田春和

（交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，天津300456）

超短基線定位誤差綜合分析及實驗

田春和

（交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，天津300456）

在超短基線水下定位過程中，海洋噪聲的存在、工作環(huán)境的變化以及設(shè)備安裝等方面都會引起定位誤差，這些誤差的傳遞致使定位誤差在超過幾百米后增長很快，致使有效定位距離不能太遠，限制了超短基線在水下定位作業(yè)中的應(yīng)用范圍。文章對超短基線水下定位系統(tǒng)誤差的來源進行了綜合分析，并進行了水聲定位誤差綜合實驗和實驗數(shù)據(jù)處理分析，對超短基線定位誤差進行了綜合評估。通過對超短基線定位誤差來源中粗差和系統(tǒng)誤差的分析并開展相應(yīng)實驗，同時對實驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行深入的處理和研究，提出了改善超短基線水下定位性能的幾種方法。

超短基線；精度；誤差；實驗

水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)是一個綜合定位系統(tǒng)，要實現(xiàn)精確導(dǎo)航定位，必然受到GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)、船載（集成）輔助傳感器、超短基線導(dǎo)航定位系統(tǒng)及水上定位和水下定位數(shù)據(jù)融合方法等的影響和制約，其中超短基線導(dǎo)航定位系統(tǒng)的研究是重中之重。海洋噪聲的存在、工作環(huán)境的變化以及設(shè)備安裝等方面都會引起超短基線系統(tǒng)的定位誤差［1］。對超短基線而言，在其定位計算的過程中，這些誤差的傳遞致使定位誤差在超過幾百米后增長很快，致使有效定位距離不能太遠，限制了超短基線在水下定位作業(yè)中的應(yīng)用范圍。要提高超短基線的定位精度和作業(yè)距離，必須盡量減小各種誤差來源中粗差和系統(tǒng)誤差對定位系統(tǒng)精度的影響，因此有必要分析定位系統(tǒng)中的誤差來源。

1 超短基線水下定位精度分析

假設(shè)影響水下定位精度的各誤差源是相互獨立的，則整個系統(tǒng)的定位精度可以定義為

式中：USBL為超短基線系統(tǒng)本身測量所引起的定位誤差，即測距和測向引起的誤差；Gyro為電羅經(jīng)測量航向引起的在水平位置上的誤差；MRU為運動傳感器所引起的在水平位置上的誤差；GPS為衛(wèi)星定位系統(tǒng)的平面誤差；SVP為聲速剖面測量引起的水平位置的誤差；Calibration為安裝校準引起的水平位置的誤差；i為換能器到應(yīng)答器不同入射角所引起的誤差；Noise為噪聲所引起的誤差。為了分析起來簡便一些，把USBL、SVP、噪聲和不同入射角i所造成的誤差統(tǒng)稱為USBL誤差，將Calibration、Gyro和MRU統(tǒng)稱為Calibration誤差，將GPS單獨列為GPS誤差［2-6］?？梢钥闯?，USBL誤差和Calibration誤差均與作用距離（包括水平距離和垂直距離）密切相關(guān)。

USBL誤差是由聲速、噪聲和不同入射角造成的。而Calibration誤差則主要包括Gyro與MRU的測量誤差及其校準誤差。當采用RTK GPS進行水上表面定位時，由于其定位精度可達厘米級，因此其誤差可以忽略。如果使用差分GPS進行水上定位，定位精度則在1～2 m以內(nèi)，當超短基線系統(tǒng)在近距離工作時，USBL誤差和Calibration誤差所在比重很小，DGPS的定位誤差對系統(tǒng)定位精度的影響就比較明顯；而隨著作用距離增加，DGPS定位誤差在整個定位誤差中的比例也相應(yīng)減小，USBL誤差和Calibration誤差就成為定位精度的主要影響因素。

由于影響系統(tǒng)定位精度的因素很多，消除每個誤差源顯然是不現(xiàn)實的，應(yīng)該通過超短基線水下定位精度分析，針對不同情況下的主要誤差源進行重點研究。

2 水聲定位誤差綜合實驗

通過水下定位系統(tǒng)的誤差分析，將總誤差分解為USBL誤差、Calibration誤差和GPS誤差，其中GPS誤差由工作中使用的水上定位設(shè)備決定，Calibration誤差由安裝校準實驗解決。

本次實驗水上定位采用RTK GPS，其定位精度可達厘米級，因此GPS誤差可以忽略；水下定位使用的IXSea Gaps超短基線，具有便攜、即插即用、無需校準等突出優(yōu)點，它通過將GPS定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、光纖羅經(jīng)/姿態(tài)儀系統(tǒng)同水聲定位系統(tǒng)的傳感器組裝在一起，并將各傳感器之間的相對偏移量在出廠前進行內(nèi)部標定并固化在系統(tǒng)的內(nèi)部程序中，因此從理論上來說Gaps系統(tǒng)在現(xiàn)場無需進行標定，不存在各傳感器之間的安裝、測量誤差問題，確保了系統(tǒng)的高精度導(dǎo)航定位。但是，在野外工作條件下，Gaps能否達到其宣稱的非校準精度，則需要實驗進行驗證。

