USBL定位系統目標模擬軟件的設計與實現

曹 為，鄭翠娥，史 銘

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；2.哈爾濱工程大學水聲工程學院，黑龍江哈爾濱150001）

0 引 言

USBL定位系統發展于20世紀80年代，由于其具有成本低、便攜性強、靈活性高和操作簡單等優點，在海洋工程、海洋礦產資源、海洋國防建設等領域中迅速得到了廣泛的應用［1-2］。USBL定位系統是由換能器基陣、羅經、GPS等多種傳感器共同組合而成。其中，通過換能器基陣的測量數據可以解算出目標在基陣坐標系下的坐標，結合羅經和GPS的測量數據，通過坐標旋轉和坐標平移，最終得到目標在大地坐標系下的坐標，當目標運動時，能夠得到目標的運動軌跡［3-4］，具體定位原理在下一節有詳細介紹。

其中，換能器基陣得到的定位結果包含定位誤差。在USBL定位系統進行坐標旋轉與坐標平移的過程中，也會引入GPS定位誤差和羅經的角度測量誤差，系統的最終定位誤差即由這三種誤差共同組成［5-6］。因此，USBL定位系統在正式使用之前，需要進行誤差性能預報。然而，由于外場檢測代價高、花費大、耗費大量人力物力，因此，設計一款用于預報USBL定位系統誤差性能的目標模擬軟件勢在必行。

本文主要介紹了一種用于USBL定位系統誤差性能預報的目標模擬軟件。首先，簡單介紹了USBL定位系統的工作原理以及軟件的開發平臺。接著，詳細描述了軟件的設計思路與實現方法。最后，對軟件進行了測試，測試結果表明該目標模擬軟件能夠實現數據的讀取、發送，并將定位結果通過顯控軟件呈現出來，能夠滿足USBL定位系統誤差性能預報和日常維護的需求。

1 USBL定位系統工作原理

USBL定位系統是通過聲學定位系統對目標的距離與方位進行估計，得出目標相對于聲學基陣的坐標，進而融合GPS與羅經傳感器信息將此坐標轉換成為大地坐標來達到定位目的［7］。

1.1 USBL聲學換能器基陣定位原理

USBL聲學定位系統是通過目標的應答信號測量目標在基陣坐標系下的方位角以及目標到基陣中心的斜距來完成定位目的。聲學定位系統的工作原理圖如圖1所示，采用的定位解算方法如式（1）、式（2）

式中，λ為波長；d為陣元間距；φx為x軸相鄰陣元接收信號相位差；φy為y軸相鄰陣元接收信號相位差。

圖1 定位原理幾何圖

根據幾何關系得：

式中，R＝ct／2，c為水中聲速；t為從目標到換能器的信號傳播時間。

實際的測量值為φx、φy、c和t。這些量測定之后，目標相對基陣中心坐標系的坐標及斜距就唯一確定了，這樣就得到了目標在基陣坐標系上的位置［8］。

1.2 USBL聲學系統與羅經傳感器數據的融合

如圖2所示，USBL定位系統定位過程中共涉及三個坐標系：大地坐標系［G］、載體坐標系［C］、聲學基陣坐標系［A］。其中：大地坐標系［G］的N軸指向北方向，E軸指向東方向；載體坐標系［C］原點位于聲學基陣中心，X軸指向載體艏向，Y軸指向載體右舷向；基陣坐標系［A］原點位于聲學基陣中心，X軸指向十字陣1、4陣元所在直線方向，Y軸指向十字陣2、3陣元所在直線方向；三個坐標系均成左手系［9］。

圖2 USBL定位系統坐標定義

其中載體坐標系［C］轉換到大地坐標系［G］與基陣坐標系［A］轉換到載體坐標系［C］的過程如式（6）、式（7）所示［10］：

羅經傳感器能夠測得船（艇）的姿態角A、κ、φ。其中，方位角A為水平面內船舷方向與正北方向夾角；縱搖角κ為船舷方向與水平面的夾角；橫搖角φ為船的右舷方向與水平面的夾角。

