超短基线定位误差综合分析及实验

田春和

（交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456）

超短基线定位误差综合分析及实验

田春和

（交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456）

在超短基线水下定位过程中，海洋噪声的存在、工作环境的变化以及设备安装等方面都会引起定位误差，这些误差的传递致使定位误差在超过几百米后增长很快，致使有效定位距离不能太远，限制了超短基线在水下定位作业中的应用范围。文章对超短基线水下定位系统误差的来源进行了综合分析，并进行了水声定位误差综合实验和实验数据处理分析，对超短基线定位误差进行了综合评估。通过对超短基线定位误差来源中粗差和系统误差的分析并开展相应实验，同时对实验结果数据进行深入的处理和研究，提出了改善超短基线水下定位性能的几种方法。

超短基线；精度；误差；实验

水下导航定位系统是一个综合定位系统，要实现精确导航定位，必然受到GPS导航定位系统、船载（集成）辅助传感器、超短基线导航定位系统及水上定位和水下定位数据融合方法等的影响和制约，其中超短基线导航定位系统的研究是重中之重。海洋噪声的存在、工作环境的变化以及设备安装等方面都会引起超短基线系统的定位误差［1］。对超短基线而言，在其定位计算的过程中，这些误差的传递致使定位误差在超过几百米后增长很快，致使有效定位距离不能太远，限制了超短基线在水下定位作业中的应用范围。要提高超短基线的定位精度和作业距离，必须尽量减小各种误差来源中粗差和系统误差对定位系统精度的影响，因此有必要分析定位系统中的误差来源。

1 超短基线水下定位精度分析

假设影响水下定位精度的各误差源是相互独立的，则整个系统的定位精度可以定义为

式中：USBL为超短基线系统本身测量所引起的定位误差，即测距和测向引起的误差；Gyro为电罗经测量航向引起的在水平位置上的误差；MRU为运动传感器所引起的在水平位置上的误差；GPS为卫星定位系统的平面误差；SVP为声速剖面测量引起的水平位置的误差；Calibration为安装校准引起的水平位置的误差；i为换能器到应答器不同入射角所引起的误差；Noise为噪声所引起的误差。为了分析起来简便一些，把USBL、SVP、噪声和不同入射角i所造成的误差统称为USBL误差，将Calibration、Gyro和MRU统称为Calibration误差，将GPS单独列为GPS误差［2-6］。可以看出，USBL误差和Calibration误差均与作用距离（包括水平距离和垂直距离）密切相关。

USBL误差是由声速、噪声和不同入射角造成的。而Calibration误差则主要包括Gyro与MRU的测量误差及其校准误差。当采用RTK GPS进行水上表面定位时，由于其定位精度可达厘米级，因此其误差可以忽略。如果使用差分GPS进行水上定位，定位精度则在1～2 m以内，当超短基线系统在近距离工作时，USBL误差和Calibration误差所在比重很小，DGPS的定位误差对系统定位精度的影响就比较明显；而随着作用距离增加，DGPS定位误差在整个定位误差中的比例也相应减小，USBL误差和Calibration误差就成为定位精度的主要影响因素。

由于影响系统定位精度的因素很多，消除每个误差源显然是不现实的，应该通过超短基线水下定位精度分析，针对不同情况下的主要误差源进行重点研究。

2 水声定位误差综合实验

通过水下定位系统的误差分析，将总误差分解为USBL误差、Calibration误差和GPS误差，其中GPS误差由工作中使用的水上定位设备决定，Calibration误差由安装校准实验解决。

本次实验水上定位采用RTK GPS，其定位精度可达厘米级，因此GPS误差可以忽略；水下定位使用的IXSea Gaps超短基线，具有便携、即插即用、无需校准等突出优点，它通过将GPS定位系统、惯性导航系统、光纤罗经/姿态仪系统同水声定位系统的传感器组装在一起，并将各传感器之间的相对偏移量在出厂前进行内部标定并固化在系统的内部程序中，因此从理论上来说Gaps系统在现场无需进行标定，不存在各传感器之间的安装、测量误差问题，确保了系统的高精度导航定位。但是，在野外工作条件下，Gaps能否达到其宣称的非校准精度，则需要实验进行验证。

