USBL水下定位系統(tǒng)拖體定位應(yīng)用探討

曾凡祥,胡家賦,宋來勇,易 鋒

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760)

0 引 言

近年來,隨著海洋測繪、海洋科學(xué)研究和海洋勘探開發(fā)活動對數(shù)據(jù)的精度要求越來越高,水下工作拖體(磁力拖魚、聲納拖魚、水下機(jī)器人等)的精確定位至關(guān)重要。水下拖體的定位方式一般有Layback方式[1]與超短基線定位。在淺水區(qū)域，通常采用前一種方式進(jìn)行水下目標(biāo)體的定位。但對于深水區(qū)聲納等物探調(diào)查，Layback方式[1]確定的拖魚位置精度過低，無法滿足海洋工程的需要，而需要采用超短基線定位系統(tǒng)來獲取高精度水下的目標(biāo)位置。

相對于國外對水下定位系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，我國僅處于起步階段，目前國內(nèi)對USBL 水下定位系統(tǒng)的使用主要集中在少數(shù)幾家單位，且大多僅用于水下機(jī)器人(ROV)、深拖等姿態(tài)穩(wěn)定的調(diào)查項目，尚未用于深水磁力調(diào)查、聲納調(diào)查。本文成功將USBL水下定位系統(tǒng)用于深水磁力調(diào)查，獲取了磁力拖魚的精確位置，工程實例表明：將USBL水下定位系統(tǒng)用于磁力等拖體的定位，能滿足高精度海洋調(diào)查的需要。

1 USBL原理

USBL依據(jù)從目標(biāo)到達(dá)各水聽器的聲波相位差來計算目標(biāo)的俯仰角和方位角;通過測量聲波的傳播時間來計算目標(biāo)的斜距,從而確定目標(biāo)的位置[2]。以四個水聽器組成的基陣為例,定位原理如圖1所示。

圖1 定位幾何圖

設(shè)目標(biāo)位于S處,在"北東地"直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(x,y,z),目標(biāo)徑矢為OS,R為目標(biāo)到基陣中心的距離,S′為S在xoy平面上的投影,它與x軸的夾角θ為目標(biāo)水平方位角。α為徑矢OS與x軸夾角,β為徑矢OS與y軸夾角。記2 號水聽器和1 號水聽器所接收聲波的相位差為φ21,4 號水聽器和3 號水聽器所接收聲波的相位差為φ43,當(dāng)目標(biāo)位置滿足遠(yuǎn)場條件,在平面波模型下,根據(jù)空間幾何關(guān)系不難得出:

φ21=kdcosα,

(1a)

φ43=kdcosβ,

(1b)

式中:k為波數(shù)；d為基線長度(d≤R)。同時得到:

θ=arctan(y/x)=arctan(cosβ/cosα)

=arctan(φ21/φ34),

(2)

(3)

式中:θ為目標(biāo)方位角;r為目標(biāo)水平斜距。

式(1)～(3)為超短基線定位計算的基本公式,α、β和R為測量值,測得α和β值即可按上述諸式計算目標(biāo)的位置參數(shù)。

(4a)

(4b)

因此,超短基線實際的測量值為φ21、φ43和R.R可通過回波測距測得,具有很高的精度,暫不考慮其測量誤差對定位的影響。x和y的測量精度則主要取決于φ21和φ43的測量精度。而陣元間相位差常用自適應(yīng)相位計來測量,有較高的精度[3]。

2 USBL組成

USBL系統(tǒng)由水下定位部分和水上定位組成，如圖2所示，水上定位由GPS完成。而水下定位系統(tǒng)又包括聲學(xué)定位系統(tǒng)和姿態(tài)傳感系統(tǒng)。水下聲學(xué)系統(tǒng)由發(fā)射接收單元、聲學(xué)應(yīng)答器(簡稱信標(biāo))組成。

超短基線定位聲學(xué)系統(tǒng)可分為水下聲學(xué)測量設(shè)備和水上數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備兩大部分組成，其中水下聲學(xué)測量設(shè)備由安裝在船體的聲學(xué)換能器(發(fā)射/接收單元)和安裝在水下移動載體的信標(biāo)組成。信標(biāo)是放置在海底或載體上的發(fā)射接收器，只有在收到詢問信號時才回答，通常每一應(yīng)答器對應(yīng)一種頻率，以加以區(qū)分不同的信標(biāo)信號。

