0 引言

      目前，隨著海洋地震勘探業(yè)務不斷向深水區(qū)域跨進， USBL的應用逐漸廣泛。 USBL（超短基線）是一種水下定位技術，其工作原理是在水下被定位的目標上安裝應答器，水上的船體安裝超短基線基陣，應答器發(fā)出聲信號，超短基線系統(tǒng)接收到信號后測算出目標的方位及距離。目前在海洋地震勘探中主要應用在節(jié)點（或檢波器）布設中， NOAR（nodeonarope）作業(yè)模式下， USBL用于對節(jié)點（或檢波器）在下沉過程中的位置進行實時監(jiān)控，最終的節(jié)點位置成果仍使用LBL（長基線）進行定位。 ROV（水下機器人）作業(yè)模式正在逐步進人海洋地震勘探業(yè)務發(fā)展中，導航定位系統(tǒng)通常由GPS，USBL,INS，羅盤（艦首、傾角傳感器）、深度計和高度計等傳感器組成，其可在水下實現(xiàn)精準定位、自主導航、布設節(jié)點等工作，節(jié)點位置（以下簡稱點位）的最終成果使用USBL定位結果。

1 USBL定位數(shù)據(jù)分析
      NOAR作業(yè)模式是將應答器與節(jié)點綁定在一起進行布設的，釋放時，當節(jié)點落入水中后會有一個持續(xù)下沉過程，直至落至海底。下沉過程中由于受洋流的影響，節(jié)點的下沉速度和方向存在不確定性，所以在整個過程中需要通過USBL實時聲學定位來獲取節(jié)點在水中的實時位置，導航員根據(jù)節(jié)點的實時位置與設計點位的偏差，指揮船舶調整航向與速度，最終使其落地位置在設計點位附近，滿足設計限差要求。如圖1所示可以看出1～4號節(jié)點已經(jīng)沉人海底處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，此時采集的USBL數(shù)據(jù)才可以用作后期數(shù)據(jù)的處理：而5～8號節(jié)點還處于下沉過程，所以此時采集的USBL數(shù)據(jù)只可以用于監(jiān)控節(jié)點下沉位置。

      在進行USBL實時定位的同時會記錄相應的數(shù)據(jù)文件，我們對數(shù)據(jù)體進行分析，提取數(shù)據(jù)中的各個字段，并與設計的節(jié)點樁號進行匹配，按樁號對數(shù)據(jù)體進行歸類后準備處理。其中記錄的有價值的字段數(shù)據(jù)包含頭段信息和觀測值成果信息。頭段信息包含：聲速、探頭吃水深度、樁號與應答器匹配關系、理論坐標等：觀測值成果信息包含：應答器號、觀測距離、水深、時間、實測坐標等。

      通過提取后的USBL數(shù)據(jù)進行可視化、直觀分析，首先將USBL計算的水深值與船上安裝的測深儀的水深值進行分析（如圖2所示）。當節(jié)點人水后，持續(xù)下沉，在下沉過程中船舶繼續(xù)航行與節(jié)點的距離漸遠。當船舶航行120m后USBL記錄的節(jié)點水深與測深儀記錄的水深值相吻合，說明節(jié)點已經(jīng)沉人水底處于穩(wěn)定狀態(tài)；當船舶航行至195m后USBL水深數(shù)據(jù)出現(xiàn)輕微跳變，受觀測條件影響航行至260m后無USBL定位數(shù)據(jù)，從此組數(shù)據(jù)可以看出當距離變遠后人射角（人射角=ATAN（距離/水深））增大USBL水深數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳變導致定位精度下降，確定了人射角對USBL定位精度的影響。

圖1節(jié)點釋放過程

圖2 USBL深度值與測深儀對比

      由于USBL定位數(shù)據(jù)是當節(jié)點人水后就開始記錄了，而我們需要的數(shù)據(jù)是節(jié)點沉入水底穩(wěn)定后采集的USBL定位數(shù)據(jù)，因此如何確定落底時刻就是我們分析的重點。

      確定以上幾個因素后，對數(shù)據(jù)進行詳細分析。數(shù)據(jù)采集前首先對USBL設備進行校準和聲線改正，確保數(shù)據(jù)精度。對野外采集的USBL定位數(shù)據(jù)進行計算，將結果與LBL定位成果進行對比[2]。按5°人射角將數(shù)據(jù)分多段計算，對比數(shù)據(jù)詳見表1。71°～75°人射角時統(tǒng)計表中點號3約束后有12個基線數(shù)，但是采集的聲學數(shù)據(jù)跳變嚴重未能計算出坐標值；76°～80°入射角統(tǒng)計表中點號2受外界因素的影響，當人射角大于75°后無聲學數(shù)據(jù)，未能計算出坐標值。如圖3所示可以看出，隨人射角的增大，對比差也相應變大，當人射角約束在70°內時，定位誤差小于2m，數(shù)據(jù)精度相對可靠。通過圖4可以看出，基線取值個數(shù)隨人射角增大而數(shù)量增多，人射角小于70°時有效基線個數(shù)8個左右，可以滿足USBL數(shù)據(jù)處理需求。