USBL定位系統通過聲學定位基陣對應答器目標進行測向、測距，獲知應答器在基陣坐標系下的坐標A→XResp。將此坐標通過基陣安裝角偏差α、β、γ的修正之后可轉化得到應答器在USBL載體坐標系的坐標［8］：

其中C→XResp為應答器在USBL載體坐標系的坐標。再經（6）式轉化就可以得到應答器的大地坐標為

1.3 USBL系統與GPS傳感器數據的融合

聲學傳感器與羅經數據融合可以得到目標應答器在USBL載體坐標系下的坐標。進一步修正GPS天線中心與聲學基陣中心位置偏差Δ→X，即大地坐標系與載體坐標系的原點偏差，結合GPS測得的載體大地坐標G→Xcarieer，就可以得到應答器的大地絕對坐標為［10］：

2 USBL定位系統的誤差性能分析

USBL的聲學定位系統測量接收信號的時延與時延差實現對目標的定位。以x軸的定位誤差為例，對聲學定位公式（4）求偏導［11］得：

從而有位置相對定位精度為：

不難看出，聲學定位系統的定位誤差主要來源于時間測量誤差、聲速測量誤差、陣元間距測量誤差和相位測量誤差。由于聲速誤差不大，陣元間距誤差主要由安裝精度決定，相對誤差也可以達到千分之一量級［11］，相位差的測量也可以轉化到時延差的測量。所以，聲學定位系統主要誤差源于時延估計誤差。這種誤差主要來自測距系統自噪聲、環境噪聲及應答器的收發轉換時間差等。

USBL定位系統除了聲學定位部分外，在轉換到大地坐標系時還需要聯合GPS信息、船體姿態信息和系統的安裝誤差校準的結果，它們都各自會引入誤差。

USBL定位系統在大地坐標系下的絕對位置誤差與工作的距離無關，在同樣的GPS誤差條件下，作用距離較小時其對整個定位系統的相對誤差影響較大，作用距離較大時其對整個定位系統的相對誤差影響較小，在一定的作用距離和定位精度要求下時此誤差可以忽略不計［8］。實際上，GPS測量精度則與目標運動情況、數據處理手段、測量基線等情況有關，實際定位精度幾厘米至幾米不等［12］。

與系統安裝的基陣偏角誤差給系統定位精度帶來的影響類似，船體姿態誤差也會影響系統的相對定位精度。當工作距離較大時，在近似條件約束下系統定位精度近似與船體姿態測量誤差成線性關系［8］。目前，羅經的測量精度可達0.1°，而縱搖角、橫搖角測量精度為0.01°［12］。

GPS的定位誤差和安裝誤差所導致的基陣偏心誤差給整個USBL定位系統所帶來的系統誤差屬于絕對定位誤差，與應答器到基陣的距離無關。當工作距離較大時，在一定的相對定位精度要求下此兩種誤差可以忽略不計；在相對較小的工作距離下，同樣的誤差會給整個定位系統的相對定位精度帶來極大的惡化。

斜距較小時，GPS誤差與偏心誤差對整個定位系統的誤差起主導作用，而在斜距較大時，則是聲學定位誤差、姿態誤差與安裝偏角誤差起主要的作用［8］。

對于USBL定位系統來說，任何一個聲學系統安裝完成后，都需要對設備進行測試，預報系統性能、分析誤差情況和系統可靠性。測試方法為仿真出目標反射的不同時延、不同幅度、不同多普勒的信號，用目標模擬器軟件讀取仿真數據，通過DA設備轉換成模擬信號供USBL聲學定位設備采集，解算結果聯合GPS數據和羅經傳感器數據，解算出目標的位置，通過與真實位置進行比較，給出USBL定位系統的性能。

3 軟件開發平臺與儀器介紹

USBL目標模擬器軟件的開發采用NI公司的LabWindows／CVI平臺，該平臺久經驗證，為工程師和科學家提供了用于創建測試和控制應用的全套編程工具［13］。

NI PCI-6733 DA采集卡是由美國國家儀器公司（NI）開發的采集卡，它具有8條數字I／O線及16位高速模擬輸出，每條通道速度達1MS／s，性能優越可靠，可滿足大多數的應用需求。目標模擬器選擇NI PCI-6733 DA采集卡作為軟件與系統信息傳輸的工具。

