超短基線水聲定位系統(tǒng)動態(tài)定位誤差測試研究

胡圣航，閔小龍

（中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

超短基線（USBL）水聲定位系統(tǒng)由于安裝簡單并且使用方便，是目前水下聲學定位的主流設備[1-3]。超短基線水聲定位系統(tǒng)的靜態(tài)定位誤差可以很方便地在消聲水池或湖泊中進行精確測量，同時也可看到有較多的研究和試驗成果[4-9]，但鮮見對其動態(tài)定位誤差的相關研究和試驗。水下航行器搭載超短基線水聲定位系統(tǒng)進行動態(tài)作業(yè)時，其實時位置是操作者關注的一個重點，因此研究超短基線水聲定位系統(tǒng)的動態(tài)定位誤差測試評估方法十分必要。根據水下測量定位計量檢測系統(tǒng)研究的要求，開展超短基線水下定位系統(tǒng)定位動態(tài)定位性能測試技術研究，評判超短基線水下定位系統(tǒng)的動態(tài)定位精度，對水下定位系統(tǒng)校準/標定方法的研究具有重要意義。

1 超短基線水聲定位系統(tǒng)的原理及組成

超短基線水聲定位系統(tǒng)一般由聲基陣和聲信標組成。聲基陣集成了發(fā)射換能器和多個接收陣元，其通常安裝在船上，發(fā)射換能器向水體中發(fā)射詢問信號并接收響應信號，往往是半球形或無指向性的。聲信標放置在海底或安裝在水下移動載體上，只有在收到詢問信號時才返回響應信號。解算單元根據聲基陣接收陣元收到的詢問信號和響應信號之間的時間差測出聲基陣與水下目標之間的距離，同時利用響應信號到達聲基陣各陣元的相位差，測出水下目標相對于陣元的方位，從而得到水下目標的空間位置。

2 動態(tài)定位誤差測試試驗構思

定位誤差分析需要分別獲取測量值和真實值，然后通過兩組數(shù)據比對計算得到動態(tài)誤差。

試驗中可以將超短基線水聲定位系統(tǒng)輸出的聲學應答器實時位置作為測量值，取定位精度高于超短基線水聲定位系統(tǒng)定位精度的系統(tǒng)輸出結果作為真實值。

消聲水池高精度行走機構、基于全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的載波相位差分（GNSS-RTK）測量等均可提供精度高于超短基線水聲定位系統(tǒng)動態(tài)定位精度的定位結果，但不同的方法有各自不同的使用范圍[10-13]。本文將以超短基線聲學定位慣性導航系統(tǒng)（GAPS）作為被測設備，采用 GNSS-RTK測量的方法獲取真實值，研究超短基線水聲定位系統(tǒng)動態(tài)定位誤差。該方法非常適合在沒有消聲水池的條件下，對超短基線水聲定位系統(tǒng)動態(tài)定位誤差進行快速評估。GNSS-RTK測量是GPS載波相位測量技術和通信技術的結合，其動態(tài)精度可達cm級，在定位精度和實時性方面可以很好地滿足要求[14-16]。

3 動態(tài)定位誤差分析

本文對 GAPS的動態(tài)定位精度評估采用比較通用的圓概率誤差評定法[17-20]。此方法根據概率為P時圓概率誤差半徑Rp的大小來評定[21]。

將第i次的GAPS輸出的聲基陣緯度、經度分別記為φin和λin。為方便進行數(shù)據處理，需將聲基陣的World Geodetic System-1984世界大地測量系統(tǒng)（WGS84）經緯度坐標（φin，λin）轉換為平面坐標（Ein，Nin）。轉化方法如下：

式中：E為平面直角坐標系東向坐標，m；N為平面直角坐標系北向坐標，m；φ為 WGS84坐標緯度值，’；λ為 WGS84坐標經度值，’；φ0為參考基準緯度值，’；λ0為參考基準經度值，’。其中：λ和λ0東為正，西為負；φ0北緯為正，南緯為負。對于本例中λ0和φ0取聲基陣經緯度坐標第1組值。

定義 GAPS定位結果的東向坐標誤差均值為μE，北向坐標誤差均值為μN。

式中：μE為GAPS的東向坐標誤差均值，m；n為GAPS定位結果總組數(shù)；i為GAPS定位結果此序號；Ei為GAPS第i次定位結果東向坐標，m；為RTK或捷聯(lián)慣導目標位置東向坐標，m；μN為GAPS的北向坐標誤差均值，m；Ni為GAPS第i次定位結果北向坐標，m；為 RTK或捷聯(lián)慣導目標位置北向坐標，m。

定義GAPS定位結果的東向坐標方差為σE，北向坐標方差為σN。

式中：σE為GAPS定位結果的東向坐標方差，m；σN為 GAPS定位結果的北向坐標方差，m；n為GAPS定位結果總組數(shù)；i為GAPS定位結果此序號；ΔEi為GAPS第i次定位結果東向坐標誤差，m，表達式為 ΔEi=Ei-； ΔNi為GAPS第i次定位結果北向坐標誤差，m，表達式為 ΔNi=Ni-。

在概率為P的條件下，圓概率誤差半徑RP的計算方法為

式中：RP為圓概率誤差半徑；σZ、μZ、η、ρ為圓概率半徑計算中間數(shù)據。

表1 ZP’ 隨概率P變化的取值Table 1 Value of ZP’ changing with probability P

4 測試系統(tǒng)組成

4.1 系統(tǒng)組成

整個測試系統(tǒng)如圖1所示。GAPS聲基陣陣元向上通過試驗架放置在水底，經水密電纜連接至試驗船的簡易控制盒（ECB）上。該水密電纜將GNSS的定位同步信號傳輸至GAPS聲基陣，聲信標的定位結果傳輸至試驗船，進一步通過網橋傳輸至測量船，用于數(shù)據的集中記錄和處理。

