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。

1 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 1 USBL 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）。

2 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。

图 2 相位延迟和入射角

图 3 USBL 几何图

3 系统校准实施

3.1数据采集

      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。

3.2 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 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。

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 6）。

图 5 基数校准轮廓

图 6 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 7 是一个典 型的数据采集模式。

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。

3.3 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。

图 7 船舶通过校准运行线（水深大于100m）

3.4 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。

4 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。

参考文献：

[1] 喻敏. 长程超短基线定位系统研制[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工 程大学,2005. 

[2] 刘 焱 雄, 彭 琳, 吴 永 亭, 等. 超 短 基 线 水 声 定 位 系 统 校 准 方 法 研 究[J]. 武 汉 大 学 学 报( 信 息 科 学 版),2006(7):610- 612. 

[3] 牛清正. 超短基线定位系统检测装置设计实现[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学,2017.