超短基線系統(tǒng)在ROV水下定位的應(yīng)用研究

□劉伯運(yùn) 劉燕紅 邱金水 王京齊

一、概述

在實(shí)施水中消防作業(yè)、沉船打撈等救撈任務(wù)之前，首要的任務(wù)是要確切定位水下目標(biāo)、了解水下情況。對(duì)海底失事船艇及其他沉沒物的水下定位是一項(xiàng)關(guān)鍵且高難度的作業(yè)，水下定位一般是在概位搜索的基礎(chǔ)上，利用聲納船及單 （雙）船拖掃方法并經(jīng)潛水員水下探摸確定沉船的具體位置。隨著水下機(jī)器人技術(shù)的成熟，利用水下機(jī)器人進(jìn)行水下定位作業(yè)也得到越來越廣泛的應(yīng)用。

水下運(yùn)載器 （Underwater Vehicle） 能在水下游動(dòng)、攜帶特定器具以執(zhí)行、完成特定任務(wù)的各種用途的運(yùn)載器的統(tǒng)稱。遠(yuǎn)距離操作潛水器(Remotely Operated Vehicle，簡稱ROV），這類水下機(jī)器人的最大優(yōu)點(diǎn)是母船可以為其源源不斷地提供能源，因此，它能在水下長時(shí)間地工作，并且可以安裝機(jī)械手等作業(yè)工具，因此應(yīng)用廣泛。

利用ROV進(jìn)行水下定位目前通用的方法是利用水聲傳感器對(duì)ROV本體位置進(jìn)行測(cè)量，并輔以其他的姿態(tài)傳感器,組成組合導(dǎo)航系統(tǒng),可以得到高精度的水下位置信息。本文以海軍防救部隊(duì)配備的Ocean Modules V8 Sii型ROV為對(duì)象，介紹水下定位的原理、特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)使用過程中影響定位精度性能的主要因素進(jìn)行分析，從而提高對(duì)水下定位作業(yè)的認(rèn)識(shí)。

二、Ocean Modules V8 Sii型ROV水下定位系統(tǒng)

Ocean Modules V8 Sii（Search-搜尋,Identification-識(shí)別，Intervention-干預(yù)）是一款多用途、開放和采用模塊化設(shè)計(jì)的水下遙控機(jī)器人。該型機(jī)器人可搭載多種傳感器和設(shè)備，如各種固定安裝攝像機(jī)、拱形透明罩安裝攝像頭、HD高清攝像頭和靜態(tài)攝像頭、鹵素?zé)?、LED照明燈、聲納、機(jī)械手和各種傳感器，可根據(jù)用戶工作的需要配置成專業(yè)的、完美的水下工作載體。

Ocean Modules V8 Sii可以配備在大、中型打撈救生船上，與其它裝備配合執(zhí)行300 m以淺的援潛救生和打撈沉船 （艇）、飛機(jī)、導(dǎo)彈、魚雷和有經(jīng)濟(jì)、戰(zhàn)略價(jià)值的沉物等重要任務(wù)；通過配置水下作業(yè)工具，可進(jìn)行多種援潛救生種水下作業(yè)；通過配置水下照相機(jī)、聲納等設(shè)備，可執(zhí)行水下搜索、水下觀察等作業(yè)。

V8 Sii水下定位利用超短基線定位系統(tǒng)（USBL）。該型 USBL采用的是 Tritech Micron Nav公司生產(chǎn)的，硬件部分由水下傳感器組件、水面?zhèn)鞲衅鹘M件以及信號(hào)接口箱組成，如圖1所示。水下傳感器組件中，主要部分是短基線定位聲納的應(yīng)答器；此外，還包括傾角傳感器，可以測(cè)量水下機(jī)器人本體的橫傾和縱傾；電子羅盤，用來測(cè)定艏向角；壓力傳感器通過機(jī)器人所處位置的壓力與水面壓力差來確定其深度。水面?zhèn)鞲衅鹘M件主要部分是短基線定位聲納5個(gè)水聽器，此外，還包括了傾角傳感器、壓力傳感器和電子羅盤測(cè)量信號(hào)接收器等。信號(hào)接口箱的輸入口直接與水面?zhèn)鞲衅鹘M件相連，輸出口可以通過RS232／RS485總線與后臺(tái)便攜式計(jì)算機(jī)相連，通過軟件處理進(jìn)行水下準(zhǔn)確定位，并可通過GPS信號(hào)輸入，實(shí)現(xiàn)水下導(dǎo)航、航線跟蹤等功能，工作流程以及硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該水下定位系統(tǒng)工作深度750 m，典型水平跟蹤距離500 m，典型垂直距離150 m，距離精度：±2 m，方向精度：±3°，工作波束寬度：180°，位置上傳速率：0.5 s～10 s。

