HiPAP 100 水下定位系統(tǒng)及應(yīng)用

肖昌榮 蔣青吉 李鵬

【摘要】本文概述了HiPAP100水下定位系統(tǒng)的組成及其工作原理，并分別就其超短基線和長(zhǎng)基線兩項(xiàng)功能介紹了其在海洋調(diào)查中的廣泛應(yīng)用，說(shuō)明其在相關(guān)海洋調(diào)查中的重要性。

【關(guān)鍵詞】HiPAP；超短基線；長(zhǎng)基線

1.引言

近年來(lái)人類的探索、開(kāi)發(fā)逐漸向深海發(fā)展，深海中蘊(yùn)藏著豐富的自然資源，包括石油天然氣、鈷結(jié)核、熱液硫化物以及天然氣水合物等資源，要準(zhǔn)確找到這些海底寶藏，就需要對(duì)水下勘探設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)的定位，水下定位系統(tǒng)的加入讓我們可以精確地定位資源富集區(qū)。

HiPAP100水下定位系統(tǒng)由廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局于2010年從挪威Kongsberg公司引進(jìn)，其固定安裝于“海洋六號(hào)”船上，是一種基于聲音在水中傳播原理的定位參考系統(tǒng)。引進(jìn)至今，該系統(tǒng)已服務(wù)于多種水下設(shè)備，例如ROV水下機(jī)器人、海底攝像、磁力深拖、聲學(xué)深拖等，為我國(guó)南海調(diào)查以及大洋調(diào)查中的水下設(shè)備提供了高精度定位，特別是在大洋29航次海底攝像作業(yè)中，HiPAP 100為水下5500米深、距母船近8000米的攝像拖體提供了較穩(wěn)定的高精度定位。

“海洋六號(hào)”船上的HiPAP 100水下定位系統(tǒng)在我國(guó)是唯一的，因此對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)是陌生的。本文主要介紹HiPAP100水下定位系統(tǒng)的組成、工作原理和功能。

2.HiPAP家族

HiPAP是“高精度水聲學(xué)定位”的簡(jiǎn)稱，是一種基于聲音在水中傳播原理的定位參考系統(tǒng)。HiPAP系統(tǒng)的主要功能是船舶與應(yīng)答器的相對(duì)定位。該系統(tǒng)同樣可以用于監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)值，如溫度、壓力（水深）、傾斜和航向等。HiPAP系統(tǒng)也可以遙測(cè)控制水下系統(tǒng)，比如水聲控制系統(tǒng)和水聲接口記錄器。

首先了解下HiPAP家族，其共有五種類型：HiPAP100、350、350P、450和500，它們擁有共同的軟件和硬件平臺(tái)，因而可以提供相同的額外功能和選項(xiàng)。

HiPAP100使用球型換能器，含31個(gè)換能器元件，覆蓋范圍為±60°，是一種低頻系統(tǒng)，其工作頻率是10-15.5kHz，適用于深水區(qū)域，其作用范圍為1-10000m，其余四種系統(tǒng)則都是中頻系統(tǒng)，工作頻率為21-31kHz；[1]

HiPAP350和350P都使用半球型換能器，含46個(gè)換能器元件，覆蓋范圍為±60°，作用范圍為1-3000m，其中HiPAP350是固定的船上系統(tǒng)，而HiPAP350P是一種便攜式系統(tǒng)；

HiPAP450使用球型換能器，為固定的船上系統(tǒng)，它具有與HiPAP350系統(tǒng)一樣的操作和技術(shù)性能，同時(shí)有著與HiPAP500一樣的換能器元件，雖然只有46個(gè)元件，覆蓋范圍為±60°，作用范圍為1-3000m，另外它可以升級(jí)為與HiPAP500一樣的性能；

HiPAP500使用球型換能器，含241個(gè)換能器元件，覆蓋范圍為±100°，作用范圍為1-4000m，為固定的船上系統(tǒng)。[2]

