科考船傳感器安裝位置及偏角測定方法

郝艷楠

摘要：科考船是裝配多種調查設備，集成多種傳感器，實現實時觀測和數據處理的水上移動測量平臺。本文基于科考船船體結構特點，提出了構建船體坐標系的方法，便于使用全站儀等設備進行測量。

關鍵詞：科考船;傳感器;安裝位置;偏角測定

隨著越來越多的專業科考船在水運和海洋調查中投入使用，為實現高精度的測量成果，精確測定眾多傳感器在船體中以及相互之間的位置和偏角關系，是目前科考船行業中亟待解決的問題之一。目前各種傳感器的測量精度越來越高，傳感器在船體坐標系中安裝位置和偏角的測量精度已成為制約最終測量成果精度的主要因素之一。

一、科考船的結構特點

綜合科考船能夠滿足海洋工程、海道測量、海洋生物、地球物理和海洋地質等多學科測量需求。目前我國已有多艘現代化綜合科考船相繼下水，以“向陽紅01”、“向陽紅03”和“嘉庚”號等為代表，遠赴極地和各大洋開展海洋調查工作。出于水上測量目的，與其他游輪和貨輪不同，科考船在結構上往往具備以下共性：1）為滿足拖曳設備或水底取樣設備的收放，綜合科考船均具備更大的前后甲板作業空間，且后作業甲板往往較低，距離吃水面較近;2）為保證各種天線的信號接收強度和避免天線之間的干擾，科考船往往具備更高的桅桿，且桅桿上裝備有更多的天線和傳感器;3）為滿足部分設備室內、振動小、恒溫等條件，科考船往往在靠近船體重心位置有專門的儀器室放置AHRS系統、姿態傳感器和重力儀等設備;4）為保證船體有足夠空間安裝聲學換能器陣列，科考船船底設計有專門的換能器區域，或具備導流罩或Gondola結構體，這些結構體下表面較大且平坦。

二、船載測量傳感器類型

根據傳感器的用途，可以將科考船上的傳感器分為GNSS接收機、AHRS姿態傳感器和聲學換能器傳感器3類。GNSS接收機裝在船舶桅桿上，具有很好的對空通視條件。例如Veripos LD7，Seapath320等成對GNSS接收機經數據處理后還具備提供船舶首向功能，天線對之間基線越長，所提供的首向精度越高，前提是需要精確測定天線對方向和船首向之間的夾角關系。Veripos LD7標稱測量精度如表1所示：姿態傳感器體積小，一般安裝在靠近船體重心且震動較小的位置，實時精確提roll，pitch和heave值。OCTANCE，PHINS和MRG等還可提供首向值Head-ing，經過精確測量確定姿態傳感器單元首向和船體首向的安裝偏差后，即可實時獲得船體首向。聲學換能器是海洋調查中非接觸式探測的最常用傳感器，多用于單波束、多波束測深儀、淺地層剖面儀、聲學多普勒測流儀和魚探儀等設備。

三、傳感器安裝位置和偏角測定

船舶在干船塢內進行傳感器測量時可使用具備無棱鏡反射的高精度全站儀觀測，例如萊卡TS50等。

（一）位置測定方法

船塢周圍應當有至少2個及以上相距大于100m的C級GPS網控制點，根據船體結構和船塢實地情況，在船舶周圍和船上選擇設站點，并做好標識，開展閉合導線或附合導線控制測量。經聯測已知點或方位，平差計算后得到各設站點坐標。船舶內部結構復雜，位于船艙內的傳感器往往無法在導線點上直接觀測到，因此需要布設支導線進行坐標和方位傳遞。傳感器自身測量中心有的位于傳感器內部，需根據設備規格進行偏心測量，利用外部觀測點和傳感器內部測量中心的幾何關系歸算到傳感器測量中心，有的設備測量中心位于傳感器外表面，且有明確標識，對于安裝在桅桿上且只需要測定船體坐標系中位置的GNSS天線，可使用全站儀無棱鏡模式在多個導線點上多次觀測，無需架設棱鏡測量，因為無棱鏡測量精度要遠高于GNSS接收機的定位精度。對于能提供艏向的GNSS接收機對，若使用無棱鏡模式觀測，則經觀測計算得到的天線對方位的精度應高于天線對自身提供的艏向精度。對于其他傳感器，根據儀器測量精度選擇是否使用無棱鏡模式觀測。

