ADCP外接GNSS羅經儀測流系統安裝偏移量測定

(長江水利委員會水文局 長江口水文水資源勘測局，上海 200136)

聲學多普勒流速剖面儀(ADCP, Acoustic Doppler Current Profiler)利用多普勒頻移原理獲得沿深度方向的垂線流速，通過船載走航測量，將流速測量從“點測量”擴展到“面獲取”，較徹底地解決了大江大河流量測驗的難題。ADCP獲取的是相對其自身的流速，需要借助底跟蹤獲得船速和內置磁羅經獲取的方位分解計算出大地坐標系的絕對流速[1-2]。但當測量遇到流動底質或底沙運動(動底)時，底跟蹤失效；而當采用鐵質測量船時，會導致ADCP內置磁羅經失效或獲得的方位帶有較大誤差。ADCP底跟蹤和內置磁羅經只要有一項參數存在偏差，就會影響ADCP流速測量精度，甚至測不到絕對基準的流速數據，限制了ADCP的應用。為消除上述問題影響，近年來借助外部GNSS羅經儀，為測量船提供絕對的船速和方位，為ADCP實測絕對流速提供外部參考基準[3]。

由于ADCP、GNSS羅經儀都有各自定義的坐標系，在水文測船上ADCP外接GNSS羅經儀所構成的測流系統，必須保證ADCP、GNSS羅經儀與船體三者的坐標系完全一致[4]，才能利用GNSS羅經儀提供的坐標、方位和速度數據計算ADCP的實測流速。由于設備的安裝存在姿態和方位的隨機不確定性，加上GNSS天線要求對空開闊、周邊無微波信號干擾和多路徑干擾，在測船上，GNSS羅經儀的定位天線一般不能直接安裝在ADCP正上方，會產生相對于ADCP的平面位置偏差。GNSS羅經儀的羅經指向與測船中軸線不平行，導致GNSS羅經儀與船體坐標系的偏差；安裝ADCP時，其內部坐標系的縱軸和測船的中軸線也不嚴格平行，導致ADCP與船體坐標系的偏差；ADCP、GNSS羅經儀與船體中軸三軸相互不平行，導致坐標系統不統一，因而會造成流速流向誤差甚至錯誤。實際工作中，常常采用“目測法”使得ADCP和GNSS羅經與船體軸線大致平行，強制將GNSS羅經安裝在測船中軸平行線上，往往不利于GNSS羅經獲取最佳的觀測精度，影響到ADCP系統的測驗精度。安裝偏差是客觀存在的，這一問題一直困擾著該項技術的精測應用。通過研究和多次試驗驗證，解決了ADCP外接GNSS羅經儀的測流系統的4項安裝偏移量的測定問題。在ADCP數據采集軟件里加入4項安裝偏移量[5]，該系統能避免動底和船體磁場的影響，提高了對不同測流環境的適應性，也提高了ADCP的流速測量精度[6]。

1 ADCP測流系統及安裝偏差

船載ADCP測流系統由ADCP流速儀、GNSS羅經和計算機數據采集系統組成，涉及的坐標系主要包括船體坐標系、GNSS羅經坐標系和ADCP坐標系，各坐標系如圖1所示。

圖1 GNSS羅經坐標系、船體坐標系和ADCP坐標系Fig.1 GNSS compass coordinate system, hull coordinate system and ADCP coordinate system

GNSS羅經由兩個GNSS接收天線和一臺接收機組成。其中一個GNSS天線是定位天線，接收機給出該天線所在位置的坐標和速度；另一個GNSS天線為定向天線，與定位天線構成基線，接收機計算該基線向量方位角，即GNSS羅經方位。為了方便計算GNSS定位天線改算到ADCP平面的偏移量，將GNSS羅經的定位天線作為GNSS羅經儀的坐標原點，GNSS定向天線指向定位天線的方向為羅經儀坐標系的縱軸(Y軸)，順時針旋轉90°即坐標系橫軸(X軸)。GNSS羅經坐標系的定義如圖1(a)所示。船體坐標系以船重心為坐標原點，船體中軸線為縱軸(Y軸)，順時針旋轉90°為橫軸(X軸)，船體坐標系的定義如圖1(b)所示。

ADCP有4個聲柱，在水平投影面上互成90°。為了將ADCP實測流速用地理坐標系表示，在儀器內部安裝了磁羅經，并以儀器中心至3號探頭的水平線作為羅經的指標線來表達ADCP的水平姿態[5]，定義了ADCP的方位起算軸線，則在圖1(c)中，ADCP坐標系原點位于儀器中心，1，3號構成Y軸，2，4號構成X軸，Z軸與X-O-Y面正交且與ADCP儀器軸線重合并向上。ADCP探測Y軸的磁北方位，并借助測驗位置的磁偏角對磁北方位修正，如果ADCP外接羅經，則外接羅經代替內部磁羅經[7]。