GAPS聲信標與 GNSS-RTK天線通過剛性固定桿連接在一起并以 GAPS聲信標沉于水下的方式固定在測量船上，在固定時確保聲信標換能器與GNSS-RTK的天線垂直以減小測量誤差。

試驗時，試驗船錨泊在GAPS聲基陣附近，測量船則以聲基陣為圓心按照3 kn、5 kn的速度緩慢轉圈，繞圈半徑不小于 1 km。在每種航速下，記錄GPS的位置信息。

圖1 固定點測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of fixed point test system

4.2 試驗架的構成

試驗架如圖 2所示，將布放在湖底?？紤]到水底不是平整底面，試驗架整體形式設計成類似于重型的三角架，通過 3個點的支撐使得試驗架放置穩(wěn)定。

圖2 GAPS聲基陣安裝試驗架Fig.2 Support for GAPS acoustic array installation test

試驗架安裝座設計有萬向架裝置，使用時通過萬向軸上部的被測設備的自身正浮力和萬向軸下部配重鉛塊的作用，使GAPS聲基陣接收陣元在水中呈現(xiàn)豎直向上的姿態(tài)。

萬向架的設計可滿足試驗架任意方向 30°傾斜狀態(tài)下，接收陣元都能保持豎直向上的姿態(tài)。如通過 GAPS內置姿態(tài)傳感器得知聲基陣傾角不滿足試驗要求，可進行重新布放。

4.3 高精度定位系統(tǒng)信標

試驗架在沉入水底前，可通過 GNSS-RTK信息確定精確位置，但在布放過程中，受各種環(huán)境的影響，試驗架不會垂直落入水底，所以布放結束后的試驗架位置只能通過高精度的水聲定位系統(tǒng)進行確定。

本測試試驗使用Scout超短基線系統(tǒng)。該設備是英國Sonardyne公司專門為近岸帶（0～500 m水深）、近距離（0～1 000 m）跟蹤而研發(fā)和生產的，主要用于跟蹤1～10個水下目標物，并將跟蹤到的目標物的大地坐標從系統(tǒng)的串口輸出到外部數(shù)據采集系統(tǒng)從而完成水下定位。經多方驗證，該設備的靜態(tài)測試精度可以達到0.5%。在使用時，將1個信標安裝在試驗架上，通過試驗船多次圍繞試驗架測量，可精確確定試驗架的經緯度信息。

圖3 Scout短基線系統(tǒng)Fig.3 Scout short baseline system

4.4 試驗船設備

試驗船上安裝設備如圖 4所示，通過 Moxa NPort5045串口服務器實現(xiàn)網橋網絡接口至串口的接口轉換及數(shù)據共享。網橋則選擇成熟的BreezeNET DS.11型網橋，其傳輸距離為10 km，帶寬為11 Mbps，試驗船上所有設備通過發(fā)電機供電。

圖4 試驗船設備組成框圖Fig.4 Block diagram of test ship equipment

4.5 高精度GNSS-RTK接收機

本文使用DOVE-E4-PLUS型GNSS-RTK接收機，如圖5所示。該接收機使用4G網絡接收千尋的網絡RTK信號，實現(xiàn)水平精度小于2 cm，高程精度小于5 cm的精確定位。

圖5 高精度GNSS-RTK接收機Fig.5 High-precision GNSS-RTK receiver

5 試驗方法

試驗前將按圖4將設備布放、安裝完成。測量船圍繞試驗船繞圈航行。試驗船將GAPS輸出信號通過網橋傳輸?shù)桨惭b信標的測量船的數(shù)據處理中心，數(shù)據處理中心通過軟件將 GAPS數(shù)據、GPS數(shù)據保存到一個文件中。通過計時設備得到數(shù)據對比的時間點，在同一個時間點上以 GPS數(shù)據為真值，GAPS數(shù)據與真值之間通過圓概率誤差評定法進行評定。

6 數(shù)據結果

本次試驗在某水庫水域進行,該水域開闊。試驗船在以R為半徑繞圈時，有不小于2R的機動范圍，在2倍聲基陣作用距離以內無其他水聲干擾。使用RTK定位方式，試驗區(qū)域離無線電信標臺站或基準站的距離應與 GPS定位精度要求相適應，水文地理條件的要求與相關設備要求一致。試驗時，試驗船以3 kn和5 kn的速度航行時，要求移動測量船在以R為半徑繞圈航行時具備良好的機動性。運行軌跡及GAPS定位軌跡，如圖6和圖7所示。在3 kn和5 kn速度下，圓概率誤差半徑結果見表2和表3。

圖6 速度3 kn時運行軌跡及GAPS定位軌跡Fig.6 Trajectory and GAPS positioning trajectory at speed of 3 kn

圖7 速度5 kn時運行軌跡及GAPS定位軌跡Fig.7 Trajectory and GAPS positioning trajectory at speed of 5 kn

表2 速度3 kn時誤差半徑計算結果Table 2 Error radius calculation results at speed of 3 kn

表3 速度5 kn時誤差半徑計算結果Table 3 Error radius calculation results at speed of 5 kn

7 結束語

本文以GAPS為研究對象，對超短基線水聲定位系統(tǒng)動態(tài)定位誤差進行了研究。其動態(tài)誤差在速度3 kn時有86%的概率，其誤差控制在5 m以內；在速度5 kn時有50%的概率，其誤差控制在5 m以內，說明其動態(tài)誤差與航速關系顯著。