4 軟件結構和功能設計

4.1 軟件的結構設計

軟件結構主要包括四部分，如圖3所示。讀模塊實現對滿足協議的仿真數據文件的讀取；寫模塊用于發送系統讀取的文件數據；顯示模塊能夠同步顯示正在發送的數據；自觸發模塊能夠滿足設備自觸發的需要。

圖3 軟件結構示意圖

4.2 軟件功能設計與實現

4.2.1 讀寫模塊及顯示模塊的設計

用戶選擇文件成功后，軟件依照用戶設定的模式讀取目標仿真數據，通過DA卡發送給聲學定位設備，同時在界面上顯示正在發送的信號波形。具體實現方式為：運行軟件，選擇文件成功后，讀取并檢查文件名和文件頭，如果符合設定的格式，將文件頭中的參數信息分別賦給讀結構體、顯示結構體、寫結構體（READ＿MODULE、SHOW＿MODULE、WRITE＿MODULE）。接下來，將文件數據讀取到讀緩存后，再分別寫進寫緩存和顯示緩存。利用寫結構體中的參數設置DA任務將數據分8路發送；利用顯示結構體中的參數設置顯示模塊，在顯示控件上顯示用戶選擇的任意4路信號。讀模塊、顯示模塊和寫模塊之間的同步由多線程技術（靠事件進行同步）實現。

4.2.2 自觸發模塊的設計

目標模擬器軟件能夠實現DA設備的自觸發和外部觸發。自觸發模塊能夠創建自觸發線程，將用戶設定的自觸發參數讀到自觸發結構體中，根據自觸發結構體中的參數控制DA設備，實現設備自觸發。系統開始自觸發任務后進入循環等待，直到用戶終止數據回放或改變觸發方式為止。

4.2.3 文件讀取的順序／循環讀取功能的設計

軟件能夠實現文件的順序讀取和循環讀取功能。實現方式為：對用戶選擇的數據文件的文件名（如圖4）進行分解，提取主文件名和文件索引值。文件索引值賦給初始文件索引變量（StartFileIndex）和當前文件索引變量（CurrentFileIndex）。在按初始文件名讀取文件后，對文件當前索引值（CurrentFileIndex）自加1，再與主文件名組成下一個要讀取文件的文件名，實現文件順序讀取。在文件的循環讀取模式下，依照文件順序讀取模式在所有文件讀取完畢后，將文件的初始索引變量（StartFileIndex）值賦給文件的當前索引變量（CurrentFileIndex）值，與主文件名重新組成初始選中文件的文件名實現文件的循環讀取。

圖4 文件名分解圖

5 軟件的測試結果

在實驗室環境下對軟件進行了測試。用Matlab仿真出8路不同時延的原始信號波形數據，利用軟件讀取仿真數據并控制DA設備將讀取的數據發送到USBL聲學換能器基陣的AD采集部分供系統進行采集和定位解算。

圖5、圖6為Matlab仿真出的目標反射到聲學換能器基陣的原始波形。

圖5 原始仿真波形數據（1-4路）

圖6 原始仿真波形數據（5-8路）

圖7 讀取文件數據效果圖（1-4通道）

圖8 讀取文件數據效果圖（5-8通道）

圖7 和圖8為目標模擬器在外部觸發、順序讀取模式時讀取仿真數據到顯控平臺的測試效果。

大量實測結果顯示，USBL目標模擬器軟件能夠完全、較快地讀取仿真信號文件數據，在界面上顯示任意4路信號數據，控制DA設備發送8路信號數據，供USBL聲學定位設備對原始波形進行采集、解算。解算結果再與GPS傳感器數據和羅經傳感器數據融合，解算出目標的絕對位置，能夠很好地完成USBL系統的定位性能的測試。

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