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作者:xiaokcehui2023-8-27 11:53分类: others 标签: 水下机器人 超短基线

本文主要讲述超短基线的安装校准和应用。

1、安装校准概述

水下声学导航系统标定算法的准确性很大程度上取决于所采集的数据质量、超短基线基阵的几何结构、高效的数值计算算法等方面。Mc Ewen 等在 2005 年发现了对于分立式的超短基线系统,水声传感器与姿态传感器之间的平均安装误差角在 2.5°左右,标准差在0.5°左右。法国iXblue、英国Sonardyne、德国Evo Logics 等公司均有商用的深水超短基线定位系统,其定位性能指标已达到0.2%斜距,iXblue公司研发的 GAPS 在信噪比为20dB时精度可以达到 0.06%斜距,这些公司同样有针对自己设备的标定方案,一般采用了"∞"形轨迹,但未公开具体算法。

台湾国立中央大学的陈信宏团队在文献中提出了一种根据安装误差所导致的定位误差进行计算的标定算法,标定时测量船绕着海底的应答器做圆轨迹行驶,先确定翻滚误差角,然后确定航向误差角,最后是俯仰误差角。该方法具有很高的精度,对于偏心圆轨迹和非标准圆轨迹都有很好的效果,但是针对航向安装误差角和纵向安装误差角的估计出现振荡的情况,文中仅对其形成的机理做深入的分析,没有给出有效的解决办法。在该算法的基础上,童金武提出了一种基于增量迭代的安装误差动态标定算法,该算法使用了两个应答器,对轨迹的要求更小,迭代速度更快,但是需要使用两个相对位置一定的应答器,具有一定的局限性。张亮则提出了一种基于无迹卡尔曼滤波的误差标定算法,但计算量较大。另外一种常用的标定算法是,利用空间测距交会的方法和最小二乘法进行安装误差的估计。

郑翠娥等先利用最小二乘法对应答器位置和杆臂值进行估计,再估计安装误差角矩阵,同时还考虑了深海情况下需要进行声速修正的情况,提出了一种基于最小二乘法结合声线修正的标定方法。但是该标定方法中对安装误差的估计是直接通过求解姿态转移矩阵得到的,需要求解九个未知数,而三个方向的安装误差角只有三个未知数,当需要计算安装误差角时,需要将姿态矩阵转化为欧拉角,该过程会导致安装误差角的估计存在较大误差,《一种SINS_超短基线组合定位系统安装误差标定算法_张涛》通过小角度近似,将九个未知参数化为三个未知参数,减少了安装误差角的估计误差且计算量少。

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2、校准的方法

影响超短基线定位系统精度的主要因素可以归纳为 3 类:测量设备自身误差、安装角度偏差、声速误差。

(1)超短基线水声的系统校准_郑军

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 5 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。

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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(见下图)。

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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。

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(2)Ranger2 校准

磁罗经自身校准

信标先放置在海底,点击Tools/Advanced/Magnetic Compass Calibration,船围绕信标进行画圆收集数据,收集时间至少三分钟。

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利用Range2 软件进行测算,观察收集数据测算后是否符合要求,将符合要求的数据写入磁罗经校准。

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磁罗经与船首向对齐

在船静止状态下,布放信标,信标稳定后在其平均位置处,标记一个Waypoint 参考点(尽量靠近信标),随后船沿直线向前航行114米,在该处测得的信标平均位置处标记另一个waypoint点,测算两点偏差的距离,将距离除以2得出角度误差,将该值填入Transceiver to ship的heading选项框内。左偏移(信标在船左侧)位正值,右偏移(信标在船右侧)为负值。

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atan(14.16/114.14)=7.07°,信标在右侧,负值。

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3、应用

(1)沉管

沉管沉放定位分为两个阶段: 粗测阶段及精测阶段。在粗测阶段,将超短基线( USBL)声学定位系统与 GPS 组合,对下沉阶段的管节位姿进行实时测量,引导待沉管节沉放至预定位置,省去测量塔的安装,提高施工深度; 在精测阶段,由精测定位系统( 如超声波定位,机械定位)完成沉管最终对接。

以GPS 天线为原点的大地坐标系、以驳船重心为原点的船心坐标系和以超短基线基阵中心为原点的基阵坐标系,通过姿态传感器测量的船姿态信息及GPS天线的大地坐标,根据欧拉旋转矩阵对3个坐标系进行转换,最终可获取待沉沉管在大地坐标系中的位姿信息。

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(2)自主水下航行器(AUV,Autonomous UnderwaterVehicle)

自主水下航行器 (AUV,Autonomous UnderwaterVehicle)是一种水下智能潜航器,作为一个智能化的深水潜航载体类似一艘无人潜水勘察船,可以搭载各种测量设备如测深仪、地貌仪、浅地层剖面仪等进行海底搜寻、地形地貌探测、地质灾害调查等勘察工作,AUV 在深水工程勘察中以高精度、高分辨率、高效率的优越性能取代常规的水面船载、拖曳式调查作业,是目前深海油气勘探开发及其重要的技术手段。中海油服于 2015 年从国外购置了Explorer 3000M AUV 用于深水工程勘察,至今已完成上万公里的调查作业,为深水油气田的勘探开发提供了大量的高精度、高分辨率的调查数据。Explorer 3000M AUV 搭载Kongsberg EM2040 型多 波 束 测 深 系统 、Edge Tech 2200M型侧扫声呐和浅地层剖面系统等测量设备,能够在 3000m以浅海域进行深水工程勘察作业,获取海底高精度地形地貌和浅地层剖面资料。

