水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)在水下作業(yè)中的應(yīng)用

【摘要】水下導(dǎo)航定位技術(shù)是一種集成了導(dǎo)航測(cè)姿、水聲定位、GPS定位的綜合性技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于水下作業(yè)中，如引導(dǎo)潛水員進(jìn)行打撈、對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行精確定位等等。介紹了水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，以及在水下作業(yè)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】超短基線；水聲定位；導(dǎo)航測(cè)姿；水下作業(yè)

1.引言

由于深水區(qū)域往往能見(jiàn)度較低，且水下周圍一般沒(méi)有參照物，因此潛水員在進(jìn)行打撈、救助等水下作業(yè)活動(dòng)時(shí)，常常會(huì)無(wú)法準(zhǔn)確辨別自身所處位置，無(wú)法獲知與工作船、打撈目標(biāo)之間的相對(duì)位置關(guān)系，給水下作業(yè)帶來(lái)一定困難。為提高水下搜索作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)指揮員對(duì)潛水員的實(shí)時(shí)監(jiān)控，需要配備水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)，對(duì)潛水員的絕對(duì)位置進(jìn)行精確定位，并引導(dǎo)潛水員進(jìn)行水下作業(yè)。

2.水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組成

水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)一般主要由超短基線水聲定位系統(tǒng)（USBL）、導(dǎo)航測(cè)姿系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)以及潛水導(dǎo)航系統(tǒng)組成。如圖1所示。

圖1 水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)組成

2.1 超短基線水聲定位系統(tǒng)

超短基線水聲定位系統(tǒng)主要由超短基線聲基陣、聲信標(biāo)以及水聲定位處理計(jì)算機(jī)組成。超短基線聲基陣向水下發(fā)送詢問(wèn)信號(hào)，聲信標(biāo)接收到詢問(wèn)信號(hào)后，向超短基線聲基陣發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，水聲定位處理計(jì)算機(jī)根據(jù)超短基線各基元接收到的應(yīng)答信號(hào)的延時(shí)，來(lái)解算聲信標(biāo)的相對(duì)距離和方位，從而對(duì)聲信標(biāo)進(jìn)行定位[1]。聲信標(biāo)一般安裝在待定位設(shè)備上或者由潛水員隨身攜帶。

圖2 法國(guó)iXSea公司研制的GAPS

圖2是法國(guó)iXSea公司研制的GAPS（Global Acoustic Positioning System）超短基線水聲定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由超短基線水聲定位基陣、GPS定位系統(tǒng)以及Octans光纖羅經(jīng)。

GAPS系統(tǒng)的精度較高，且無(wú)需對(duì)導(dǎo)航測(cè)姿系統(tǒng)以及GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，但其造價(jià)昂貴，用于一般水下作業(yè)性價(jià)比較低。

圖3 Scout+超短基線水聲定位系統(tǒng)

圖3是英國(guó)Sonardyne公司研制的Scout+超短基線水聲定位系統(tǒng)，其基陣內(nèi)部帶有5個(gè)聲基陣基元，以及1個(gè)磁羅盤和1個(gè)MRU姿態(tài)傳感器，若對(duì)水下目標(biāo)定位的精度要求較高，則需要水聲定位處理計(jì)算機(jī)外接高精度導(dǎo)航測(cè)姿系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)，以替代超短基線聲基陣內(nèi)部的磁羅盤和MRU姿態(tài)傳感器。

2.2 導(dǎo)航測(cè)姿系統(tǒng)

由于水聲定位處理計(jì)算機(jī)在解算聲信標(biāo)的相對(duì)位置時(shí)，需要獲得超短基線聲基陣的姿態(tài)、艏向，因此一般聲基陣內(nèi)部集成有磁羅盤或者測(cè)姿傳感器，但測(cè)量精度較差，要想獲得對(duì)水下目標(biāo)（聲信標(biāo)）的高精度定位，則需要在超短基線基陣附近安裝精度較高的導(dǎo)航測(cè)姿系統(tǒng)，如光纖羅經(jīng)等替代聲基陣內(nèi)部集成的測(cè)姿傳感器，導(dǎo)航測(cè)姿系統(tǒng)將其測(cè)得的艏向角、橫滾角、俯仰角信息實(shí)時(shí)發(fā)送至水聲定位處理計(jì)算機(jī)，以便水聲定位處理計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)精確解算聲信標(biāo)的位置。