如前言所述，為了解決ADCP底跟蹤失敗的問題，避免ADCP內部羅經受干擾磁場影響而導致羅經錯誤，ADCP外接GNSS羅經被證實是有效的解決方案。為了計算絕對流速，ADCP數據采集及回放軟件都提供了相對于底跟蹤、GNSS通用NMEA 0183數據格式的位置數據GGA和速度數據VTG參考的算法[8]。在沒有河床底部走沙的條件下，采用這3個參考基準計算的流速的大小和方向應該是一致的，只有ADCP、GNSS羅經儀和船體3個平面坐標系互相平行，則GNSS羅經提供的方位也即船體軸向方位和ADCP換能器軸向方位，才滿足外部羅經替代ADCP內部羅經的要求；只有GNSS的位置坐標和速度與ADCP完全一致，才能用GGA或VTG代替ADCP底跟蹤船速。

實際安裝時，因為ADCP和GNSS羅經儀都有各自最優的安裝位置，必然導致ADCP坐標縱軸、GNSS羅經儀縱軸與船體坐標縱軸三者互不平行。在測船上一般將ADCP安裝在測船中部的一側船舷外或特制的安裝井里，要求3號探頭(Beam 3)朝向船艏并力求1～3號連線(ADCP的Y軸)與船軸線平行，以保證ADCP平面坐標系與與船體坐標系平行[9]，實際安裝因只能依靠經驗目測，所以必然存在不平行的問題。GNSS羅經天線要求安裝在對空開闊、遠離雷達和甚高頻的位置，更好地接受衛星信號，降低周邊對衛星信號的干擾。另外，為了提高GNSS羅經的定向精度，其定位和定向天線的間距不應小于1.0 m，這些因素也制約了GNSS羅經儀與船體的坐標軸的平行需求，另外GNSS羅經儀定位天線一般不能直接安裝在ADCP正上方，直接用GNSS的位置坐標代替ADCP的位置坐標就存在偏差，當采用GNSS的位置和速度參考計算流速時，在轉彎測段還會影響流速的精度[10]。因為存在安裝偏差，若直接利用各設備測量的坐標和方位計算流速，必然會給絕對流速的計算帶來較大影響，因此必須探測這些偏差，并消除其影響。

2 安裝偏差的探測

2.1 獲取ADCP測流系統含有安裝偏差的數據

在測船合適的位置安裝好ADCP和GNSS羅經后，需要測量各設備的安裝偏移量。為了探測ADCP、GNSS羅經坐標系的縱軸與船體中軸線的偏角，先將ADCP偏置參數設置中各項安裝偏差均設置為零，選擇一段長約300～500 m順流或逆流或流速遠小于測船航速、橫風較小、不影響測船航行姿態的河段，測船沿該段直線航行，在航行過程中保持艏向一致，保證船體中軸線與GNSS記錄的航跡線平行，記錄ADCP原始數據*.PD0、GNSS羅經的定位數據*_GPS.TXT和定向數據*_EH.TXT。

當GNSS羅經的定位天線不能安裝在ADCP正上方時，需要量取ADCP、GNSS定位天線、定向天線構成的三角形在水平面上的三邊長度，ADCP至GNSS定位天線的水平距離記為AG、ADCP至GNSS定向天線的水平距離記為AH、GNSS定位天線至GNSS定向天線的水平距離記為GH，單位為m，并確定ADCP在H→G連續的左邊還是右邊，見圖2。

圖2 ADCP(A)、GNSS定位天線(G)和定向天線(H)布置關系Fig.2 Arrangement relationship of ADCP (A), GNSS positioning antenna (G) and directional antenna (H)

2.2 ADCP的底跟蹤軌跡與船體中軸線不平行偏角計算

ADCP底跟蹤軌跡就是ADCP通過底脈沖信號探測的單元位移標量與加載給ADCP的內部或外部羅經合成的單元位移矢量的累計連線。當采用外部羅經時，ADCP內部坐標系的參考方位就是外部羅經的瞬時值，底跟蹤軌跡就是ADCP坐標系加載外部羅經后取得單元軌跡矢量的首尾連接線。GNSS的軌跡也即測船移動航跡。由于ADCP、GNSS羅經與船體坐標系三者不一致，導致底跟蹤線與GNSS軌跡線不平行，見圖3。需要通過安裝偏差探測數據計算該偏角，為ADCP測量提供真實方位。

圖3 外部羅經安裝偏差改正前ADCP航跡線Fig.3 ADCP trace before external compass installation deviation correction

采用第2.1節方法獲取直線段航行數據后，回放*.PD0，分別記錄“相對于底跟蹤”的F_B和“相對于GGA”參考的“航跡方向”F_G，則ADCP底跟蹤線軌跡與船體中軸線不平行偏差θ為