（二）安裝偏角測定方法

傳感器安裝偏角分為Yaw，Roll和Pitch三種，這3種安裝偏角均為歐拉角。不同傳感器均有各自定義的測量坐標系，有的傳感器坐標軸指向與船體坐標系指向有所不同，姿態傳感器和聲學換能器上均有明確標識。Yaw安裝偏角指的是傳感自身的首向所指的地理北方位和船舶首向（X軸）所指的地理北方位之間的偏差;Roll安裝偏差指的是傳感器在左右舷方向的坐標軸與船體坐標系Y軸之間的未對齊偏差;Pitch安裝偏角指的是傳感器在豎直方向的坐標軸與船體坐標系Z軸的未對齊偏差。

（1）PHINS/OCTANS安裝偏角測定方法

PHINS和OCTANS不僅可以輸出roll，pitch和heave等姿態數據，同時可以輸出yaw首向數據。Yaw，roll和pitch的安裝偏角測定流程如下：

1）首先在PHINS和HYDRINS的配置軟件中，將所有的安裝偏差設置為0;

2）使用全站儀測得FRO和A的坐標或在FRO和A架設RTK，進行RTK基線測量確定船體首向 ，同時記錄PHINS和OCTANS的首向數據heading，觀測一段時間后分別取平均值 ，2組數據平均值之差就是PHINS和HYDRINS的首向安裝偏差： ;

3）測定FRO-A的方位 后，在過FRO且方位為（ ）的方向上找一標識點S，則向量FRO-S在XOY平面上的投影即為船體坐標系Y軸的方向向量;

4）將步驟2計算得到的 偏差 輸入到PHINS和OCTANS的配置軟件中，計算XOY平面沿著船首向 的傾角p，同時記錄PHINS和OCTANCS輸出的 姿態角，取一段觀測時間的平均值 與p作差，即得到角安裝偏差 ;

5）將步驟2和步驟3中得到的 和 輸入到PHINS和OCTANCS的配置軟件中。類似地，求得XOY平面沿Y軸的傾角r。測量過程中同時記錄PHINS和OCTANS輸出的roll數據，取一段觀測時間的平均值 與r作差，即得到roll角安裝偏差 ;

6）至此，完成PHINS和OCTANS的安裝偏角測定，上述觀測順序不可更換。

（2）聲學換能器安裝偏角測定方法

聲學換能器因尺寸較大，且設備規格書中嚴格定義了坐標軸向，可借助換能器安裝支架和換能器邊緣的螺桿作為參考點進行觀測和計算。換能器安裝偏角測量方法如下：

1）首先在換能器各軸向方向分別測定至少2個及以上點坐標，并計算出測點在船體坐標系下的坐標 ;

2）利用換能器首向方向上點的坐標計算出換能器首向和船體首向之間的夾角，即換能器首向安裝偏差△yaw;

將換能器表面上所有觀測點 繞Z軸旋轉△yaw后得 ：

4）利用旋轉后換能器首向上的測點 求出換能器首向軸與XOY平面的夾角，即pitch安裝偏差△pitch;

5）將換能器表面上所有觀測點坐標 繞X軸旋轉△pitch，即按照如下旋轉關系進行轉換，求得各測點坐標 ;

6）利用旋轉后換能器首向上的測點 求出換能器X軸與XOY平面的夾角，即roll安裝偏差△roll;

7）至此，各換能器與船體坐標系的安裝偏角均已經測量和計算得出。

針對科考船上多種測量傳感器的安裝位置和安裝偏角難以精確測定的問題，提出根據科考船的結構特點和各傳感器類型特征構建船體坐標系的基本方法，給出使用高精度全站儀測定各傳感器在船體坐標系中的安裝位置和安裝偏角的原理及流程，并對大型聲學換能器陣列平整度的測量給出方法和具體實施方案。

參考文獻

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