基于長基線水聲定位系統水下定位技術初步應用研究

田春和，秦建

（1.山東省高校海洋測繪重點實驗室（山東科技大學），青島266590；2：交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津300456）

基于長基線水聲定位系統水下定位技術初步應用研究

田春和1,2，秦建2

（1.山東省高校海洋測繪重點實驗室（山東科技大學），青島266590；2：交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津300456）

長基線定位系統（Long Baseline），簡稱LBL，是一種高精度深水水下定位系統。文章在介紹了國內外LBL發展現狀基礎上，通過松花湖LBL水下定位系統試驗，介紹了其定位理論和方法，解決了50m水深海底信標布放、固定及回收問題，探索了海底應答器相對校準（基線校準）、絕對校準方法，確定了定位標的跟蹤定位方式，形成了相對完整的LBL水下定位流程和方法體系，得到了高精度水下定位數據，為實際工程應用提供了真實的理論基礎。

長基線水聲定位系統；相對校準；絕對校準；跟蹤定位

隨著科學技術的發展和對能源的需求，近年來人類已經將注意力越來越多地轉向海洋資源的開發和利用。水下定位技術為海洋開發和科學研究提供基礎保障作用。在海洋石油開發中的井口重入、水下油氣管道的布設、水下電纜的鋪設、水下救險、沉船打撈、水下機器人定位、靶場定位、潛水員定位以及航道異物清除等都要用到水下定位技術。

長基線定位系統（Long Baseline），簡稱LBL，是利用測量水下目標聲源到各個基元的時間差,解算目標的方位和距離，最終得出目標精確的三維位置，為水下施工提供精確的定位服務。長基線定位系統基線長度可達到100～6 000m，以其定位精度高，工作范圍大而備受關注，而現在國內對于長基線的工程實際應用還沒有普及，長基線水聲定位系統通常伴隨ROV一起應用于實際工程中，市場潛力巨大，效益非常可觀，所以，長基線水聲定位系統的應用具有重要意義。

1958年，由華盛頓大學的應用物理實驗室建成的4個水聽器組成的三維坐標跟蹤水下武器靶場，為LBL水下定位系統的雛形［1］。USBL與LBL綜合定位系統是水下聲學定位系統技術發展的最新應用，提高了定位精度和系統可靠性的同時，也擴大了水下聲學定位技術的不同需求和應用范圍。20世紀80年代初，為了對目標實施精確導航及軌跡測量，國內靶場首次引進了法國Oceano公司的LBL系統［2］。哈爾濱工程大學交付海軍使用的GRAT LBL水下定位系統開創了我國開展LBL系統研制的先河［2］。荀俊姑、郭紀捷等圍繞有關聲線修正方法，提出了基于平均聲速迭代算法進行聲線修正的思想和方法［3］。李莉、王先華根據長基線同步定位原理對測陣方法進行了仿真研究［4-5］。高劍等在未校準前提下提出基于地圖創建和無跡卡爾曼同步定位方法，輸出了高精度LBL跟蹤定位結果［6］。

1 LBL系統組成及工作原理

1.1 LBL系統組成

LBL包括三大部分：在船舶上的數據處理系統；安裝在定位目標或船舶上的聲學收發器（transducer）；另一部分是布放在海底由多個收發應答器組成的定位基陣。由應答器之間的距離構成基線，長基線水聲定位系統通過測定聲學收發器和應答器之間的距離或者應答器與跟蹤定位應答器之間的距離，利用前方交會或后方交會算法，對目標進行跟蹤定位。

除了上述三大主要部分外，根據LBL絕對定位要求，長基線水聲定位系統還需要其他外圍支持設備：定位系統GNSS、電羅經、姿態補償裝置等。此外，聲速剖面儀也是聲學系統不可或缺的設備。