因此以下探討的主要問題Calibration誤差和由聲速、噪聲及不同入射角造成的USBL誤差。

2.1 Calibration誤差實驗

為了驗證IXSea Gaps超短基線在非校準的情況下能否達到標稱精度，在室內(nèi)游泳池里進行了校準試驗，通過對測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，驗證Gaps的測量精度。

（1）實驗思路。在校準工作中，輸入人工位置作為Gaps換能器的坐標，避免了GPS的測量誤差；主要試驗應(yīng)答器固定置于水底的校準方法；選擇圍繞應(yīng)答器位置的4個重要位置點進行校準測量；在測量開始前進行聲速剖面的測量并輸入超短基線控制系統(tǒng)；在實驗過程中，盡量減小聲速和噪聲的影響；校準實驗前，精確測量Gaps固定桿頂端到換能器的距離。（2）實驗場所。選擇一室內(nèi)游泳池，長50 m，寬20 m，中央?yún)^(qū)域水深2 m。選擇室內(nèi)游泳池的目的是為了盡量減小聲速和噪聲的影響，使測量過程中主要存在換能器的安裝校準誤差，有利于儀器校準實驗數(shù)據(jù)的分析。游泳池內(nèi)為淡水，水溫變化不大，深度只有2 m以內(nèi)，溫鹽深三項基本一致，沒有聲速的影響；而且作為室內(nèi)游泳池，封閉性好，水面平靜，而且測量時保持換能器和應(yīng)答器靜止不動，噪聲可以忽略不計。（3）實驗要求。校準實驗需要對換能器位置、應(yīng)答器位置、應(yīng)答器相對于換能器的距離和方位、換能器的三維姿態(tài)進行同步觀測，并稱之為“位置配對”（Position Pair）。要求在圍繞應(yīng)答器位置進行4個重要點的配對位置測量，換能器距應(yīng)答器的水平距離分別為10 m和25 m左右。（4）實驗過程。將應(yīng)答器固定于水池的中央，并保持豎直。實驗前，首先使用全站儀精確測量應(yīng)答器的位置和Gaps固定桿頂端坐標；使用聲速計進行聲速剖面的測量并輸入Gaps控制軟件。實驗時，在每個位置測量10 min，至少記錄100對數(shù)據(jù)。每次測量都必須在水面波動停止后進行，以減小噪聲的影響。（5）實驗數(shù)據(jù)處理。使用數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和處理。在實驗過程中，應(yīng)答器始終靜止安放于水底，且換能器也在保持靜止的情況下對應(yīng)答器進行測量。校準實驗是在盡量減小系統(tǒng)誤差和隨機誤差的條件下進行的，因此通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計的方法，剔除粗大誤差，提高數(shù)據(jù)的密度后，能體現(xiàn)出系統(tǒng)本身的性能，方便對測量結(jié)果的分析。在對每個測量點采集到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析后，計算得到應(yīng)答器距離換能器的平均距離和中誤差（表1）。通過統(tǒng)計計算得到，IXSea Gaps在近似理想工作情況的游泳池內(nèi)，將近70%的數(shù)據(jù)位于半徑為0.35 m的圓里，即定位精度可以達到0.35 m。（6）實驗結(jié)論。超短基線系統(tǒng)IXSea Gaps在無需校準的情況下，依然可以達到很高的測量精度；在近似理想的工作條件下，IXSea Gaps可以達到0.35 m以內(nèi)的定位精度，與標稱的0.2 m的定位精度很接近。

2.2 USBL噪聲實驗

將信標拋入某港池中部的水中，此處水深約為15 m，并記錄大致位置。測量船穿越應(yīng)答器上方布設(shè)一條長度為400 m的測線。在測量過程中，換能器保持豎直安裝，航線盡量保持直線，分別采用2節(jié)、4節(jié)、6節(jié)船速對應(yīng)答器的位置進行往返測量，在剔除粗差數(shù)據(jù)后比較不同船速下的測量結(jié)果中誤差，船速為2節(jié)、4節(jié)、6節(jié)時，中誤差分別為1.13 m、1.28 m、2.68 m。

實驗發(fā)現(xiàn)，噪聲是降低IXSea Gaps超短基線測量精度的主要因素。在船低速行駛時，螺旋槳和發(fā)動機是主要噪聲源。隨著船速加大，數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯降低，在正常工作船速即四節(jié)船速下USBL噪聲誤差為1.28 m。

