科考船傳感器安裝位置及偏角測定方法

李治遠，吳永亭，胡 俊，豆虎林，張海泉，張彬彬

(自然資源部 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

0 引 言

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。

1 船體坐標系建立

1.1 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[1-4]。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[5-8]；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[9-10]，這些結構體下表面較大且平坦。

圖1 科考船典型結構布局Fig.1 Typical structural layout of R/V

圖2 科考船主桅桿傳感器布設Fig.2 Sensors layout on mast in a R/V

1.2 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Heading，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。

1.3 船體坐標系的建立

船殼周圍的吃水刻度標識從船舶基線算起，因此有統一的起算基準，且在建造期間相同刻度標識應位于同一水平面，選擇該吃水面為船體坐標系的參考面XOY。同時，船舶建造時在零肋位線中點FRO處往往會有鑄鐵標注，且在甲板兩側每隔5個肋位都會標注肋位號，這些標志都是建立船體坐標系的關鍵點。在距離零肋位線較遠的前甲板選擇某一肋位線并確定其中點A，并將FRO點與A點的連線投影至參考面XOY上，即為X軸，如圖3所示。

圖3 船體坐標系框架的定義Fig.3 Definition of vessel body coordinate frame

船體坐標系定義如下：X軸指向船首為正，過FR0點且垂直于X軸的直線為Y軸，并指向右舷為正，以垂直于XOY平面且經過FRO點的豎線為Z軸，向下為正，建立船體右手直角坐標系。同時規定：面向Z軸所指方向順時針旋轉時yaw為正，面向Y軸所指方向順時針旋轉時pitch為正，面向X軸所指方向順時針旋轉時roll為正。

2 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。

2.1 位置測定方法

船塢周圍應當有至少2個及以上相距大于100 m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，如圖4所示。

圖4 傳感器及換能器的測量中心示意圖Fig.4 Measurement center of sensors and transducers

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。使用全站儀直接觀測得到的是地平坐標系下的坐標，需按照1.3節中的定義轉化到船體坐標系下，轉換方法如下：

1）在船體參考平面XOY上測出至少4個及以上的點坐標，使用最小二乘平差法確定XOY的平面方程，并據此求得平面XOZ和YOZ的方程。

2.2 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。部分傳感器安裝偏角如圖5所示。

2.2.1 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；

圖5 傳感器安裝偏角示意圖Fig.5 Sketch map of sensors’ installation angle

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，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；

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。

2.2.2 聲學換能器安裝偏角測定方法

圖6 坐標系旋轉示意圖Fig.6 Schematic diagram of coordinate system rotation

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；

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。

2.3 換能器陣列模塊的平整度測定方法

換能器模塊的安裝平整度測量主要針對深水多波束等大型換能器陣列，其收發換能器由多個模塊拼接構成。需使用高精度全站儀測定安裝支架關鍵點在船體坐標系下的高差。將測量結果繪制在二維圖中，可檢查換能器的安裝平整度是否符合安裝要求，如圖8和圖9所示。

圖7 聲學換能器測量參考點示意圖Fig.7 Measurement point of acoustic transducer

圖8 EM302多波束模塊平整度測量示意圖Fig.8 Flatness measurement of EM302 MBES models

圖9 EM302多波束模塊平整度技術要求Fig.9 Flatness requirement of EM302 MBES models

3 測量結果分析

按照上述測量方法，在“向陽紅18”科考船塢修期間完成船上關鍵傳感器的安裝位置和安裝偏角測量。

3.1 測量實例及結果

經嚴格測量并對測量數據進行嚴密分析，評估測量結果，得到測量結果如表1和表2所示。

3.2 精度評估

3.2.1 內符合精度

1）所有位置觀測量均有冗余觀測值，經多次重復測量結果顯示，位置測量精度為±2 mm；

2）所有角度觀測量均采用雙盤位觀測方式，經多次重復測量結果顯示，安裝偏角測量精度為；

表1 部分傳感器安裝位置測量結果Tab.1 Position installation measurement result of partial sensors

表2 部分傳感器安裝傾角測量結果Tab.2 Angle installation measurement result of partial sensors

圖10 EM302換能器陣列平整度測量結果Fig.10 Flatness measurement result of EM302 MBES models

3）EM302換能器陣列平整度觀測時，每個測量點均進行了多次重復觀測，測量精度為±0.1 mm。

3.2.2 外符合精度

為檢核傳感器安裝位置和角度偏差測量結果的有效性，本文設置了對比實驗進行外符合精度評估。實驗方案如下：以EM2040多波束為研究對象，在船塢底布設了多個特殊標識（輪胎、鋼圈和長方體水泥墩等），首先使用全站儀精確測量了各標識物體的坐標，然后待船塢內灌水（約15 m）之后，按照多波束測量規范對塢底進行掃測，經后處理軟件CARIS處理后獲得標識物體坐標。后處理過程分2種情況：1）采用傳感器位置和角度安裝偏差的測量數值；2）不采用傳感器位置和角度安裝偏差的測量數值，即偏差數值均為0。因全站儀測量結果精度遠高于多波束測量結果，因此在2種情況下分別計算多波束測量得到的30個特征點坐標與全站儀測量結果作差，得到外符合精度結果如表3所示。

實驗結果反映了采用安裝偏差測量數值后得到的標識點坐標更接近于全站儀的測量結果，外符合精度遠高于未測量安裝偏差的結果。安裝偏差在誤差類型上屬于系統誤差，隨著水深的增加，對目標位置的探測結果造成的誤差會越來越大。

表3 外符合精度結果對比Tab.3 Comparison of outer precision result

4 結 語

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。實驗表明，采用本文中的測量方法能有效獲得船載傳感器在船體坐標系中的安裝偏角和安裝位置，在“向陽紅18”科考船實測中顯示最終的測量結果精度得到明顯提高。通過對測量結果進行精度評價，表明本方法的有效性和可靠性。