1.2 LBL工作原理

長基線系統包含兩部分，分別是收發器部分和應答器部分。收發器部分是安裝在船只上或水下機器人上；應答器部分是安裝在一系列固定海底位置，各個應答器之間的距離構成基線。與超短基線和短基線相比，長基線的基線長度較長，在百米到幾千米之間。長基線水聲定位系統主要是通過測量收發器和應答器之間的距離，采用測量中的前方或后方交會，實現對目標的定位。系統的工作方式是距離測量。

實際工作時，既可利用一個應答器進行定位，也可以同時利用兩個、三個或更多的應答器來進行測距定位。用一個應答器定位方法，是以船速、航向誤差較小為前提，定位精度不高，而實際工作中，運用三個以上應答器進行跟蹤定位，產生多余觀測值，從而得到更高相對定位精度。本文以三個水下應答器來說明長基線水下定位系統的工作原理。

如圖1所示，以x、y、z來表示跟蹤目標的三維坐標；以(xi,yi,zi),i=1,2,3表示已知的水下信標Ti的坐標，Ri(i=1,2,3)為跟蹤目標與水下信標的距離。由跟蹤目標到水下應答器的空間交會距離可知方程（1）

不過，劉霆在報告中也指出，2017年，我國人均年飲料消費量約為130公斤，其中包裝飲用水消費量占比接近53%。若不含包裝飲用水的人均年消費量為61公斤，尚低于每年90公斤的世界平均水平，更遠低于歐美國家人均消費水平。

求解方程組即可得到跟蹤目標的x、y、z三維位置。根據測量平差原理，實際應用中,需要接收4個以上海底應答器的信號,產生多余觀測,從而滿足最小二乘平差計算，提高測量的精度。

圖1 長基線定位示意圖Fig.1 Sketch of LBL positioning system

2 LBL系統工作流程

本次試驗設備主要包括LBL定位系統、RTK雙頻GPS接收機、VRU、Gyro、多波束測量系統、聲速剖面儀、導航軟件等。首先將LBL收發器用鋼管固定并放置在船舷遠離噪聲的地方，使換能器過船底；通過電纜把換能器與甲板單元連接，并通過串口線使甲板單元與導航機相連；采用SeatexmRU?05姿態傳感器，Pitch/ Roll測量精度為±0.05°，Heave測量精度±5 cm，TSS電羅經測量精度為±0.1°，為LBL船載換能器提供姿態補償數據。GPS采用Leica GPS1200雙頻RTK，用于LBL船載換能器定位及基準傳遞。

工作過程包括：準備工作、水底基陣設計、基陣布放校準、跟蹤定位、數據處理等，其中，準備工作內容為GPS基準站點位測量、設備安裝、多波束地形測量；基陣設計內容有單個水下信標的固定支架設計，布放地形選擇，根據地形設計集鎮布放位置；基陣布放校準包括水下信標的收放方式、相對校準、絕對校準及校準數據處理；跟蹤定位為LBL換能器的跟蹤定位。

2.1 海底基陣網設計

根據工作范圍、現場海域條件和技術要求，設計海底基陣信標個數、信標間距離，同時根據信標間距離和海底地形高差確定每個信標與海底的距離。根據現場工作條件采用絞車布放海底基陣。本次作業使用5個信標進行水下基陣的組成，基陣邊長為100m。

2.2 海底基陣校準

海底基陣為LBL定位提供起算基準，其精度直接影響定位精度。LBL基陣校準分為相對校準和絕對校準。對于絕對校準，如何獲取高精度的陣元絕對位置是長基線絕對校準的關鍵技術之一，也是測繪基準由水面傳遞到海底的關鍵技術。