圖2 USBL系統(tǒng)示意

水上數(shù)據(jù)采集與處理部分一般為集成于一體的主機(jī)，含控制單元與電腦主機(jī)。用于各種外接設(shè)備的連接與數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)輸入/輸出控制，同時控制聲學(xué)信號的發(fā)射、所接收信號的處理和各設(shè)備位置的計算等。

3 USBL應(yīng)用實例

在某井場預(yù)作業(yè)區(qū)域(水深約為690 m)，需確定作業(yè)區(qū)域內(nèi)海底光纜的走向及位置。在工區(qū)水深且海底水流狀況不明的情況下，磁力調(diào)查的作業(yè)鋼纜過長，無法根據(jù)常規(guī)方式計算出磁力拖體的精確定位，進(jìn)而進(jìn)一步計算出光纜的位置及走向。為獲取準(zhǔn)確的光纜位置，決定使用Ranger Pro USBL超短基線水下定位系統(tǒng)(精度為斜距的0.2%)對磁力拖魚進(jìn)行定位。

3.1 姿態(tài)傳感器校準(zhǔn)

對于超短基線水下定位系統(tǒng)而言，縱傾、橫搖、艏向和探頭的位置信息至關(guān)重要，它們直接決定著目標(biāo)定位的精度。為取得精確的傳感器改正參數(shù)，必須進(jìn)行校準(zhǔn)試驗[4-5]。

Ranger Pro USBL的校準(zhǔn)需具備以下幾個條件：

1)將DPT(校準(zhǔn)信標(biāo))固定于海底；

2)擁有準(zhǔn)確的聲速剖面數(shù)據(jù)；

3)GPS接收機(jī)、光纖羅經(jīng)等外部傳感器正常工作；

4)船舶沿既定測線航行并時刻始終保持較小的偏航距。

選擇了水深約為300 m，地勢平坦的區(qū)域進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)步驟如下：

1)檢查DPT信標(biāo)。為確保DPT信標(biāo)投放/回收的成功率，下水前仔細(xì)檢查DPT聲學(xué)釋放器、通訊情況、電池電量，確保釋放鉤已合上、信標(biāo)已打開；

2)投放DPT信標(biāo)。用一條1.5 m左右的鋼纜將信標(biāo)和水泥重塊相連，再用吊機(jī)將信標(biāo)和重物放入水中；

3)設(shè)計測線。當(dāng)DPT信標(biāo)到達(dá)海底后，從水下定位系統(tǒng)中記錄下具體位置。再以信標(biāo)為中心點，設(shè)計6根長約500 m的測線；

4)記錄校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。指揮船只按設(shè)計測線航行，測線在線上時啟動水下定位系統(tǒng)的校準(zhǔn)記錄程序，將所有的外設(shè)及定位數(shù)據(jù)記錄至系統(tǒng)中；

5)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理。利用Ranger Pro自帶的處理軟件進(jìn)行校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的處理，如處理過之后的數(shù)據(jù)的定位誤差太大，則需重新實施部分或全部測線的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)精度高則可直接將校準(zhǔn)結(jié)果輸入至水下定位系統(tǒng)中，作為正式作業(yè)的補(bǔ)償參數(shù)。

6)DPT信標(biāo)回收。在USBL控制單元中發(fā)出釋放指令，指令發(fā)出后時刻關(guān)注DPT信標(biāo)的位置及水深，并根據(jù)信標(biāo)出水前的距離和方位數(shù)據(jù)進(jìn)行信標(biāo)的回收。

處理后的校準(zhǔn)結(jié)果離散圖如圖3所示。

圖3 校準(zhǔn)結(jié)果3D離散圖

校準(zhǔn)結(jié)果如表1和表2所示。

表1 信標(biāo)校準(zhǔn)結(jié)果

表2 姿態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果

校準(zhǔn)結(jié)果計算出來后，將其輸入至系統(tǒng)即可在今后調(diào)查中對相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行改正。

從表1和表2可以得出以下結(jié)論，在水深300 m的區(qū)域，進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)之后的DPT信標(biāo)東/北坐標(biāo)的中誤差均在1 m以內(nèi)，精度高，完全能滿足磁力拖魚定位的需要。

3.2 信標(biāo)的安裝

因磁力拖魚附近的磁場的變化會干擾所測得的磁場數(shù)據(jù)，影響調(diào)查資料的質(zhì)量及其可靠性，不能將水下定位信標(biāo)固定在拖魚附近，只能將信標(biāo)固定在遠(yuǎn)處。