因此以下探讨的主要问题Calibration误差和由声速、噪声及不同入射角造成的USBL误差。

2.1 Calibration误差实验

为了验证IXSea Gaps超短基线在非校准的情况下能否达到标称精度，在室内游泳池里进行了校准试验，通过对测量数据进行统计分析，验证Gaps的测量精度。

（1）实验思路。在校准工作中，输入人工位置作为Gaps换能器的坐标，避免了GPS的测量误差；主要试验应答器固定置于水底的校准方法；选择围绕应答器位置的4个重要位置点进行校准测量；在测量开始前进行声速剖面的测量并输入超短基线控制系统；在实验过程中，尽量减小声速和噪声的影响；校准实验前，精确测量Gaps固定杆顶端到换能器的距离。（2）实验场所。选择一室内游泳池，长50 m，宽20 m，中央区域水深2 m。选择室内游泳池的目的是为了尽量减小声速和噪声的影响，使测量过程中主要存在换能器的安装校准误差，有利于仪器校准实验数据的分析。游泳池内为淡水，水温变化不大，深度只有2 m以内，温盐深三项基本一致，没有声速的影响；而且作为室内游泳池，封闭性好，水面平静，而且测量时保持换能器和应答器静止不动，噪声可以忽略不计。（3）实验要求。校准实验需要对换能器位置、应答器位置、应答器相对于换能器的距离和方位、换能器的三维姿态进行同步观测，并称之为“位置配对”（Position Pair）。要求在围绕应答器位置进行4个重要点的配对位置测量，换能器距应答器的水平距离分别为10 m和25 m左右。（4）实验过程。将应答器固定于水池的中央，并保持竖直。实验前，首先使用全站仪精确测量应答器的位置和Gaps固定杆顶端坐标；使用声速计进行声速剖面的测量并输入Gaps控制软件。实验时，在每个位置测量10 min，至少记录100对数据。每次测量都必须在水面波动停止后进行，以减小噪声的影响。（5）实验数据处理。使用数学统计方法对采集到的数据进行分析和处理。在实验过程中，应答器始终静止安放于水底，且换能器也在保持静止的情况下对应答器进行测量。校准实验是在尽量减小系统误差和随机误差的条件下进行的，因此通过数学统计的方法，剔除粗大误差，提高数据的密度后，能体现出系统本身的性能，方便对测量结果的分析。在对每个测量点采集到的数据进行统计分析后，计算得到应答器距离换能器的平均距离和中误差（表1）。通过统计计算得到，IXSea Gaps在近似理想工作情况的游泳池内，将近70%的数据位于半径为0.35 m的圆里，即定位精度可以达到0.35 m。（6）实验结论。超短基线系统IXSea Gaps在无需校准的情况下，依然可以达到很高的测量精度；在近似理想的工作条件下，IXSea Gaps可以达到0.35 m以内的定位精度，与标称的0.2 m的定位精度很接近。

2.2 USBL噪声实验

将信标抛入某港池中部的水中，此处水深约为15 m，并记录大致位置。测量船穿越应答器上方布设一条长度为400 m的测线。在测量过程中，换能器保持竖直安装，航线尽量保持直线，分别采用2节、4节、6节船速对应答器的位置进行往返测量，在剔除粗差数据后比较不同船速下的测量结果中误差，船速为2节、4节、6节时，中误差分别为1.13 m、1.28 m、2.68 m。

实验发现，噪声是降低IXSea Gaps超短基线测量精度的主要因素。在船低速行驶时，螺旋桨和发动机是主要噪声源。随着船速加大，数据质量明显降低，在正常工作船速即四节船速下USBL噪声误差为1.28 m。

因此在水下定位测量时，如无必要尽量不要动船，即使动船必须严格限制船速在4节以下。

2.3 USBL不同入射角实验

换能器位置固定不变，不同距离下，应答器从海面深入海底，再从海底回到海面，测试入射角变化对定位精度的影响。

为减小随机误差即噪声的影响，所有声速实验均在停船的情况下进行。

将测量船固定在某海域码头，换能器位于船的外侧，避免遮挡，距离应答器距离约120 m，应答器从水面依次停止在3 m、9 m、15 m3个深度，每个深度测量5 min。以深度±3 m作为有效水深范围，2倍中误差剔除粗差数据，进行计算，得到应答器深度为3 m、9 m、15 m时，中误差分别为8.19 m、1.79 m、1.43 m。

实验结果表明：IXSea Gaps在不考虑声线弯曲并且没有动船的情况下，工作时的作用距离越近即入射角越小，数据质量越好，在渤海湾正常工作条件下，水深为15 m，换能器距离应答器为120 m左右，入射角所造成的误差为1.43 m。

表1校准数据统计表Tab.1Results of calibration datam

3 USBL定位误差综合评估

如实验所述，在渤海湾正常工作条件下，水深为15 m，换能器距离应答器为120 m左右，采用RTK GPS进行表面定位，IXSea Gaps超短基线进行水下定位，在正常工作船速为4节的情况下，各误差源所引起的超短基线定位误差为：IXSea Gaps USBL系统本身测量所引起的定位误差为0.2%，120 m即0.24 m；Calibration、Gyro和MRU所引起的定位误差为0.35 m；RTK GPS所引起的定位误差为0.03 m；Noise即USBL噪声误差为1.28 m；声速测量误差通常可以控制在0.1%距离以内，120 m即0.12 m，SVP即USBL声速误差为0.12 m；i即入射角所造成的误差为1.43 m。故σ即USBL整个系统的定位精度为1.97 m。

假设影响水下定位精度的各误差源是相互独立的，则USBL整个系统的定位精度可以定义为

4 提高USBL定位精度的方法

通过USBL定位误差分析、实验及数据处理，可以总结出以下提高USBL定位精度的方法：（1）噪声是降低IXSea Gaps超短基线测量精度的主要因素。在船低速行驶时，螺旋桨和发动机是主要的噪声源。随着船速加大，数据质量明显降低。（2）IXSea Gaps在不考虑声线弯曲并且没有动船的情况下，工作时的作用距离越近即入射角越小，数据质量越好。（3）USBL定位过程中，应准确测量声速。（4）对动态测量数据可以采用卡尔曼滤波消除粗差，卡尔曼滤波能明显的改善超短基线的定位结果［6］。

［1］田坦.水下定位与导航技术［M］.北京：国防工业出版社，2007.

［2］隋海琛，田春和，韩德忠，等.水下定位系统误差分析［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］张道平.超短基线定位系统的误差分析［J］.海洋学报，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］刘伯胜，雷佳煜.水声学原理［M］.黑龙江：哈尔滨工程大学出版社，2006.

［5］杜文广.超短基线定位之感测器对准偏差修正［D］.台湾：国立中山大学，2006.

［6］王崇明，田春和，隋海琛.IXSea Gaps超短基线定位数据卡尔曼滤波研究［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，吉林省榆树人，高级工程师，主要从事海洋工程勘察研究工作。

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