6 000 m深海搜尋無人潛航器工作原理與試驗驗證

賀 轍，黃習剛，楊偉光

(交通運輸部南海救助局，廣州 510000)

0 引 言

2014年3月8日，馬航MH370客機失聯(lián)事件發(fā)生后，救撈系統(tǒng)積極參加了失聯(lián)客機海上搜尋工作。在充分展示專業(yè)救助和搶險打撈能力的同時，也暴露出與實際需要和國際一流水平存在較大差距，其中深海搜尋能力尤為明顯。失聯(lián)客機搜尋海域水深超過5 000 m，執(zhí)行水域搜尋任務(wù)需要6 000 m級專業(yè)搜尋定位打撈設(shè)備，彼時我國救助打撈裝備還未能實現(xiàn)深海水下遇險目標物的搜尋與探測。

隨著“一帶一路”倡議、海洋強國等國家戰(zhàn)略的推進實施，海上運輸通道已成為我國的海上生命線，海上交通安全和船舶溢油風險不斷加大，加之我國海洋開發(fā)活動不斷走向深海，東海、南海海洋權(quán)益爭端日益嚴峻，使深海交通安全形勢更加復雜，對提高深遠海應(yīng)急保障能力需求迫切，水下無人潛航器作為水下探測、目標識別的工具，在深遠海水下搜尋救助領(lǐng)域的應(yīng)用推廣勢在必行。2015年5月，經(jīng)交通運輸部規(guī)劃司以交規(guī)函〔2015〕397號批復，由南海救助局從冰島Gavia公司引進了一套SeaRaptor 6000深海搜尋無人潛航器。

水下無人潛航器(autonomous underwater vehicle，AUV)，其主要任務(wù)包括水下自主探測、目標識別等。目前，國外研制并應(yīng)用于深海的AUV主要有美國Hydroid公司的Bluefin-21、英國南安普頓國家海洋中心的Autosub 6000、加拿大ISE公司的EXPLORE、挪威Kongsberg公司的REMUS 6000和HUGIN 4500、法國ECA公司的A6K及冰島Gavia公司的SeaRaptor。國內(nèi)目前也逐漸加大了在深海AUV方面的研究和應(yīng)用的投入，例如沈陽自動化研究所研制的CR-02潛龍系列等。

1 AUV總體結(jié)構(gòu)

該套6 000 m深海搜尋無人潛航器，根據(jù)深海搜尋特點和需求，由Teledyne Gavia公司設(shè)計、制造而成，是我國目前唯一一套通過國外采購應(yīng)用于深遠海搜尋救助領(lǐng)域的自主式無人潛航器，其最大工作深度可達6 000 m，潛航器主體長5.5 m，直徑為0.63 m，重1.15 t，最大巡航航速為4 kn，最大續(xù)航力約為400 km。潛航器總體結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 AUV總體結(jié)構(gòu)

AUV按照功能的不同主要分為負載、控制、導航定位、推進和通信應(yīng)急五大模塊。其中負載模塊由聲學探測、光學探測和水文參數(shù)測量組成，主要集成了側(cè)掃聲吶、多波束測深儀、淺地層剖面儀、水下相機、黑匣子定位儀、溫鹽深傳感器、前視避碰聲吶等各類探測設(shè)備，用于對水下遇險目標探測、照相以及海底地形地貌測量；控制模塊是AUV的核心，包括甲板面控制單元及水下潛航體控制系統(tǒng)，負責AUV任務(wù)管理、測線規(guī)劃和水下自主航行；導航定位模塊包括超短基線定位、慣性導航、多普勒計程儀和衛(wèi)星定位系統(tǒng)，水下作業(yè)通過組合導航的方式為AUV提供實時精準位置信息；推進模塊包括電力系統(tǒng)和尾部推進系統(tǒng)，為AUV水下自主航行提供動力；應(yīng)急模塊是深水AUV的關(guān)鍵部分，包括用于與甲板面通信的水聲通信模塊、無線電通信和衛(wèi)星通信，用于保障設(shè)備作業(yè)安全的聲學釋放器、超短基線信標、應(yīng)急定位信標、無線電信標和頻閃燈等。

2 關(guān)鍵技術(shù)

深海搜尋AUV涉及關(guān)鍵的技術(shù)主要有導航、通信、任務(wù)監(jiān)測控制、測量和數(shù)據(jù)的分析處理等。

2.1 導 航

AUV水下作業(yè)導航采用的是光纖慣性導航(INS)和多普勒計程儀(DVL)的組合導航系統(tǒng)，外加超短基線(USBL)、GPS、前視避碰聲吶以及深度計輔助，導航精度可達到航程的0.1%DT(CEP50)，能保證AUV在水下長時間按照規(guī)劃的測線作業(yè)。