導(dǎo)航測(cè)姿設(shè)備安裝完畢后，應(yīng)對(duì)導(dǎo)航測(cè)姿設(shè)備與超短基線聲基陣的相對(duì)安裝偏差進(jìn)行校準(zhǔn)[2]，將導(dǎo)航測(cè)姿設(shè)備的固定安裝偏差輸入水聲定位處理計(jì)算機(jī)，以提高水聲定位的精度。圖4是法國(guó)iXSea公司研制的Octans光纖羅經(jīng)，具備GPS秒脈沖同步、脈沖觸發(fā)等功能，可用于精確測(cè)量艏向、橫滾和俯仰角度，為水聲定位處理計(jì)算機(jī)提供精確定位所需的聲基陣的姿態(tài)信息。

圖4 Octans光纖羅經(jīng)

2.3 GPS定位系統(tǒng)

水聲定位系統(tǒng)僅能解算出聲信標(biāo)與超短基線基陣的相對(duì)位置，為了準(zhǔn)確計(jì)算聲信標(biāo)的絕對(duì)位置坐標(biāo)，需要配備GPS定位系統(tǒng)，并將GPS天線安裝于超短基線基陣附近。

在GPS定位系統(tǒng)安裝完畢后，同樣需要對(duì)其安裝偏差進(jìn)行校準(zhǔn)[3]，將GPS天線的固定安裝偏差輸入水聲定位處理計(jì)算機(jī)，以提高計(jì)算聲信標(biāo)絕對(duì)位置的精度。

為獲得較高的定位精度，可配備RTK定位系統(tǒng)，即在岸邊設(shè)置GPS基準(zhǔn)站與發(fā)射電臺(tái)，在工作船上設(shè)置GPS移動(dòng)站與接收電臺(tái)，將移動(dòng)站的GPS天線安裝于水聲定位基陣附近，通過(guò)移動(dòng)電臺(tái)接收基準(zhǔn)站發(fā)送的差分修正信息，可精確解算出聲基陣的安裝位置[4]，其定位精度可達(dá)5cm+1ppm，有利于對(duì)水下目標(biāo)的精確定位。

RTK定位系統(tǒng)雖然精度較高，但由于需要在岸邊設(shè)置基準(zhǔn)站與電臺(tái)，受電臺(tái)的發(fā)射功率限制，只能在近岸20km以內(nèi)使用，在遠(yuǎn)海區(qū)域作業(yè)時(shí)，為了獲得高精度的GPS定位信息，可使用DGPS星際差分定位系統(tǒng)，不需要電臺(tái)，通過(guò)GPS處理機(jī)內(nèi)部的信標(biāo)板接收不同衛(wèi)星的定位信息進(jìn)行差分，也可獲得較高的定位精度[5]，其定位精度可達(dá)0.15m。但此種GPS信息獲取方法需要向運(yùn)營(yíng)商支付一定金額的服務(wù)費(fèi)，且有使用時(shí)間限制。

2.4 潛水導(dǎo)航系統(tǒng)

潛水導(dǎo)航系統(tǒng)主要用于潛水員在水下作業(yè)時(shí)對(duì)行進(jìn)方向、水下目標(biāo)的判別。常用的潛水導(dǎo)航設(shè)備主要有水下導(dǎo)航儀、水下指南針、水下電話以及手持聲納。

水下導(dǎo)航儀可接收來(lái)自水聲定位系統(tǒng)的信息，使得潛水員能在水下看清自己和船以及目標(biāo)的相對(duì)位置；水下指南針主要為潛水員水下作業(yè)提供方向判別；水下電話用于潛水員與工作船進(jìn)行聯(lián)系，對(duì)指揮員的方向控制進(jìn)行響應(yīng)；手持聲納一般用于潛水員對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行搜索時(shí)使用。手持聲納上配備簡(jiǎn)易導(dǎo)航系統(tǒng)，潛水員可根據(jù)指揮員的信息，向指定方向進(jìn)行探測(cè)。手持聲納如圖5所示。