θ=F_G-F_B

(1)

式中，θ是ADCP底跟蹤線與船中軸線的夾角，F_B是ADCP采用底跟蹤的航跡線的方位角，F_G是ADCP記錄的GGA航跡線的方位角。

也可以直接查看數據采集軟件里的GC-BC表單，GC-BC角度值也即偏角θ。

2.3 GNSS羅經在船體坐標系的方位角計算

根據第2.1節方法，在船載ADCP測流系統直線航行的記錄文件*_GPS.TXT里，取直線起點和終點坐標，計算GGA航跡線所在位置的真子午線的方位角F_GGA，再由*_EH.TXT記錄數據里每一個歷元的羅經值，計算航段平均羅經F_HDT，則羅經在船體坐標系里的方位角F_HG為

F_HG=F_HDT-F_GGA

(2)

式中,F_HG是GNSS羅經在船體坐標系的方位角，F_HDT是檢測時段內的平均羅經值，F_GGA是檢測航跡線的方位角。

2.4 GNSS羅經定位天線相對ADCP位置偏移量的計算

如圖2所示，量取ADCP、GNSS羅經定位與定向所構成的平面三角形的三邊長，計算得到GNSS羅經儀在船體坐標系的方位角后，就可以計算GNSS羅經儀定位天線相對于ADCP的平面位置偏移量。

(1) 采用余弦定理計算∠HGA。

∠HGA=arccos(AG2+GH2-AH2)/(2AG·GH)

(3)

(2) 計算AG邊的方位角F_AG。

當ADCP在H→G連續的左邊時，

F_AG=F_HG+∠HGA

(4)

當ADCP在H→G連續的右邊時，

F_AG=F_HG-∠HGA

(5)

(3) 計算GNSS定位天線相對ADCP的偏移量。

OffestX=AG×sin(F_AG)

OffestY=AG×cos(F_AG)

(6)

式中，∠HGA是三角形的GH與GA兩邊的夾角，AG，GH，AH是三角形AGH三邊的邊長；F_AG是ADCP與GNSS羅經的定位天線所構成的邊在船體坐標系的方位角；OffsetX和OffsetY是以ADCP為原點的船體坐標系；GNSS羅經的定位天線的橫坐標x和縱坐標y值。

2.5 ADCP坐標縱軸與船體中軸線不平行量的計算

上述計算的GNSS羅經定位天線相對ADCP位置的偏移量OffsetX和OffsetY是以ADCP為原點的船體坐標系里GNSS羅經的定位天線的橫向和縱向的坐標值。由于ADCP與船體平面坐標系不平行，即存在安裝偏差，需要計算并在數據采集軟件里設置該項偏差，才能采用OffsetX和OffsetY值用GNSS的位置坐標計算ADCP的實時位置坐標。

因為ADCP坐標系的縱軸就是儀器中心與3號探頭的中心在水平面上投影的連線，另外在ADCP數據采集軟件里，將ADCP坐標系的Y軸與船體坐標系的Y軸的夾角定位為“波束3與船軸夾角”[5]，因此計算ADCP坐標系的Y軸與船體坐標系的Y軸的夾角就是計算ADCP波束3(BEAM_3)與船體中軸的夾角。

通過直線航行獲得了檢測數據F_B，F_G，F_HDT，如圖4所示，矢量BEAM_3與矢量F_G的夾角就是ADCP波束3與船軸線夾角。

在測量過程中，由GNSS羅經向船體坐標系和ADCP提供的羅經數值是相同的，從圖4可知，F_G與F_HDT的夾角等于BEAM_3與F_B夾角，設為β，底跟蹤矢量F_B與GNSS矢量F_G的夾角設為θ，所以有：

α_3=θ-(F_HDT-F_G)=-(θ+F_HG)

(7)

式中，α_3是ADCP波束3與船中線的夾角。

圖4 船載ADCP坐標矢量關系示意Fig.4 Schematic diagram of shipborne ADCP coordinate vector relationship

2.6 影響安裝偏差探測精度的因素

(1) 直線航行長度。GNSS羅經與船中軸線夾角，通過測船沿直線航行的起、終點直線方位角與在該段GNSS羅經的平均方位角之差來計算。直線段過短，會影響方位角的精度，從而影響GNSS羅經與船中軸線夾角的計算精度，因此應采用較長的直線測量數據進行該偏角測算。建議采用定位精度優于1 m的差分定位型的GNSS羅經儀，根據GNSS定位精度確定直線航行長度，一般選擇300～500 m，保證航行直線基線的方位角的精度小于0.5°，并做往、返測量，以獲取更豐富的測量數據用于偏差計算和檢校。