為解決慣性導航誤差隨時間漂移的問題，采用超短基線定位系統(tǒng)實時更新潛航器初始位置，并將位置提供給慣性導航系統(tǒng)。AUV在深水作業(yè)下潛過程中，由于DVL未能跟蹤到海底，潛航器只能依靠USBL提供的數(shù)據(jù)作為慣性導航系統(tǒng)計算的初始位置，從而消除時間上的誤差。而AUV在水下測線作業(yè)過程中，DVL能夠?qū)T性導航系統(tǒng)計算的速度進行修正，同時接收USBL提供的位置數(shù)據(jù)更新，進一步提高了AUV水下導航精度。但是如何保證USBL本身數(shù)據(jù)的精度是目前水下作業(yè)值得探討的一大熱點。

2.2 通 信

AUV通信系統(tǒng)不只是水下通信，而且是水聲通信、無線電通信、衛(wèi)星通信、光纖通信和以太網(wǎng)通信等的結(jié)合，主要用于潛航器與潛航器或者其他平臺的通信，實現(xiàn)信息的雙向傳輸。

作為關(guān)鍵技術(shù)之一，水聲通信成為目前AUV深海水下作業(yè)唯一可以與工作母船進行通信的方式。水聲通信傳輸速率低，通信距離可達幾百米至幾十公里，但是通信可靠性受到溫度、鹽度以及環(huán)境噪聲影響大，而且無法跨越水與空氣界面?zhèn)鞑?。目前水聲通信技術(shù)主要朝著水聲信道編碼技術(shù)、水聲擴頻技術(shù)等方向發(fā)展，不斷研究如何改善水聲通信的質(zhì)量。

2.3 監(jiān)測控制

AUV監(jiān)測控制系統(tǒng)包括甲板控制端和潛航器控制中心，該項技術(shù)包括潛航器任務(wù)測線規(guī)劃，水面操縱，水下作業(yè)過程實時監(jiān)測，作業(yè)后數(shù)據(jù)的下載分析，潛航器自主狀態(tài)檢查、自主避開障礙物以及自主航行，根據(jù)AUV水下作業(yè)狀況，自主完成故障以及應(yīng)急處理。

2.4 測 量

綜合利用水下相機、黑匣子定位儀、多波束和側(cè)掃聲吶進行水下探測,保證深海水下遇險目標物搜尋的高效性和準確性。未來隨著AUV模塊化技術(shù)的發(fā)展，可以根據(jù)現(xiàn)場任務(wù)需要，選擇搭載不同的測量傳感器。

其中，AUV搭載的EdgeTech2205型號雙頻同步側(cè)掃聲吶，頻率為230 kHz和850 kHz，跨徑分辨率低頻時優(yōu)于5cm； SeaBat T50-S型雙頻多波束，頻率為200 kHz和400 kHz，有512個波束，覆蓋寬度150°，分辨率為6mm； Benthos chirpⅢ淺剖儀頻帶范圍1.5～8 kHz，垂向分辨率大于15 cm；黑匣子定位儀以37.5 kHz為中心，覆蓋5 kHz頻段，可接收35～40 kHz范圍內(nèi)的信號；水下相機由一個位于潛航器中部的攝像頭和位于首尾的兩個LED閃光燈組成，水下閃光燈可提供高達15萬流明的輸出。

2.5 數(shù)據(jù)分析處理

通過水面控制中心集成軟件Controlcenter來實現(xiàn)對AUV水下采集的數(shù)據(jù)、圖像以及系統(tǒng)本身的記錄文件進行下載和分析。側(cè)掃聲吶、多波束和淺地層剖面所采集的圖像數(shù)據(jù)在Controlcenter軟件中分別以jsf、 s7k、 sgy格式記錄，可通過Caris、 SonarWiz等后處理軟件進行圖像展示和精細化處理。

3 海上試驗

海上試驗分淺水和深水兩階段進行?？紤]到海洋環(huán)境的復雜性，試驗目標物的投放不可控，淺水試驗區(qū)域水深為170 m左右，主要完成對導航精度及AUV所搭載的多波束、側(cè)掃聲吶、水下相機、黑匣子定位等探測傳感器的目標辨識能力測試?？紤]到南海海域水深限制，深水試驗區(qū)域水深為3 500 m左右，主要對深水條件下潛航器操縱性能、系統(tǒng)運行可靠性與穩(wěn)定性以及導航性能等進行檢測。

3.1 試驗方法

3.1.1 導航精度測試

在水深為170 m的試驗區(qū)域，為確保整個組合導航精度測試過程DVL可有效地跟蹤，潛航器導航系統(tǒng)經(jīng)衛(wèi)星定位裝置有源校準后，記錄初始位置。設(shè)置一條長約5 km的測線，設(shè)置潛航器以3 kn的速度定高50 m沿測線直線航行。航行到達預定目標點后上浮至水面，記錄浮出水面位置的慣性導航單元數(shù)據(jù)與同時刻的差分GPS定位數(shù)據(jù)，分別計算慣導獲取的航行距離與GPS獲得的航行距離，計算導航精度。

