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1、超短基线定位原理及校正方法研究王德刚,韩富江,来向华,苟诤慷,傅晓明(国家海洋局第二海洋研究所,浙江杭州310012)摘要:通过探讨超短基线和GPS技术相结合的三维立体定位原理,分析超短基线定位误差来源,如安装偏差、声速误差、船姿态变化引起的偏差等,利用以最小二乘法为理论基础的动态校正法对超短基线定位误差进行了修正,将校正前后的定位数据标准偏差和剩余偏差处理后对比发现,这种方法可以极大地提高水下目标定位的精度,减少定位的误差,这也在实际应用中得到验证。实现对超短基线定位数据的有效校正将极大地扩展超短基线在海洋科学研究和海洋勘探开发活动水下定位领域的应用,对提高水下目标的定位精度具有重要的现实意
2、义。关键词:超短基线系统;水下定位;误差分析;动态校正中图分类号:P229文献标识码:A文章编号:1000-3096(2011)02-0077-05近年来,随着海洋科学研究和海洋勘探开发活动对数据的精度要求越来越高,需要对水下工作的拖体(声纳拖鱼、水下机器人等)进行精确定位。当前主要采用两种手段进行水下定位,一种是LAYBACK方式[1],方法较简单,但定位效果不理想,主要由于拖体与GPS天线的方位和距离偏差受船速、航向和流速等因素影响较大;另一种是利用水声技术进行水下定位,可以达到较高的精度要求。高精度水下声学定位系统是许多高新技术的集成,根据基线长度的不同以及工作原理和作用范围的区别,可以
3、分为长基线(longbaseline)、短基线(shortbaseline)和超短基线(ultrashortbaseline,简称USBL)3种定位技术[2]。长基线方法定位精度高,但设备庞大,布放过程复杂;短基线定位方法的设备和布放较简单,但精度不高;超短基线水声定位系统以其成本低、便携性强、灵活性高和操作简单等优点,在海洋工程、海洋矿产资源、水下考古、海洋国防建设等领域中得到了广泛的应用。由于超短基线定位存在一定的偏差而影响水下目标定位的精度,为减小超短基线的定位误差,本文利用以最小二乘法为理论基础的动态校正法对定位数据进行了基阵组成。收发基阵安装在同一探头上,应答器固定在水下拖体上。系统
4、通过测定声单元的相位差来确定换能器到目标的相对方位角;换能器与目标的距离通过测定声波传播的时间,再用声速剖面修正波束线,最终确定声基阵与水下拖体目标的相对距离,从而确定目标的相对位置(图1)。图1超短基线水下定位原理图及坐标系统Fig.1USBLunderwaterpositioningschematicdiagramandrelatedcoordinatesystems基阵坐标系中,θ为目标方位角,r为目标水平斜处理,通过实例验证这种方法是有效和可行的,提高水下目标定位的精度具有重要的意义。对收稿日期:2009-08-03;修回日期:2010-12-13基金项目:国家自然科学基金资助项目(4
5、0476032);国家海洋局第二海洋研究所基本科研业务费专项(JG0911,JG0913)作者简介:王德刚(1981-),男,山东德州市人,硕士,主要从事海洋工程地球物理技术研究,E-mail:DeGang_W@163.com超短基线系统定位原理超短基线定位系统由发射基阵、应答器、接收1距,α，β，R为测量值,可计算目标的相对位置参数[3]:⎡10cosβmsinβm0⎤⎡cosαm010sinαm⎤R1=⎢0−sinβm⎥×⎢⎥×00⎢⎢⎣0⎥⎢⎥cosβm⎥⎦⎢⎣−sinαmcosαm⎥⎦x=Rcosαy=Rcosβ(1)(2)⎡cosγ−sinγ0⎤mm⎢sinγm0⎥超短基线定位系统要
6、测量水下目标的绝对位置(地理坐标),需将超短基线系统与DGPS系统、船姿态传感器系统及电罗经系统结合在一起(图2),其中DGPS系统用于测得船只所在位置大地坐标,运动传感器和电罗经用于获取测量船每个时刻的横摇(roll)、纵摇(pitch)及船艏向(yaw)资料,用于实时校正超短基线的姿态,安装后需精确测量各个传感器之间的三维距离,根据传感器之间的位置关系,进行坐标转换,最终可实现水下运动拖体的三维实时高精度定位。cosγm0⎢⎢⎣⎥1⎥⎦0在声基阵探头理想安装状态下,利用USBL定位结果及水下运动目标的方位角,通过式(3)可将水下目标的位置信息转换到大地坐标系统中,得到水下目标的绝对位置。2
7、误差分析与系统校正2.1误差分析影响超短基线定位系统精度的主要因素有系统自身误差、海洋环境参数测量误差、波浪引起的船姿态偏差及声学基阵带来的偏差等[5]。声学基阵探头、DGPS、电罗经等仪器本身的绝对误差,按照仪器相关校正方法进行校正即可;海洋环境参数测量误差主要是水体声速剖面的变化所引起的距离测量偏差,需使用声速剖面仪得到工作水域的声速变化曲线,在计算水下目标距离时进行校正;船姿态引起的偏差校正