圖1 超短基線定位系統(tǒng)組件

圖2 ROV水下定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

三、超短基線水下聲學(xué)定位原理

利用電磁波和光波可以觀察遙遠(yuǎn)的星球，但不能利用電磁波和光波遙測(cè)幾十米深的海底，因?yàn)楹Ｋ畬?duì)電磁波和光波有很強(qiáng)的吸收作用。目前，對(duì)水中物體進(jìn)行探測(cè)和定位的有效手段是聲波。聲學(xué)定位系統(tǒng)開發(fā)于19世紀(jì)60年代，主要用于支持水下調(diào)查研究。此后，這類系統(tǒng)便在為拖體，ROV等水下目標(biāo)的定位中成為了重要角色。

在聲學(xué)定位系統(tǒng)中，按照接收基陣的尺度或應(yīng)答器基陣的基線長度來分類，水聲定位技術(shù)可以分為三種：長基線定位 （LBL），短基線定位 （SBL）和超短基線定位 （USBL），有些現(xiàn)代的定位系統(tǒng)能組合使用以上技術(shù)。

長基線水聲定位系統(tǒng)的基陣長度在幾公里到幾十公里，長基線定位能在寬廣的區(qū)域內(nèi)提供高精度的位置，它需要至少3個(gè)應(yīng)答器組成的陣列部署在海底上的已知點(diǎn)上，水面上的目標(biāo)位置只安裝一個(gè)換能器。利用目標(biāo)發(fā)出的信號(hào)到達(dá)接收陣各個(gè)基元的的斜距，從而計(jì)算出目標(biāo)的坐標(biāo)位置。短基線水聲定位系統(tǒng)需要在水面需要定位的目標(biāo)單元上安裝至少3個(gè)換能器陣，基陣長度一般在幾米到幾十米的量程，換能器之間的位置關(guān)系為已知。利用目標(biāo)發(fā)出的信號(hào)到達(dá)接收陣各個(gè)基元的時(shí)間差，從而計(jì)算出目標(biāo)的位置。超短基線水聲定位系統(tǒng)的基陣長度一般在幾個(gè)厘米到幾十厘米的量級(jí)，它是各個(gè)基元接收信號(hào)間的相位差來解算目標(biāo)的方位和距離。

這三種不同方式的聲學(xué)定位系統(tǒng)中，長基線定位 （LBL）定位精度最高，但是水底布設(shè)高精度定位已知點(diǎn)的施工難度大且費(fèi)用較高，一般使用在石油平臺(tái)監(jiān)測(cè)、水下考古打撈等需要高精度定位的工程。短基線定位 （SBL）需要對(duì)船體進(jìn)行改造，才能放置換能器基陣，對(duì)船只的要求使短基線的應(yīng)用受一定的限制。因此，超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng) （SSBL）的優(yōu)勢(shì)是很明顯的：只需要在船舶上安裝一個(gè)換能器及其電子單元，就可以提供高精度的聲學(xué)定位。