由于HiPAP100適用于深水區(qū)域，所以HiPAP100系統(tǒng)能更充分地滿足作業(yè)的要求。

3.HiPAP100系統(tǒng)組成及定位原理

3.1 HiPAP100系統(tǒng)組成

HiPAP 100是挪威Kongsberg公司生產(chǎn)的綜合長(zhǎng)基線和超短基線功能的水下定位系統(tǒng)，為水下移動(dòng)目標(biāo)（ROV、AUV、拖拽體等）定位，亦可利用固定應(yīng)答器為船舶定位，還可用作動(dòng)力定位系統(tǒng)的第二參考系。

HiPAP 100分為兩部分：水面部分和水下部分，如圖1所示。水面部分包括：操作站、收發(fā)機(jī)、帶換能器的升降裝置、升降控制單元、遙控單元；水下部分包括：應(yīng)答器、響應(yīng)器和應(yīng)答器陣，應(yīng)答器由船舶發(fā)射的聲音脈沖信號(hào)觸發(fā)，且在正常時(shí)回應(yīng)1、2或者3個(gè)應(yīng)答脈沖，響應(yīng)器通過(guò)電纜由電脈沖信號(hào)觸發(fā)，應(yīng)答器陣由海底下的一組應(yīng)答器組成，用于長(zhǎng)基線定位。

此套系統(tǒng)可以為中、深水海域（3000-6500米）進(jìn)行的海底攝像、海底電視抓斗、ROV系統(tǒng)、各種拖曳系統(tǒng)和地質(zhì)取樣等海洋調(diào)查手段提供高精度定位。長(zhǎng)基線標(biāo)稱定位精度能達(dá)到亞米級(jí)；超短基線標(biāo)稱定位精度能達(dá)到斜距的0.2%。

HiPAP 100水下定位系統(tǒng)是一種低頻水下聲學(xué)定位系統(tǒng)，其超短基線定位部分的工作頻率：13-15.75kHz（接收）；10-12.5kHz（發(fā)射）；12.125-12.875kHz（通訊），最大的測(cè)距長(zhǎng)度為10000米，測(cè)量精度為測(cè)距長(zhǎng)度的1.8‰，角度精度為0.1°。[3]

3.2 HiPAP100定位原理

（1）HiPAP100的斜距測(cè)量原理

當(dāng)HiPAP系統(tǒng)測(cè)量斜距時(shí)，它先向水下發(fā)送一個(gè)聲波信號(hào)（詢問(wèn)信號(hào)），并啟動(dòng)“秒表”，當(dāng)應(yīng)答器接收到詢問(wèn)（事實(shí)上是不同頻率的兩個(gè)脈沖）后，它將以自己的發(fā)射頻率作出回應(yīng)?；貞?yīng)有點(diǎn)點(diǎn)延遲，即應(yīng)答器的反應(yīng)時(shí)間。當(dāng)應(yīng)答器的回應(yīng)到達(dá)船舶的換能器，HiPAP系統(tǒng)將停止“秒表”。根據(jù)下面的公式，就能計(jì)算出斜距。

SR=[（t-TAD）/2]VoS{m}

其中：SR=斜距，t=秒表中時(shí)間，TAD=返回延遲，VoS=聲速。

（2）HiPAP100超短基線系統(tǒng)定位原理

HiPAP100超短基線的聲學(xué)單元有31個(gè)，集中安裝在一個(gè)收發(fā)器中，組成聲基陣，聲單元之間的位置精確測(cè)定，組成聲基陣坐標(biāo)系，聲基陣坐標(biāo)系與船坐標(biāo)系的關(guān)系在安裝時(shí)精確測(cè)定，包括位置（X、Y、Z偏差）與姿態(tài)（橫搖、縱傾、水平旋轉(zhuǎn)）。[4]

系統(tǒng)通過(guò)測(cè)定聲單元的相位差來(lái)確定換能器到目標(biāo)的方位（垂直和水平角度），通過(guò)測(cè)定聲波傳播的時(shí)間，再用聲速剖面修正波束線來(lái)確定距離。