因此在水下定位測量時，如無必要盡量不要動船，即使動船必須嚴格限制船速在4節(jié)以下。

2.3 USBL不同入射角實驗

換能器位置固定不變，不同距離下，應(yīng)答器從海面深入海底，再從海底回到海面，測試入射角變化對定位精度的影響。

為減小隨機誤差即噪聲的影響，所有聲速實驗均在停船的情況下進行。

將測量船固定在某海域碼頭，換能器位于船的外側(cè)，避免遮擋，距離應(yīng)答器距離約120 m，應(yīng)答器從水面依次停止在3 m、9 m、15 m3個深度，每個深度測量5 min。以深度±3 m作為有效水深范圍，2倍中誤差剔除粗差數(shù)據(jù)，進行計算，得到應(yīng)答器深度為3 m、9 m、15 m時，中誤差分別為8.19 m、1.79 m、1.43 m。

實驗結(jié)果表明：IXSea Gaps在不考慮聲線彎曲并且沒有動船的情況下，工作時的作用距離越近即入射角越小，數(shù)據(jù)質(zhì)量越好，在渤海灣正常工作條件下，水深為15 m，換能器距離應(yīng)答器為120 m左右，入射角所造成的誤差為1.43 m。

表1校準數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Tab.1Results of calibration datam

3 USBL定位誤差綜合評估

如實驗所述，在渤海灣正常工作條件下，水深為15 m，換能器距離應(yīng)答器為120 m左右，采用RTK GPS進行表面定位，IXSea Gaps超短基線進行水下定位，在正常工作船速為4節(jié)的情況下，各誤差源所引起的超短基線定位誤差為：IXSea Gaps USBL系統(tǒng)本身測量所引起的定位誤差為0.2%，120 m即0.24 m；Calibration、Gyro和MRU所引起的定位誤差為0.35 m；RTK GPS所引起的定位誤差為0.03 m；Noise即USBL噪聲誤差為1.28 m；聲速測量誤差通?？梢钥刂圃?.1%距離以內(nèi)，120 m即0.12 m，SVP即USBL聲速誤差為0.12 m；i即入射角所造成的誤差為1.43 m。故σ即USBL整個系統(tǒng)的定位精度為1.97 m。

假設(shè)影響水下定位精度的各誤差源是相互獨立的，則USBL整個系統(tǒng)的定位精度可以定義為

4 提高USBL定位精度的方法

通過USBL定位誤差分析、實驗及數(shù)據(jù)處理，可以總結(jié)出以下提高USBL定位精度的方法：（1）噪聲是降低IXSea Gaps超短基線測量精度的主要因素。在船低速行駛時，螺旋槳和發(fā)動機是主要的噪聲源。隨著船速加大，數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯降低。（2）IXSea Gaps在不考慮聲線彎曲并且沒有動船的情況下，工作時的作用距離越近即入射角越小，數(shù)據(jù)質(zhì)量越好。（3）USBL定位過程中，應(yīng)準確測量聲速。（4）對動態(tài)測量數(shù)據(jù)可以采用卡爾曼濾波消除粗差，卡爾曼濾波能明顯的改善超短基線的定位結(jié)果［6］。

［1］田坦.水下定位與導(dǎo)航技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

［2］隋海琛，田春和，韓德忠，等.水下定位系統(tǒng)誤差分析［J］.水道港口，2010，31（1）：69-72. SUI H C，TIAN C H，HAN D Z，et al.Error analysis of underwater positioning system［J］.Journal of Waterway and Harbor，2010，31（1）：69-72.

［3］張道平.超短基線定位系統(tǒng)的誤差分析［J］.海洋學(xué)報，1989，11（4）：510-517. ZHANG D P.The Error Analysis of USBL Positioning System［J］.Acta Oceanologica Sinica，1989，11（4）：510-517.

［4］劉伯勝，雷佳煜.水聲學(xué)原理［M］.黑龍江：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006.

［5］杜文廣.超短基線定位之感測器對準偏差修正［D］.臺灣：國立中山大學(xué)，2006.

［6］王崇明，田春和，隋海琛.IXSea Gaps超短基線定位數(shù)據(jù)卡爾曼濾波研究［J］.水道港口，2010，31（2）：144-147.WANG C M，TIAN C H，SUI H C.Research on Kalman filter of IXSea Gaps ultra?short baseline positioning data［J］.Journal of Wa?terway and Harbor，2010，31（2）：144-147.

Error analysis and experiment of USBL positioning

TIAN Chun?he
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

The ocean noise,the change of the working environment and the installation of the equipment could cause the positioning error in the ultra short baseline underwater positioning.The position error could be diverged by propagation of error in more than a few hundred meters,resulting in the effective positioning distance could not be too far.The application of ultra short baseline would be affected directly in the underwater positioning.In this pa?per,a comprehensive analysis of the error sources of the ultra short baseline underwater positioning system was car?ried out,and a comprehensive evaluation of the error of the positioning error was carried out.Several methods for im?proving the accuracy of the ultra short baseline positioning were proposed by analyzing the error of the ultra short baseline positioning,the experiment and the data processing.

ultra short baseline(USBL);accuracy;error;experiment

P 229

A

1005-8443（2015）06-0605-04

2015-09-06；

2015-11-02

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.