（1）相對校準。首先采用相對校準方法，對海底基陣進行校準，相對校準的觀測值為：水深、基線長度、海底信標的先驗坐標。為了驗證相對校準時，不同信標個數對相對校準的影響，本次試驗進行三次相對校準試驗，得到的平差后校準精度分別為1.3 cm、1.5 cm、1.6 cm，都達到了厘米級精度。（2）絕對校準。相對校準完成之后，對基陣選取對角最長邊的兩個海底信標進行絕對校準，海底基陣絕對校準采用GNSS定位技術和聲學測距技術，對海底基陣陣元進行精確定位，得到相應的海底陣元絕對坐標，并以該絕對坐標為起算數據，在相對校準測邊網平差計算結果的基礎上，獲得各陣元絕對坐標。絕對校準采用單個信標校準模式，使用導航軟件指揮測量船按照一定的圓軌跡，圍繞信標進行順時針繞三圈。

選取圓半徑與信標深度大致相近的數據進行平差計算，由計算可以看出，不進行粗差提出，結算所得信標絕對校準精度為±1m；采用2σ原則剔除粗差，絕對校準精度為±1cm，采用1σ進行粗差剔除，雖然精度達到厘米級，但超過80%數據被剔除，可靠性降低。則采用2σ原則剔除粗差，得到的絕對校準數據用于后續跟蹤測量。

為了驗證絕對校準中不同方向走航對校準精度的影響，分別采用逆時針、順時針進行絕對校準試驗，采用2σ進行剔除粗差后，平差結果為：順時針絕對校準精度為1 cm，逆時針精度為1 cm；順時針、逆時針所有數據參與平差后，絕對校準精度為0.7 cm，可以看出走航方向對校準精度沒有太大影響，順時針和逆時針數據合并解算提高絕對校準精度。

2.3 跟蹤定位

跟蹤定位作業時，輸入準確的聲速，通過水面船只的收發器對目標上的收發器下達測量指令，選擇參與跟蹤定位的陣元和跟蹤方式，系統自動開始測距，同時將數據上傳至定位軟件，軟件對數據進行處理，解算目標的位置。

本次試驗，使用的是高精度RTK定位系統，其動態定位精度在2 cm，GPS基準站架設在松花湖邊附近樓頂，距離試驗水域1 km左右距離，基準站點位位置通過24 hGPS靜態觀測，并與IGS長春站聯測得到。

把RTK天線固定在垂直于換能器的位置，并輸入其高度差，把換能器與RTK歸算到同一位置，根據校準后的基陣位置，來跟蹤測量換能器的實時位置，并與RTK天線位置進行對比，用以分析LBL定位系統的跟蹤測量精度。

3 定位數據分析

影響LBL定位的誤差源按影響特性分為偶然誤差、系統誤差和粗差三類，偶然誤差如測時誤差、羅經方位誤差、姿態儀誤差等；系統誤差包括GNSS定位誤差、聲速測量誤差、姿態儀安裝偏差等；粗差包括多路徑效應、異常GNSS定位數據、海底基陣變動等。上述誤差中，偶然誤差可通過數據處理來削弱；系統誤差如GNSS定位誤差、聲速測量誤差，可通過提高GNSS定位精度、進行聲線修正來削弱；而粗差的影響，除采用嚴格的觀測流程消弱之外，還可以采用統計學方法進行消除。

本次數據分析所采用的數據為松花湖試驗其中某一天的觀測數據，布放5個海底信標組成海底基陣，經過相對校準和絕對校準后，對換能器進行跟蹤定位，并與安裝在LBL換能器正上方的GPS RTK定位數據進行對比分析，結果如表1所示。由表1可以看出，在X、Y方向的精度較低，而在Z方向的精度較高，結合試驗現場條件分析，由于船只橫搖、縱搖引起的在XY平面位置換能器與RTK位置的偏差。如果認為大于0.5m的差異為粗差，則剔除粗差可得表2中數據。由表2中可以看出，剔除粗差后，在XYZ方向上的精度分別為0.261m、0.224m、0.081m，分別在分米量級和厘米量級。說明LBL水下定位系統具有較高精度。

表1 換能器跟蹤定位結果與GPS RTK定位結果在XYZ三方向差異對比表Tab.1 Statistical result of transducer and GPS location