与绝大多数 AUV 一样,Explorer 3000M AUV 水下导航系统采用了惯性导航系统(INS)和多普勒计程仪(DVL)组合导航方式。在距离海底高度不超过 200m 航行时,虽然 DVL 提供的高精度速度信息虽然可以很好的抑制 INS的累计误差,但水下导航系统的定位误差仍会随着工作时间和航程的增长而增大,使得 AUV 偏离了预设的调查测线。因此,需要使用水下声学定位技术来修正 AUV 水下导航系统的累计误差,使其回到预设的调查测线。以Explorer 3000M AUV 为例,在其靠近尾部上方位置固定安装了 IXblue MT9 型水下声学定位信标,用于超短基线定位。Explorer 3000M AUV 在水下航行作业期间,为了提升超短基线定位精度,安装了 IXBlue GAPS 超短基线系统的作业母船始终保持在 AUV 正上方航行,GAPS 跟踪的水下信 标 准 确 绝 对 位 置 通 过 声 学 通 讯 系 统 实 时 传 输 至Explorer 3000M AUV 内部惯导系统 Phins 中,用以消除INS+DVL 组合导航的精度漂移。Phins 是一套高精度闭环光纤陀螺导航系统,可提供载体的真方位角、运动姿态、速度、升沉及三维位置信息。Phins 综合 DVL 提供的高精度速度信息、超短基线定位信息以及 AUV 深度和高度信息,通过 尔曼滤波,可以实时估算出 AUV 在水下的最优位置。

(3)深拖调查作业

深拖(Deep-Tow)调查是将一种或几种海洋调查仪器进行组合安装在一个深水拖鱼(体)上,通过将拖体沉放到预定深度来减少水体对仪器的影响,从而获取高质量多波束、侧扫声呐和浅地层剖面等数据的一种深海工程勘察方法。以 Edge Tech DT-1 深拖系统为例,深拖系统主要由水下拖体及搭载设备、拖曳系统(含压载器、拖缆、脐带缆、绞车)、释放回收系统、甲板通讯链及系统控制处理器等四大部分组成。深拖系统一般搭载多波束测深系统、侧扫声纳系统、浅地层剖面仪,以及辅助传感设备(光纤 经、运动传感器、实时声速计、压力传感器、多普勒计程计、高度计和水下声学定位信标等)。与 AUV 不同,深拖系统拖体是不带动力装置的,完全依靠作业母船拖曳航行。

深拖系统定位多采用水下声学导航定位,尤其是超短基线定位系统因其具有成本低、操作简便、无需布设海底应答器、安装灵活、测距精度高等诸多优势,已成为深拖系统定位的主流技术手段。在深拖作业中,按照深拖拖体后拖的水平距离,深拖作业可以分为双船定位作业和单船定位作业模式。根据作业经验,在 700m 水深以浅作业时,一般采用单船定位作业模式,700m 水深以深时采用双船定位作业模式。单船定位作业模式中,作业母船上安装超短基线换能器,同时负责深拖拖体的拖曳与定位跟踪。而在双船定位作业模式,通常会配备一条追踪定位船和一条深拖拖曳船。深拖系统水下拖体的定位主要靠安装在追踪定位船侧舷的超短基线声学定位系统结合 DGNSS 定位系统的方式对水下拖体进行定位。追踪定位船上的导航系统将 GNSS 天线接收到的位置信息,实时传输至 USBL 声学定位系统中,USBL 声学定位系统软件结合 USBL 收发探头与水下拖体的相对位置信息及 GNSS 天线与 USBL 收发探头之间的偏移距推算出水下拖体的位置信息。追踪定位船再将拖体的位置信息通过无线电数据链发送给拖曳船,通过时间匹配将位置信息整合到工程勘察采集资料中。

深拖作业时,母船以3kn速度沿固定航向航行,深拖系统下放深度为600m左右,USBL换能器安装于母船声学竖井内,应答器安装于拖体之上,采用电触发模式工作。图5为Delph Roadmap导航软件中实时显示的母船位置(图中蓝线)及拖体位置(图中红线),为了更直观显示母船与拖体的相对位置关系,截取部分原始数据,绘制三维显示图(图6)。从图6中不难看出,母船位置由高精度星站差分GPS给定,其运动轨迹清晰连续,表现为一条直线。USBL在大多数时间内可以给出相对稳定的定位数据,但受海洋环境噪声等的影响,部分数据存在跳点情况。

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小结

在水深大于100m的作业区,超短基线是标配,资料的好坏与定位关系很大,水下定位一直是深水调查的难点。水下定位是否准确不仅与安装校准有关,与融合算法也有关系,有时,为了弥补水下定位的不足,技术人员还要想一些其它办法,比如图像和点云匹配。



参考文献

一种适于浅水定位的超短基线装置与定位方法_祝侃

一种SINS_超短基线组合定位系统安装误差标定算法_张涛

深海超短基线定位系统现状及展望_张同伟

超短基线定位系统在500kV跨海输电系统海底电缆检测中的应用_高东明

超短基线定位系统在沉管测控中的应用_赵心

超短基线定位系统在深水工程勘察中的应用_肖家耀

超短基线水声定位系统误差校准方法综述_罗宇

超短基线水声的系统校准_郑军

深海超短基线定位系统现状及展望_张同伟

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