磁力拖魚的前方為凱弗拉軟纜，長15 m，不能固定信標(biāo)。軟纜與鋼纜相連，加工卡環(huán)固定信標(biāo)，但在水深690 m的磁力調(diào)查中，所放的鋼纜可能有2 300 m，而水下定位信標(biāo)一端為高精密水聽器，不能碰撞。但作業(yè)情況復(fù)雜，鋼纜與磁力拖魚在水中的具體形狀也無法確定，為防拖魚觸底時信標(biāo)的安全，將信標(biāo)固定在距拖魚65 m的位置。

水下定位信標(biāo)為圓柱體，為避免傷害鋼纜，設(shè)計了信標(biāo)專用的不銹鋼夾板，夾板的一端為環(huán)狀，用于卡信標(biāo)，另一端可上螺絲、已預(yù)留凹槽的平面夾板，用于卡住鋼纜。為減小擠壓力，在平面夾板內(nèi)側(cè)安置薄銅片。

3.3 定位實施過程及結(jié)果分析

船到達(dá)指定位置、信標(biāo)下水，實時觀察USBL定位狀況。當(dāng)磁力拖魚到達(dá)預(yù)計高度后，在RANGER PRO水下定位系統(tǒng)與綜合導(dǎo)航系統(tǒng)中分別記錄相應(yīng)的GPS天線、水下定位信標(biāo)的位置。實際作業(yè)過程中，因鋼纜長、船速過快等原因，水下定位信標(biāo)常無應(yīng)答，當(dāng)船速減至3節(jié)左右時，水下定位信標(biāo)與換能器通訊正常，定位數(shù)據(jù)連續(xù)穩(wěn)定，極少數(shù)據(jù)跳點出現(xiàn)。

調(diào)查工作結(jié)束即可開始計算光纜的位置。傳統(tǒng)的水下拖拽式目標(biāo)定位方法中，常采用Layback方式，即根據(jù)GPS天線、絞車、船艘向、纜長的相互關(guān)系來計算拖魚的位置。

但磁力鋼纜的長度、海況的好壞、海水的流向流速均會影響傳統(tǒng)目標(biāo)定位的精度。而USBL能很好的解決這一難題。為便于比較Layback方式與USBL，截取少量調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行信標(biāo)位置的計算：

從表3中可看出，采用傳統(tǒng)方式計算的信標(biāo)位置與水下定位信標(biāo)的觀測值相差較大，最大達(dá)246 m；從圖4、圖5可以得出，當(dāng)船艏向與信標(biāo)-換 能器的方位角差值較大時，Layback計算出的點位誤差較大，從圖4可看出，該差值最大超過8°，如受海況差、水流急或船舶駕駛不熟練等的影響，方位角差值將更大，這意味著傳統(tǒng)方式計算的點位誤差會更大，無法滿足光纜調(diào)查等項目的精度要求。

表3 定位信標(biāo)結(jié)果比較

圖4 船艏向與信標(biāo)-換能器方位的差值

圖5 Layback計算值誤差

影響計算點位誤差的另一個重要因素為鋼纜長度誤差。在所有的磁力或聲納調(diào)查中，鋼纜的長度都是通過感應(yīng)器感應(yīng)滑輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)來計算長度的，但鋼纜的粗細(xì)、收/放鋼纜速度、海浪起伏等都能影響滑輪的受力狀況，從而導(dǎo)致計數(shù)器短時失靈，得到錯誤的鋼纜長度值，加大計算點位的誤差。

基于上述原因，在深水區(qū)域，傳統(tǒng)方式計算的磁力拖魚的位置精度低、不穩(wěn)定。而USBL系統(tǒng)只要校準(zhǔn)結(jié)果精度高，即可精確定位，進(jìn)而根據(jù)信標(biāo)與鋼纜的相對位置得出磁力拖體的準(zhǔn)確位置，實現(xiàn)海底障礙物、通訊光纜等的精確定位，為水下工程提供可靠的勘察資料。

4 結(jié)束語

本文在深水磁力調(diào)查中引入USBL進(jìn)行磁力拖魚的定位，通過分析水下定位系統(tǒng)實測值與傳統(tǒng)Layback方式的計算值、傳統(tǒng)方式的誤差因素與USBL的定位優(yōu)勢。實測結(jié)果表明:USBL水下定位系統(tǒng)應(yīng)用于深水拖體定位，能獲得可靠穩(wěn)定的高精度水下目標(biāo)位置，可滿足高精度水下作業(yè)工程的需要。

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