表2 剔除粗差的換能器定位結果與GPS RTK定位結果在XYZ三方向差異對比表Tab.2 Statistical result of transducer location without gross error and GPS location

4 結論

本文系統介紹了LBL試驗的實驗前準備、水下基陣布設、水下基陣校準、跟蹤定位整個過程。

在此基礎上，探討了不同校準方法對校準精度的影響。在絕對校準中，不同數量的基線參與校準時對相對校準精度的影響不同，全部基線參與校準時，相對校準精度為1.3 cm；對角線基線不參與解算時，校準精度為1.5 cm；相鄰邊基線不參與解算時，校準精度為1.6 cm。都達到了厘米級精度。絕對校準時，順時針、逆時針絕對校準精度都為1 cm，當同時參與解算時精度達到0.7 cm，精度有所提高，都達到了厘米級精度。

在跟蹤定位時，剔除粗差后定位精度在XYZ分別為0.261m、0.224m、0.081m，由本文的最終結果看，基于LBL的水下定位系統跟蹤定位結果，與GPS RTK定位結果對比，具有較高的定位精度。論文所試驗的LBL精密跟蹤定位理論方法正確，為實際工程提供了理論基礎。

［1］田坦,劉國枝,孫大軍.聲納技術［M］.哈爾濱∶哈爾濱工程大學出版社,2000.

［2］付進.長基線定位信號處理若干關鍵技術研究［D］.哈爾濱∶哈爾濱工程大學,2007.

［3］荀俊姑,郭紀捷.深海超短基線聲學定位系統計算目標水平距離的一種新方法［J］.海洋技術,1997,16（4）∶17-22. XUN J G,GUO J J.A Newmethod tomeasure Horizontal Distance of Target by a Deep Ocean Ultra Short Baseline Acoustic Posi?toning System［J］.Ocean Technology,1997,16（4）∶17-22.

［4］李莉.長基線陣測陣校陣技術研究［D］.哈爾濱∶哈爾濱工程大學,2007.

［5］王先華.長基線水下跟蹤定位系統測陣校陣及系統集成［D］.哈爾濱∶哈爾濱工程大學,2004.

［6］高劍,徐德民,嚴衛生,等.應答器未校準情況下的水下長基線定位方法研究［J］.西北工業大學學報,2005,23（6）∶754-758. GAO J,XU Dm,YAN W S,et al.A New and Bettermethod of Underwater LBL Localization with Unsurveyed Transponders［J］. Journal of Northwestern Polytechnical University,2005,23（6）∶754-758.

Applied research of long baseline acoustic positioning system based on underwater positioning technique

TIAN Chun?he1,2，QIN Jian2
（1.Key Laboratory ofmarine Surveying andmapping in Universities of Shandong（Shandong University of Science and Technology）,Qingdao 266590,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Tianjin 300456,China）

Long baseline positioning system,referred to as LBL，is a kind of high precise deep underwater posi?tioning system.Based on analyzing the development situations of LBL,the positioning theory andmethod were stud?ied systematically according to the experiment in Songhua lake,and the problems of seabed beacons laying,fixation and recycle in 50m water depth were solved in this paper.Then relative calibration(baseline calibration)method and absolute calibration(box?in)were explored,and the tracking and positioningmode of localizer was determined. An integrated system and a positioning process of LBL were formed,and the high precise underwater positioning da?ta were obtained.

long baseline acoustic positioning system;relative calibration;absolute calibration;track localiza?tion

P 229

A

1005-8443（2015）03-0268-04

2014-10-09；

2014-11-14

山東省高校海洋測繪重點實驗室（山東科技大學）資助項目（2013A01）

田春和（1979-），男，吉林省榆樹人，高級工程師，主要從事海洋工程勘察研究工作。

Biography：TIAN Chun?he(1979-),male,senior engineer.