3.1.2 目標物識別能力測試

(1) 目標物布放。

首先通過單波束測深儀或?qū)φ账馁Y料對試驗海域進行深度及海底地形確認，并在選定的區(qū)域內(nèi)投放目標物，記錄目標物落水時的位置，作為后續(xù)測試過程中潛航器路徑規(guī)劃的位置參考。試驗中主要采取兩種目標物對潛航器發(fā)現(xiàn)目標的能力進行檢測，一種是邊長為100 cm的水泥立方體，另一種是能夠持續(xù)發(fā)射黑匣子信號的發(fā)射器。

在試驗中，為了增加目標的辨識性，將水泥目標物與廢棄輪胎捆綁在一塊，同時用長度2 m的纜繩將黑匣子信號發(fā)射器與水泥塊連接，如圖2所示，水泥塊將發(fā)射器帶入海底，同時為了增加水下相機的辨識度，在水泥塊各個面涂上標志油漆帶。

圖2 試驗目標物

(2) 測線規(guī)劃與數(shù)據(jù)采集。

試驗任務(wù)共分兩個航次開展，第一個航次以記錄的布放點為中心規(guī)劃測線，利用側(cè)掃聲吶和多波束初步確認目標物在海底的可疑位置。

在初步確認目標物可疑位置后，開展第二個航次任務(wù)，以目標物可疑位置為中心規(guī)劃精細測線，綜合利用側(cè)掃聲吶、多波束測深儀、黑匣子定位儀和水下相機在潛航器離底30 m、 10 m、 7.5 m、 5 m等不同高度對可疑目標物進行探測和搜索，并對采集數(shù)據(jù)進行分析處理，檢測側(cè)掃聲吶、多波束、水下相機對目標物的探測能力以及黑匣子定位儀不同方位的接收信號能力。

3.1.3 深水測試

試驗任務(wù)共一個航次，依照潛航器不同的定高來規(guī)劃測線和測量傳感器的設(shè)置，每條測線長1 km，通過觀測潛航器水下航行情況及出水后數(shù)據(jù)情況，檢測深水條件下潛航器的耐壓、操縱性能、系統(tǒng)運行可靠性與穩(wěn)定性以及導航性能。測試任務(wù)規(guī)劃如圖3所示。

圖3 深水試驗任務(wù)規(guī)劃

3.2 試驗結(jié)果

經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析，水下相機、側(cè)掃聲吶、多波束、黑匣子定位儀等采集的數(shù)據(jù)及圖像均能從不同方位和不同水深檢測到所投放的目標物。其中側(cè)掃聲吶和多波束測深儀均能很好地呈現(xiàn)被測海底地形地貌圖像，黑匣子定位儀能從不同方位接收到投放的黑匣子信號。不同探測傳感器搜尋識別目標物效果如圖4所示。

圖4 400 kHz多波束測深儀探測目標效果

850 kHz側(cè)掃聲吶掃測目標效果

水下相機搜尋目標物效果

根據(jù)試驗結(jié)果，AUV各主要技術(shù)指標如表1所示。

表1 試驗測得AUV主要技術(shù)指標

潛航器在作業(yè)過程中姿態(tài)穩(wěn)定，動力系統(tǒng)工作狀態(tài)正常。潛航器航行期間通信良好，且在水下能依照預設(shè)路徑很好地完成自主航行。在作業(yè)過程中，某一時段潛航器姿態(tài)數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 潛航器3 400 m水下作業(yè)姿態(tài)

4 結(jié) 語

本文結(jié)合工程試驗應(yīng)用，介紹了深海水下遇險目標物搜尋方法及流程，驗證了深海搜尋6 000 m無人潛航器實際作業(yè)穩(wěn)定性以及水下搜尋探測技術(shù)的準確性。試驗結(jié)果表明，綜合利用水下相機、黑匣子定位儀、多波束水深數(shù)據(jù)和側(cè)掃聲吶聲圖進行遇險目標物識別，保證深海水下遇險目標物搜尋的高效性和準確性，大大提高了水下搜尋效率，對其他類型深海AUV的設(shè)計和應(yīng)用具有一定的指導意義。但是在使用過程中，AUV在布放回收方式和水下通信質(zhì)量方面仍然需要改善和提高，可以考慮AUV水下回收來降低水面回收的風險，通過降低工作母船的噪聲來改善水聲通信環(huán)境。

總之，通過AUV在深海水下目標物搜尋的應(yīng)用,使得目前的搜救技術(shù)日趨完善,搜救手段更加先進,搜救勞動強度大幅降低,工作效率顯著提高,實現(xiàn)了深遠海水下搜救的自動化，而且能滿足不同的工程需要，未來隨著AUV技術(shù)的成熟，人們對新技術(shù)新設(shè)備不斷地認識和接受，AUV在深海水下搜尋救助上會擁有巨大的優(yōu)勢，會發(fā)揮更大的作用。