圖5 手持聲納

3.水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 引導(dǎo)潛水員進(jìn)行水下作業(yè)

在潛水員進(jìn)行水下作業(yè)時(shí)，為了準(zhǔn)確獲得潛水員的工作位置，需配備水聲定位系統(tǒng)與聲信標(biāo)，超短基線水聲定位系統(tǒng)、潛水員供氣系統(tǒng)安裝在工作船上，潛水員身上除了潛水裝備外，還掛接一個(gè)聲信標(biāo)，對(duì)水聲定位基陣的詢問(wèn)信號(hào)進(jìn)行應(yīng)答，通過(guò)水聲定位處理計(jì)算機(jī)可實(shí)時(shí)解算聲信標(biāo)的位置，掌握潛水員的水下運(yùn)動(dòng)情況。如圖6、7、8所示。

圖6 正在潛水員背部掛接聲信標(biāo)

圖7 潛水員帶聲信標(biāo)入水

圖8 水聲定位處理計(jì)算機(jī)界面

3.2 水下目標(biāo)精確定位

由于混響、噪聲等因素的影響，使得超短基線水聲定位系統(tǒng)的單次定位精度較差，為了對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行精確定位，需要通過(guò)不同方位對(duì)固定的水下聲信標(biāo)進(jìn)行多次定位，而后通過(guò)求解長(zhǎng)基線定位方程的最小二乘解，可得到較精確的定位結(jié)果[6]。采取長(zhǎng)基線定位方法對(duì)水下目標(biāo)精確定位的情況，一般只適用于淺水區(qū)域、輕潛裝備，由于工作船需要在不同方向上移動(dòng)來(lái)獲取長(zhǎng)基線定位數(shù)據(jù)，所以潛水員水下呼吸不能依靠工作船上的供氣系統(tǒng)，主要是考慮潛水員與裝備的安全性，只能在潛水員自帶氧氣瓶并短時(shí)間在水下作業(yè)的情況下使用。

3.3 其他應(yīng)用

水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)除了應(yīng)用于潛水員水下打撈作業(yè)外，還可以用于水下監(jiān)測(cè)裝備的海上定點(diǎn)投放作業(yè)，將聲信標(biāo)（含釋放器）與待布放的水下裝備安裝在一起，從工作船布放入設(shè)定的海域，通過(guò)聲信標(biāo)可以確切掌握布放在海底的具體位置，還可以后續(xù)進(jìn)行水下目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的跟蹤，監(jiān)測(cè)水下裝備在某海域的活動(dòng)軌跡，一般工作于應(yīng)答方式的聲信標(biāo)可以在水下工作兩年。當(dāng)聲信標(biāo)的服役時(shí)間接近兩或水下裝備發(fā)生故障不能自動(dòng)上浮時(shí)，可以通過(guò)水聲定位系統(tǒng)引導(dǎo)潛水員（帶另一工作頻率不同的聲信標(biāo)）向水下設(shè)備靠近進(jìn)行定點(diǎn)打撈，若水下裝備不回收，可通過(guò)水聲定位基陣給聲信標(biāo)發(fā)送釋放信號(hào)，聲信標(biāo)自動(dòng)上浮以便回收重復(fù)使用。

4.結(jié)束語(yǔ)

水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)在水下作業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，不僅用于潛水員水下打撈、維修作業(yè)，還可用于水下裝備的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航、測(cè)量、記錄，對(duì)水下裝備定點(diǎn)投放的方法、誤差提供參考。但目前此類高精度水下導(dǎo)航定位設(shè)備主要還依賴于進(jìn)口，為了進(jìn)一步調(diào)高我國(guó)的海洋作業(yè)水平和效率，必須盡快開(kāi)展國(guó)產(chǎn)化技術(shù)攻關(guān)，在理論與實(shí)踐上進(jìn)行突破，為海洋作業(yè)乃至海防建設(shè)提供高效可靠的裝備。

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