應(yīng)用由三個(gè)水聽器組成的最簡單的超短基陣進(jìn)行ROV動(dòng)力定位的原理如圖3所示。其中，一只信標(biāo)安裝在ROV載體上，由水聲接收基陣發(fā)射聲詢問信號(hào)，信標(biāo)接收到詢問信號(hào)經(jīng)過一個(gè)固定的時(shí)間延時(shí)返回應(yīng)答信號(hào)，通過測(cè)量聲波在水中的傳播時(shí)間可以計(jì)算出ROV和母船間的斜距，同時(shí)測(cè)量接收器基陣各個(gè)接收換能器間的相位差，便可以計(jì)算出水下機(jī)器人相對(duì)于母船的位置坐標(biāo)。

圖3 超短基線水下定位原理圖

采用直角三角形基陣，陣元間距為d，x軸指向母船船首方向，三個(gè)基元的坐標(biāo)為： （d，0， 0）、（0， 0， 0）、（0， d， 0） ;目標(biāo)坐標(biāo)為：T（x，y，z）。以2號(hào)基元為基準(zhǔn)，可以得到其他兩個(gè)基元和的相位差：

坐標(biāo)原點(diǎn)和目標(biāo)之間的斜距r為：

注意到r≥d，用泰勒技術(shù)展開，取近似得：

式 （6，7）中，φ12、φ22分別為兩個(gè)水聽器接收到的的信號(hào)與參考基元間的相位差，這是可以測(cè)得的，λ為水中聲波波長。Z坐標(biāo)可以由深度傳感器測(cè)量得到，為此，利用上式即可求出 ROV 水下位置 （x， y， z）。

如果系統(tǒng)選配了GPS定位系統(tǒng)，對(duì)ROV還可以預(yù)設(shè)運(yùn)動(dòng)路線，實(shí)現(xiàn)無人自動(dòng)例行檢測(cè)等功能。

四、超短基線水聲定位系統(tǒng)誤差分析

水下定位的主要誤差來源，包括超短基線基陣測(cè)距誤差、超短基線基陣陣元相位差引起的誤差、聲傳播引起的誤差、聲學(xué)噪聲引起的誤差、水下工作環(huán)境引起的誤差、載體運(yùn)動(dòng)速度變化引起的誤差等。

測(cè)距誤差主要是由測(cè)時(shí)誤差引起的，而測(cè)時(shí)誤差又與信噪比和聲速息息相關(guān)。聲波在水下傳播過程中，聲速、聲線彎曲、水面反射等都會(huì)影響測(cè)時(shí)準(zhǔn)確度，而聲波的擴(kuò)散、吸收和環(huán)境中的噪聲會(huì)影響信噪比大小，因此測(cè)距誤差主要是由水聲學(xué)因素引起的，水下定位時(shí)的工作條件和工作方法直接影響定位精度。

超短基線定位系統(tǒng)的定位精度是由被測(cè)載體到各個(gè)應(yīng)答器的距離r和應(yīng)答器陣的幾何精度兩個(gè)方面的因素決定的。目標(biāo)到達(dá)基陣的斜距r是水中聲速c和詢問—應(yīng)答的時(shí)間t的函數(shù)。而聲速c與基陣所在區(qū)域的海水的深度、鹽度、溫度等有關(guān)，所以用聲波在水中傳播的平均速度來計(jì)算距離，將導(dǎo)致較大的誤差。為了準(zhǔn)確測(cè)出距離，必須根據(jù)工作區(qū)域的聲速剖面，計(jì)算聲線軌跡，得出載體和各個(gè)應(yīng)答器之間的幾何斜距與相位差準(zhǔn)確的關(guān)系式。

五、小結(jié)

隨著無人機(jī)、無人戰(zhàn)車、機(jī)器士兵逐漸在戰(zhàn)場(chǎng)上顯示越來越大的威力，無人化戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展已經(jīng)呈現(xiàn)出相對(duì)清晰的藍(lán)圖。同樣，在水中消防作業(yè)、救撈工程等作業(yè)過程中，無人化水下作業(yè)也應(yīng)該成為一種潮流。目前防救部隊(duì)配置的Ocean Modules V8 Sii型水下機(jī)器人已在各類水下作業(yè)過程中發(fā)揮出重要的作用，可以預(yù)見，不久的將來必將有更多的水下機(jī)器人發(fā)揮越來越重要的作用?！?/p>