(2) 測船沿直線航行的穩定性。如果測船沿直線航行期間艏向頻繁變動，則GNSS羅經實時數據的一致性就降低了，影響平均羅經方向的精度。另外，艏向不穩定，則GNSS航跡線與船體中軸線也不平行，影響GNSS羅經在船體坐標系里的計算精度。

(3) GNSS羅經的定位和定向精度。如果定位精度低，則測船航行的直線向量的精度偏低，其方位角精度也較低；定向精度低，平均羅經方位精度則會偏低，最終都影響各偏角及ADCP換能器絕對速度的計算精度。

(4) 測量模式。為提高GNSS羅經定位和定向精度，GNSS定位時建議將RTK定位、定向天線與定位天線安裝在同一水平面上，其間距應大于1.5 m。

(5) 測量環境。偏差走航探測時，宜在風力小于4級，或風向、流向和測船航向大致在一條直線上的條件下進行，以降低環境氣象和水文因素對測量結果的影響。

3 試驗及分析

為了滿足長江南京以下12.5 m深水航道整治工程安全監管要求，在固定的水文測驗斷面需要固定的測船和測驗人員，由于測船安裝條件限制，GNSS羅經儀兩個天線不能安裝在船中軸的平行線上，ADCP波束3與船首方向基本一致，ADCP和GNSS羅經的兩個天線的安裝位置示意見圖2。

為了探測ADCP外接GNSS羅經流速測量系統安裝偏差，測量前，在將ADCP、外部GNSS設備安裝牢固后，量取AG，AH，GH三邊長度， GNSS采用RTK定位。ADCP數據采集軟件的初始設置各項安裝偏差為0，然后測船沿逆流的直線方向航行約300 m，ADCP數據采集軟件采集記錄了*.PD0、*_GPS.TXT和*_EH.TXT三個文件。完成走航檢測后，按照上述方法計算各項安裝偏差。圖3給出了未校準安裝偏差時的船跡線(相對于GGA)和ADCP采用GNSS羅經提供的底跟蹤航跡線(相對于底跟蹤)。可以看出，受安裝偏差影響，兩個航跡方向呈現大于100°的夾角。如果不將采用GNSS羅經的ADCP底跟蹤航跡線的偏角修正到船體坐標系，將導致底跟蹤方向錯誤，測得的流速的方向也是錯誤的。通過“外部羅經偏移量”修正后得到的底跟蹤航跡線與船跡線方向一致，將“外部羅經偏移量、波束3與船軸線夾角、offset x、offset y” 四項安裝偏移量輸入到ADCP數據置設頁里，經外部羅經偏移量糾正后，看出兩個航跡完全重合，見圖5。

表1給出了同一次測驗數據，偏置改正前后，分別采用底跟蹤和GGA參考的該測段流速、流量的數據。從表1可以看到，當不修正安裝偏移量，采用底跟蹤的流向是錯誤的，采用GGA參考，流量和流速全部是錯誤的；安裝偏移量修正后，采用底跟蹤和GGA參考測得的流量、流速的大小和流向都基本一致，每一個數據組的位置坐標也改算到ADCP上了，提高了流量測驗精度。

圖5 外部羅經安裝偏差改正后ADCP航跡Fig.5 ADCP trace after correction of external compass installation deviation

參考方法偏移量改正前流量/(m3·s-1)流速值/(m·s-1)流向/(°)偏移量改正后流量/(m3·s-1)流速值/(m·s-1)流向/(°)底跟蹤11641.34311641.34109GGA參考-255394.4733411681.32112

4 結 論

采用ADCP實施流量測驗，需要為其提供正確的船速和船向。通常ADCP采用底跟蹤和內部磁羅經來實現，但由于存在河床底部走沙問題造成底跟蹤速度錯誤、以及ADCP內部磁羅經受船體磁場干擾導致內部羅經提供錯誤的方位等問題,使該技術應用受到很大限制。

GNSS羅經儀不受磁場影響，其羅經精度優于0.1°，當采用RTK差分定位時，其定位精度優于5 cm。GNSS羅經的位置和方位數據的更新率可達到20 Hz，安裝使用方便，性能穩定。ADCP可以外接GNSS羅經構成測流系統，采用本文方法探測設備之間的安裝偏差并在數據采集或回放軟件里設置安裝偏差修正值，ADCP就能獲得GNSS羅經儀提供的高精度的坐標和方位的絕對基準，能避免底跟蹤失敗和內部羅經錯誤，提高ADCP對測流環境的適應能力和流速的測量精度。當然，本文提供的探測與計算方法僅率定與校準了ADCP測流系統在平面坐標系上的偏差，如果因大風或船舶劇烈轉向浪造成測船存在較大幅度的縱橫或艏向搖擺，僅作二維修正還不能有效提高ADCP流量測驗精度，有效的辦法是避免在風浪大的天氣進行測驗作業。