對(duì)于一個(gè)以上的SSBL應(yīng)答器，一次只能向其中一個(gè)詢問(wèn)。所有的應(yīng)答器都有相同的TAD（時(shí)間延遲），但有各自的詢問(wèn)頻率，全系統(tǒng)的應(yīng)答器依次工作。測(cè)量時(shí)，船載系統(tǒng)（HiPAP 100水面部分）以寬波束尋找應(yīng)答器，成功后即以窄波束聚焦定位。如圖2所示。

（3）HiPAP100長(zhǎng)基線系統(tǒng)定位原理

當(dāng)詢問(wèn)長(zhǎng)基線系統(tǒng)陣列時(shí)，我們使用同一個(gè)脈沖，每個(gè)應(yīng)答器都有自己特殊的響應(yīng)信號(hào)和時(shí)間延遲（TAD），也就是說(shuō)換能器不會(huì)同時(shí)接收到應(yīng)答器發(fā)出的信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)以平行的方式工作。海底應(yīng)答器之間的距離，即基線范圍很大，一般在50～2000m范圍內(nèi)。在開(kāi)始長(zhǎng)基線定位前，需先校準(zhǔn)基線。

HiPAP系統(tǒng)的測(cè)量范圍是自船上的發(fā)射器到海底的應(yīng)答器。HiPAP知道應(yīng)答器的位置。每個(gè)范圍測(cè)量顯示發(fā)射器位于以應(yīng)答器為中心范圍允許內(nèi)的半徑的球面上。若要測(cè)量一個(gè)以上的范圍，發(fā)射器的位置必須在球面間的交叉點(diǎn)上。

通常已知換能器的深度。在這種情況下，每個(gè)范圍測(cè)量均顯示發(fā)射器位于應(yīng)答器周圍球面與發(fā)射器水平面交叉橫截面所形成的圓圈內(nèi)。圖解見(jiàn)圖3。圓圈畫(huà)在應(yīng)答器深度平面與3個(gè)球面的交集處。通常每個(gè)測(cè)量中都會(huì)有噪音?？梢?jiàn)沒(méi)有讓3個(gè)圓交于一點(diǎn)，每個(gè)圓都有3個(gè)交集?？梢约俣ㄎ恢迷?個(gè)橫截面的交集三角中。

在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，方向和范圍都會(huì)用于計(jì)算中。在淺水區(qū)，若用精確的HiPAP發(fā)射器，則方向測(cè)量可給出更精確的范圍。

通常測(cè)量的比必須的范圍多，彼此相近交叉電的數(shù)量會(huì)增加。位置的最佳推斷仍然在這些交差點(diǎn)之間的空間的某處。

程序使用加權(quán)最小平方誤差的運(yùn)算法則來(lái)確定位置，該運(yùn)算法則為反復(fù)式，誤差是所測(cè)量的范圍同相應(yīng)的以船舶位置為基礎(chǔ)用畢達(dá)哥拉斯定律計(jì)算出來(lái)的范圍間的差值。[6]

LBL定位更難操作，因?yàn)樗萐SBL需要更多的應(yīng)答器，但在更深的區(qū)域可給出更精確的數(shù)值。

4.HiPAP100系統(tǒng)的特點(diǎn)

水是一種傳播聲音的復(fù)雜介質(zhì)，有很多不同的物理因素影響聲音信號(hào)的傳播。HiPAP100系統(tǒng)利用各種方式減少外界因素對(duì)的水聲傳播的影響。

（1）噪聲是影響水聲信號(hào)的一個(gè)因素。噪聲源于船舶自身（設(shè)備，電機(jī)，推進(jìn)器等），也可能來(lái)自附近的設(shè)備裝置，船舶，ROV，地震活動(dòng)，還可能來(lái)自波浪。另外，船在水中運(yùn)動(dòng)形成氣泡，換能器無(wú)法在被空氣阻隔的條件下發(fā)送、接收聲音信號(hào)。

HiPAP依靠升降系統(tǒng)降低換能器深度，使換能器遠(yuǎn)離船只產(chǎn)生的氣泡和其他噪聲源。

（2）水面、海底和水下結(jié)構(gòu)會(huì)反射聲波，對(duì)正常的水聲信號(hào)加以影響使其失真。因此在設(shè)計(jì)HiPAP系統(tǒng)時(shí)，已通過(guò)軟硬件信號(hào)檢測(cè)、濾波技術(shù)來(lái)消除這種影響。

