0 引言

      目前，随着海洋地震勘探业务不断向深水区域跨进， USBL的应用逐渐广泛。 USBL（超短基线）是一种水下定位技术，其工作原理是在水下被定位的目标上安装应答器，水上的船体安装超短基线基阵，应答器发出声信号，超短基线系统接收到信号后测算出目标的方位及距离。目前在海洋地震勘探中主要应用在节点（或检波器）布设中， NOAR（nodeonarope）作业模式下， USBL用于对节点（或检波器）在下沉过程中的位置进行实时监控，最终的节点位置成果仍使用LBL（长基线）进行定位。 ROV（水下机器人）作业模式正在逐步进人海洋地震勘探业务发展中，导航定位系统通常由GPS，USBL,INS，罗盘（舰首、倾角传感器）、深度计和高度计等传感器组成，其可在水下实现精准定位、自主导航、布设节点等工作，节点位置（以下简称点位）的最终成果使用USBL定位结果。

1 USBL定位数据分析
      NOAR作业模式是将应答器与节点绑定在一起进行布设的，释放时，当节点落入水中后会有一个持续下沉过程，直至落至海底。下沉过程中由于受洋流的影响，节点的下沉速度和方向存在不确定性，所以在整个过程中需要通过USBL实时声学定位来获取节点在水中的实时位置，导航员根据节点的实时位置与设计点位的偏差，指挥船舶调整航向与速度，最终使其落地位置在设计点位附近，满足设计限差要求。如图1所示可以看出1～4号节点已经沉人海底处于相对稳定的状态，此时采集的USBL数据才可以用作后期数据的处理：而5～8号节点还处于下沉过程，所以此时采集的USBL数据只可以用于监控节点下沉位置。

      在进行USBL实时定位的同时会记录相应的数据文件，我们对数据体进行分析，提取数据中的各个字段，并与设计的节点桩号进行匹配，按桩号对数据体进行归类后准备处理。其中记录的有价值的字段数据包含头段信息和观测值成果信息。头段信息包含：声速、探头吃水深度、桩号与应答器匹配关系、理论坐标等：观测值成果信息包含：应答器号、观测距离、水深、时间、实测坐标等。

      通过提取后的USBL数据进行可视化、直观分析，首先将USBL计算的水深值与船上安装的测深仪的水深值进行分析（如图2所示）。当节点人水后，持续下沉，在下沉过程中船舶继续航行与节点的距离渐远。当船舶航行120m后USBL记录的节点水深与测深仪记录的水深值相吻合，说明节点已经沉人水底处于稳定状态；当船舶航行至195m后USBL水深数据出现轻微跳变，受观测条件影响航行至260m后无USBL定位数据，从此组数据可以看出当距离变远后人射角（人射角=ATAN（距离/水深））增大USBL水深数据出现跳变导致定位精度下降，确定了人射角对USBL定位精度的影响。

图1节点释放过程

图2 USBL深度值与测深仪对比

      由于USBL定位数据是当节点人水后就开始记录了，而我们需要的数据是节点沉入水底稳定后采集的USBL定位数据，因此如何确定落底时刻就是我们分析的重点。

      确定以上几个因素后，对数据进行详细分析。数据采集前首先对USBL设备进行校准和声线改正，确保数据精度。对野外采集的USBL定位数据进行计算，将结果与LBL定位成果进行对比[2]。按5°人射角将数据分多段计算，对比数据详见表1。71°～75°人射角时统计表中点号3约束后有12个基线数，但是采集的声学数据跳变严重未能计算出坐标值；76°～80°入射角统计表中点号2受外界因素的影响，当人射角大于75°后无声学数据，未能计算出坐标值。如图3所示可以看出，随人射角的增大，对比差也相应变大，当人射角约束在70°内时，定位误差小于2m，数据精度相对可靠。通过图4可以看出，基线取值个数随人射角增大而数量增多，人射角小于70°时有效基线个数8个左右，可以满足USBL数据处理需求。