表1入射角分段統(tǒng)計表

圖3USBL與LBL坐標差

圖4約束后基線取值個數(shù)

（1）通過深度和距離值進行數(shù)據(jù)優(yōu)選，提高了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性

（2）處理過程中使用的數(shù)據(jù)要選擇節(jié)點落地穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)；
（3）人射角影響定位精度，當人射角大于70°時，誤差大于2m。
（4）人射角影響有效基線取值個數(shù)，人射角越小基線數(shù)越少。
2. USBL定位數(shù)據(jù)處理方法
       要想得到最終的USBL定位數(shù)據(jù)成果，經(jīng)過研究我們確定了幾個方面進行，分別為：數(shù)據(jù)過濾、落底距離約束、人射角約束、水深約束、平差計算。

2.1數(shù)據(jù)過濾
      通過多項次濾波將殘差大的數(shù)據(jù)進行剔除，水深和距離分別進行曲線擬合，若水深和距離的實際值減去曲線擬合的值，大于設定的倍數(shù)乘以標準差則剔除數(shù)據(jù)，反之保留。剔除效果如圖5a、5b所示，經(jīng)過濾波后，將殘差大于設定的值后將數(shù)據(jù)剔除。

圖5處理過程示意圖

2.2落底距離約束
      經(jīng)過濾波后的數(shù)據(jù)，在對其進行條件約束，首先約束的是落底后的距離（探頭到應答器）。將此后的USBL定位數(shù)據(jù)認為是節(jié)點落底穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)，如圖5c所示。

      想要得到到底點時的距離可按公式（1）計算，式中v和h可在數(shù)據(jù)文件中提取相應的數(shù)值，而t是未知的，需要求取。在海洋地震勘探中每個工區(qū)的測線方向是一致的，施工時延測線方向往返行駛，并且會盡量避免在漲落潮期間釋放同一根測線。根據(jù)這個特性，我們可以將航向與潮流的關系確定，分四種情況，即：延測線方向順流、延測線方向頂流、反測線方向順流、反測線方向頂流。四個方向的落地距離S，可根據(jù)數(shù)據(jù)總結得到。分別收集四種情況的USBL聲學數(shù)據(jù)進行，通過已知的S并根據(jù)下式進行反算得到t，根據(jù)上述四種潮流情況將t值代入公式（1）中進行計算。

      經(jīng)過以上幾步的處理我們已經(jīng)將有效數(shù)據(jù)范圍縮小，目前我們已經(jīng)得到了有效數(shù)據(jù)的起始點，通過之前的分析確定了人射角的增大會導致定位精度的下降，所以下一步就要約束人射角，使其有效數(shù)據(jù)的范圍進一步縮小。如圖5d所示，將人射角約束在70°，已經(jīng)將后半部分的數(shù)據(jù)進行剔除。

2.4水深約束
      通過以上的約束，有了大致的取值范圍，但是在這些數(shù)值中扔有些突變值，只有剔除這些值才能保證取值范圍內的數(shù)據(jù)精度。剔除水深跳變的數(shù)據(jù)，判斷深度在參考水深士n%（靈活調整n的數(shù)值）以內認為合格，否則剔除。如圖5e所示，

3 USBL數(shù)據(jù)驗證

      使用此處理方法選取一條檢波線，通過USBL定位數(shù)據(jù)計算出各個節(jié)點的位置坐標，并與LBL定位成果進行對比，驗證其處理結果的準確性。本次對比檢驗過程共計算117個點位坐標，其中坐標差大于2m的點9個，小于等于2m的點108個，誤差對比曲線圖詳見圖6。通過圖7的正態(tài)分布圖可以看出，正態(tài)曲線的高峰值集中在1.2~1.7m之間，占比個數(shù)最高集中在1.2m的頻次范圍。通過以上數(shù)據(jù)，表明計算的USBL成果與LBL對比誤差小于等于2m的占比92.3%。其數(shù)據(jù)結果表明，使用此USBL數(shù)據(jù)處理方法計算的結果與LBL定位結果相吻合，計算結果可靠。

圖7USBL與LBL對比差正態(tài)分布圖

4結束語

      在使用USBL定位設備進節(jié)點布設工作時，已經(jīng)通過數(shù)據(jù)驗證了USBL的定位精度，當滿足特定條件下時，誤差小于等于士2m。條件應滿足以下幾點：（1）按規(guī)范進行校準，減小系統(tǒng)誤差影響[1；（2）有足夠多的有效數(shù)據(jù)體支撐，因為在濾波和條件約束的時候會剔除部分殘差大的數(shù)據(jù)；（3）使用節(jié)點落底并穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)參與計算，避免因節(jié)點漂浮干擾計算結果；（4）人射角小于等于70°，從上面的數(shù)據(jù)分析可以看出人射角增大精度會降低，大于70°時，誤差大于2m。不同水深情況下對USBL定位成果的影響和如何更好的應用USBL定位成果是我們下一步需要研究的方向。

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