（3）從海面到海底，不同溫度、鹽度的水體分為很多層，每層的聲波傳播速度都不同，故稱這些水層為聲速層。當(dāng)聲波穿過(guò)不同聲速層，就產(chǎn)生了折射。從水面至水底，聲速增大時(shí)，聲波射線向上彎曲，反之聲波射線向下彎曲。 垂直射線沒(méi)有彎曲。

把聲速剖面輸送到HiPAP系統(tǒng)，用來(lái)計(jì)算聲波射線彎曲的偏角，補(bǔ)償聲波射線彎曲造成的影響，得到更準(zhǔn)確的定位計(jì)算。

（4）由于HiPAP100系統(tǒng)換能器的覆蓋范圍為±60°，應(yīng)答器的覆蓋范圍為±30°，在作業(yè)準(zhǔn)備過(guò)程中需要根據(jù)作業(yè)深度調(diào)整應(yīng)答器在水下設(shè)備上的安裝角度，以達(dá)到最佳的效果。

5.HiPAP100的應(yīng)用與展望

隨著海洋的探索與開(kāi)發(fā)往深海發(fā)展，水下的精準(zhǔn)定位越來(lái)越重要，HiPAP100水下定位系統(tǒng)在海洋調(diào)查中的作用越來(lái)越明顯。自引進(jìn)以來(lái)，“海洋六號(hào)”上的HiPAP100系統(tǒng)主要是使用其超短基線功能，主要運(yùn)用于ROV水下機(jī)器人、海底攝像、磁力深拖、聲學(xué)深拖等水下設(shè)備的精確定位。

相對(duì)于廣海局現(xiàn)有的其他兩套水下定位系統(tǒng)而言，HiPAP100系統(tǒng)具有明顯的作業(yè)深度和作業(yè)范圍的優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中，它的不足也日益明顯，例如長(zhǎng)時(shí)間水下定位工作面臨的應(yīng)答器電池使用時(shí)間問(wèn)題，還有長(zhǎng)基線功能僅適用于母船，不能為水下設(shè)備做精準(zhǔn)定位，這就意味著長(zhǎng)基線功能只能作為動(dòng)力定位的第二參考系，其應(yīng)用價(jià)值就不如為水下設(shè)備定位了。針對(duì)HiPAP100系統(tǒng)應(yīng)用中出現(xiàn)的應(yīng)答器電池問(wèn)題，提出了應(yīng)答器電源改造的方案，改造正在進(jìn)行中，相信改造后可以滿足水下設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間工作的需求。

至于長(zhǎng)基線功能，寄希望于日后可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水下設(shè)備進(jìn)行定位的功能，今年“潛龍一號(hào)”AUV的水下定位使用的就是長(zhǎng)基線功能，雖然它需要前期長(zhǎng)時(shí)間的準(zhǔn)備工作，例如布陣、校準(zhǔn)基線等，但是其定位精度更高，在特定定位區(qū)域內(nèi)可以提供高精度的定位數(shù)據(jù)，對(duì)于精準(zhǔn)定位海底資源的位置來(lái)說(shuō)是意義重大的。

參考文獻(xiàn)

[1]Kongsberg Maritime AS公司.HiPAP system instruction manual，2007，3.

[2]Kongsberg Maritime AS公司.HiPAP Family，2007.

[3]蔣青吉.HiPAP 100 水下定位系統(tǒng)在海底攝像中的應(yīng)用，2013.

[4]Kongsberg Maritime AS公司.HiPAP system instruction manual，2007.

[5]Kongsberg Maritime AS公司.HiPAP system instruction manual，2007.

[6]Kongsberg Maritime AS公司.APOS_LBL_and_MULBL_Course，2010.

作者簡(jiǎn)介：肖昌榮（1985—），男，助理工程師 ，研究方向：導(dǎo)航系統(tǒng)。