態分布規律，而且標準差非常小。

圖6 校準前、后水平方向和垂直方向分布圖

圖7 校準時船的運動軌跡分布圖

圖8 校準時的聲速剖面圖

從以上的校準結果可以看出，在水深451 m的地方，GyroUSBL的位置綜合平面精度約為0．5 m，深度測量精度約為0．8 m。GyroUSBL探頭內置光纖羅經的精度：縱搖修正值為-0．08°；標準差為0．01°；橫搖修正值為0．01°；標準差為0．01°；羅經方位修正值為-0．01°；標準差為0．02°。從數據結果來看，各項誤差都很小，因此GyroUSBL可以免校準。

4 結 語

在作業水深不超過500 m的情況下，使用GyroUSBL能滿足作業精度需要。 隨著水深的增加，GyroUSBL的誤差會逐步增加，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，此時只靠GyroUSBL已經很難滿足作業的精度要求。在水深超過1 000 m時，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 校準時距離和X、Y、Z殘差柱狀分布圖

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P229

B

1672-4623（2015）02-0130-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.046

陳建紅，工程師，研究方向為海洋測繪的方法和數據處理、深海定位方法及應用。

2013-07-09。