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超短基线在定位应用的时候，需要安装在水面船舶上，并结合全球卫星定位系统DGPS、姿态传感器VRU、罗经GYRO完成最终的定位，超短基线测量出换能器的相对距离和方位，需要归算到GPS的绝对坐标系下，在归算的过程中，涉及换能器方向的归算到船舶首向，姿态归算到船舶的姿态，这就是校准的过程，本文将对超短基线的校准方法进行详细的阐述。
一、超短基线定位的工作原理
超短基线定位系统(USBL)声学系统使用由四个或更多元件组成的单个传感器(见图1)，通过声学测量确定目标位相对于水听器的距离和方位，来完成对目标物的定位。超短基线定位系统(USBL)原理基于一组声波传感器的，这些声波传感器安装在单个收发器(水听器)组件中，并部署在水面船只上。
图1USBL传感器发射器/接收器元件
超短基线定位声学系统水下定位，是通过精确测量两个传感器接收的声学信号(载波频率f)的相位差进行方位的解算，通过测量询问信号发出及应答信号收到的时间差来完成距离的解算。使用正弦信号的系统测量每个元件中信号的“时间相位”(见图2)，与接收机的参考有关。一个询问脉冲从船舶，参考传感器传送到被询问的海底应答机，并将回复脉冲发送回传感器。如果一套罗经和水面导航系统与该系统连接，应答器的北侧参考位置和绝对位置可以通过三角法计算(见图3)。
图2相位延迟和入射角 图3 USBL几何图
二、系统校准的目的
在USBL安装过程中发射/ 接收基元的参考方向和船舶水平参考系方向，基元所在平面和船舶竖直参考系方向存在安装及系统误差，校准的目的就是将这些误差剔除掉，通过特定方式的数据采集校准出水平方向偏差、俯仰和滚转偏差，以提升定位的准确性。
三、系统校准实施
⒈数据准备
系统校准正式展开前，需要进行罗经检查及校准、姿态传感器的检查及校准、声速的采集及应用、偏移距的测量及应用。罗经的校准需要将罗经的测量数据归算至船舶的中心线上，利用全站仪，使用已知点或者太阳观测的方式。船舶姿态传感器的校准时将传感器的测量数据归算至船舶的参考系，可以采用两台全站仪或RTK的方式进行实时相对高程测量。声速采集则使用声速传感器进行全水深的声速测量，可以采用绞车释放或ROV搭载的方式进行。偏移距的测量则是建立船舶参考下，以船舶中心线指向船首的方向作业Y轴测正方形，建立右手坐标系，用全站仪测量更参考点在坐标系中的位置。上述准备工作完成后，在海底布置1枚应答器，应答器采用三脚架或重块加浮球的方式固定，距离海底1.5～2m的距离，测试通讯正常后，准备开始数据采集工作。
⒉数据采集
在动态定位的船上，数据收集的首选方法是定点法。在四个选定的基点上进行数据采集，数据采集时需要船舶尽量保持同一首向，以获得更准确的校准结果。在深水中，基点通常选定在距离信标水深的1/3或500m处，以较小者为准。这减少了可能发生的通讯弯曲量，并保证通讯具有最佳的信噪比。如果数据采集的质量不够理想，可以调转船头，如图4所示，按1，中心，3，4，中心，2的数据再次进行数据采集，以确保采集到数量足够的数据，每个基点的每个方向上至少采集100组以上的数据。在非DP船上，很难保持一个恒定的航向和位置。因此可以采用各种其他方法来收集数据，例如八叶图，三叶草叶或双三角形法(见图5)。
图4基数校准轮廓
图5通过运行线进行校准
如果可能的话，USBL系统不应该在小于100m的水中校准。如果校准必须在小于100m 的水中进行，那么数据只能通过在一个盒子中以相反的方向运行线和以发射机应答器为中心的十字图案来收集。图6是一个典型的数据采集模式。
图6 船舶通过校准运行线(水深大于100m)
在两个相邻的基点之间总共运行12条线路，并在信标顶部进行4次转换。测线的布置方向可以旋转，以便在需要的地方提供电流和风向。运行线的长度取决于固定数据采集的水深。在开始收集数据之前，应将线路延长一段适当的距离，以使船舶稳定航向。
⒊数据处理
处理软件通常采用最小二乘法来求解未知数。当误差的逆值作为调整过程中的权值时，对于未知数应给出初值和误差。误差估计值应该是切实的。
以下误差估计代表了一个典型的船只设置。
△信标位置：±50m
△信标深度：±10m
△声速：±3m
△偏移：±1m
在处理过程中，确保至少2/3的数据可用，这样校准结果才更为可信。
⒋结果验证
系统验证的目的是校准的结果可靠可信。该测试通常在现场校准结束时进行，但也可以用作验证一个系统是被校准过的，而不需要进行完全的校准。在这种情况下，如果验证结果表明系统中可能存在系统误差，则可能需要进行全面的现场校准。为了进行系统验证，船舶与已部署的信标之间的距离设置为30m或40m(正常ROV工作范围)。与旋转测试一样，船舶将围绕传感器旋转360°，同时观察和记录USBL数据。至少记录200点。如果最终结果显示没有系统偏差，并且满足测试期间水深和环境条件系统的正常预期精度，则认为该系统处于校准状态。
四、结束语
USBL定位系统在使用前需要确认其是否经过系统的校准，校准后的系统才具备正常使用的意义。校准的过程应考虑当前的天气/海况，尽可能减少来自推力器和波浪噪声的声音干扰。需要考虑海洋条件，如果在水层中存在极端的氯离子或温跃层，则光线弯曲(折射和反射)的影响会对校准工作产生不利影响。在较新的系统如HiPAP/APOS中，可以在USBL系统内对声速进行精确建模。在较旧的系统上，只能输入传感器，中间水和应答器位置的声速。此外，在USBL校准过程中，应监控水面定位系统的质量，因为水面定位系统的任何误差会直接传递到USBL系统，从而影响校准结果。
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END
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【作者简介】文/郑军，1980出生，男，中海辉固地学服务(深圳)有限公司，工程师，研究方向为海洋工程定位导航、地球物理调查、水文环境监测、水下设施检测；文章来自《发展与创新》(第5期)，参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。
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