水下导航定位

4.5.2　水下导航定位

下面以超短基线定位系统Gaps为例，简单说明水下导航定位作业的实施过程。

1.系统连接

GPS将定位数据传输给导航软件Hypack，Hypack将GGA格式的定位数据传输给Gaps控制盒ECB的GPS端口，控制盒ECB从MM I端口传输数据给导航机Gaps控制软件。控制盒ECB从Output端口传输信标的GGA数据给导航机Hypack作为设备Beacon。

系统连接和数据链如图4-20所示。

2.系统设置

进入Gaps软件界面，设置:

图4-20　Gaps定位系统连接

(1)换能器安装位置和入水深度;

(2)调入声速文件，必须保证每米深度下有声速数据;

(3)设置ECB各个端口数据格式波特率，一般仅设置GPS端口和output端口为GGA格式，9600 Baud/s;

(4)添加Beacon型号MT8，MFSK code 22;

(5)Blanking Time为1800ms;

(6)Turn Around Time(TAT) 90ms;IIF 19500Hz;选择Transponder。将serial Id(序列号)改为040，并选中“In use”单选项即可。

3.系统使用

系统的操作过程如下:

(1)Gaps要求船体周围环境噪声小于65dB，海况3～5级，因此，支撑船航速要低，一般为4节左右;

(2)打开GPS，进入Hypack导航界面，向ECB传送GGA数据;

(3)打开Gaps电源开关10秒后，启动Gaps软件界面;

(4)等待Gaps右侧各个指示灯均变绿，且无错误指示后点击“START”(一般需要5～10分钟，屏幕上可看到换能器姿态及经纬度，检查有无错误);

(5)打开信标开关，旋至L0(开关位置以·为准)即F1位置;

(6)将信标置入水中，Gaps跟踪到目标后，MT8的各项数据会依次显示，Hypack中会出现拖体图标;

(7)测量完毕后，将信标开关关闭，在Gaps跟踪软件中点击“STOP”停止键，水下定位数据采集工作结束。

4.导航定位实验

实验目的为主要测试当换能器和应答器同处于运动状态时，Gaps超短基线系统水下导航定位的性能和精度。

实验条件如下:

(1)校准误差

IXSea Gaps超短基线内置高精度光纤罗经，无论Gaps换能器姿态如何，高速率输出的方位、姿态等数据均可以帮助Gaps系统计算出水下目标的准确位置。经室内实验证明，可以免校准。

(2)GPS定位误差

实验中使用RTK GPS进行水上定位，为测量船以及船上Gaps换能器提供平面位置，平面位置精度达到厘米级。

(3)声速误差

在测量开始前，进行声速剖面的测量。若最大最小声速值之差小于1m/s，可以不用考虑声线弯曲的影响。

(4)噪声误差

船行进时的螺旋桨噪声和换能器、应答器在水中行进造成的水动力噪声，是拖航定位实验的主要噪声源，也是定位误差的重要影响因素。

实验采用三条测量船，其中一条船将1个应答器竖直固定安装，使用GPS RTK精确测量其位置。另一个应答器拖于水中，测量船以4节速度在既定测线上往返运动。在另一条测量船上固定且竖直安装换能器，也以4节速度在距另一测量船约20m的平行测线上往返运动。实验历时1h。

由于系统采用相对定位，以锚定船上的应答器为参考，则可以确定另外两条船上的应答器和换能器的运动轨迹(如图4-21所示)。

图4-21　导航实验中应答器和换能器的实测航迹

根据前述原理，编写程序对超短基线定位数据进行卡尔曼滤波。

如图4-22所示，原始观测数据是带有随机误差的数据，并且有些数据还带有较大误差，即所谓的异常观测值。

图4-23所示为经卡尔曼滤波后的数据，可以看到滤波后数据较原始数据更平滑，航迹显示符合实际。

图4-24所示为将滤波后的数据与原始数据进行比较，可以看出二者在正常导航定位情况下吻合。这说明卡尔曼滤波取得了良好的滤波效果，改善了超短基线水下的导航精度和可靠性。

上述导航实验结果表明，通过对原始导航数据进行卡尔曼滤波，Gaps系统具有较好的水下导航性能和较高的导航精度。

图4-22　原始观测数据

图4-23　滤波后的数据

图4-24　原始数据与滤波数据