表1入射角分段统计表

图3USBL与LBL坐标差

图4约束后基线取值个数

（1）通过深度和距离值进行数据优选，提高了数据的稳定性

（2）处理过程中使用的数据要选择节点落地稳定后的数据；
（3）人射角影响定位精度，当人射角大于70°时，误差大于2m。
（4）人射角影响有效基线取值个数，人射角越小基线数越少。
2. USBL定位数据处理方法
       要想得到最终的USBL定位数据成果，经过研究我们确定了几个方面进行，分别为：数据过滤、落底距离约束、人射角约束、水深约束、平差计算。

2.1数据过滤
      通过多项次滤波将残差大的数据进行剔除，水深和距离分别进行曲线拟合，若水深和距离的实际值减去曲线拟合的值，大于设定的倍数乘以标准差则剔除数据，反之保留。剔除效果如图5a、5b所示，经过滤波后，将残差大于设定的值后将数据剔除。

图5处理过程示意图

2.2落底距离约束
      经过滤波后的数据，在对其进行条件约束，首先约束的是落底后的距离（探头到应答器）。将此后的USBL定位数据认为是节点落底稳定后的数据，如图5c所示。

      想要得到到底点时的距离可按公式（1）计算，式中v和h可在数据文件中提取相应的数值，而t是未知的，需要求取。在海洋地震勘探中每个工区的测线方向是一致的，施工时延测线方向往返行驶，并且会尽量避免在涨落潮期间释放同一根测线。根据这个特性，我们可以将航向与潮流的关系确定，分四种情况，即：延测线方向顺流、延测线方向顶流、反测线方向顺流、反测线方向顶流。四个方向的落地距离S，可根据数据总结得到。分别收集四种情况的USBL声学数据进行，通过已知的S并根据下式进行反算得到t，根据上述四种潮流情况将t值代入公式（1）中进行计算。

      经过以上几步的处理我们已经将有效数据范围缩小，目前我们已经得到了有效数据的起始点，通过之前的分析确定了人射角的增大会导致定位精度的下降，所以下一步就要约束人射角，使其有效数据的范围进一步缩小。如图5d所示，将人射角约束在70°，已经将后半部分的数据进行剔除。

2.4水深约束
      通过以上的约束，有了大致的取值范围，但是在这些数值中扔有些突变值，只有剔除这些值才能保证取值范围内的数据精度。剔除水深跳变的数据，判断深度在参考水深士n%（灵活调整n的数值）以内认为合格，否则剔除。如图5e所示，

3 USBL数据验证

      使用此处理方法选取一条检波线，通过USBL定位数据计算出各个节点的位置坐标，并与LBL定位成果进行对比，验证其处理结果的准确性。本次对比检验过程共计算117个点位坐标，其中坐标差大于2m的点9个，小于等于2m的点108个，误差对比曲线图详见图6。通过图7的正态分布图可以看出，正态曲线的高峰值集中在1.2~1.7m之间，占比个数最高集中在1.2m的频次范围。通过以上数据，表明计算的USBL成果与LBL对比误差小于等于2m的占比92.3%。其数据结果表明，使用此USBL数据处理方法计算的结果与LBL定位结果相吻合，计算结果可靠。

图7USBL与LBL对比差正态分布图

4结束语

      在使用USBL定位设备进节点布设工作时，已经通过数据验证了USBL的定位精度，当满足特定条件下时，误差小于等于士2m。条件应满足以下几点：（1）按规范进行校准，减小系统误差影响[1；（2）有足够多的有效数据体支撑，因为在滤波和条件约束的时候会剔除部分残差大的数据；（3）使用节点落底并稳定后的数据参与计算，避免因节点漂浮干扰计算结果；（4）人射角小于等于70°，从上面的数据分析可以看出人射角增大精度会降低，大于70°时，误差大于2m。不同水深情况下对USBL定位成果的影响和如何更好的应用USBL定位成果是我们下一步需要研究的方向。

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