海底觀測(cè)網(wǎng)深水設(shè)備精準(zhǔn)定點(diǎn)布放方法研究

王澍初，張 飛

（1. 海軍裝備部駐北京地區(qū)第六軍代室，北京 100082；2. 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所 聲場(chǎng)聲信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，

北京 100190）

海洋對(duì)全球環(huán)境和氣候變化影響巨大，觀測(cè)并理解海洋的運(yùn)行機(jī)理是人類文明發(fā)展的關(guān)鍵[1]。海底觀測(cè)網(wǎng)是利用海底光電復(fù)合纜和無線聲通信方式，將一系列海洋觀測(cè)儀器與陸基信息處理設(shè)備互聯(lián)而成的開放式海洋綜合觀測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)海底地殼深部、海底界面到海水水體大范圍、全天候、綜合性、長(zhǎng)期、連續(xù)、實(shí)時(shí)觀測(cè)。

隨著海底觀測(cè)網(wǎng)逐步建設(shè)到深海區(qū)域，深水設(shè)備的精準(zhǔn)定位布放是海上施工的難點(diǎn)。加拿大CSSF（Canadian Scientific Submersible Facility） 公 司 的ROPOS （Remotely Operated Platform for Ocean Science）為世界領(lǐng)先的定制型水下機(jī)器人，通過自身運(yùn)載能力，能夠?qū)⑺略O(shè)備從水面精準(zhǔn)布放到海底[2]，先后實(shí)現(xiàn)了加拿大和美國(guó)的觀測(cè)網(wǎng)設(shè)備的精確定位布放和回收。本文以“十二五”期間南海深海海底觀測(cè)網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備布放為例，分析了國(guó)內(nèi)深水設(shè)備精確布放存在的問題，提出了新方法原理，系統(tǒng)組成，實(shí)施步驟及應(yīng)用效果，對(duì)其它同類工程具有重要的借鑒意義。

1 研究意義和手段

海底觀測(cè)網(wǎng)是人類建立的第三種海洋科學(xué)觀測(cè)平臺(tái)[3]，擺脫了傳統(tǒng)海洋研究方式的種種局限，使科學(xué)家可在岸上實(shí)驗(yàn)室里實(shí)時(shí)開展深海實(shí)驗(yàn)，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)海底風(fēng)暴潮、火山噴發(fā)、地震、海嘯、滑坡和赤潮等各種突發(fā)事件，從根本上改變了人類認(rèn)識(shí)海洋的途徑[4]。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，美國(guó)、日本、加拿大以及歐洲各國(guó)紛紛投入巨資開展觀測(cè)網(wǎng)的建設(shè)，較大規(guī)模的觀測(cè)網(wǎng)主要有加拿大西北太平洋時(shí)間序列觀測(cè)網(wǎng)（North-East Pacific Time-Series Underwater networked Experiment，NEPTUNE）[5]、美國(guó)海洋觀測(cè)計(jì)劃（Ocean Observatories Initiative，OOI）[6]的區(qū)域網(wǎng)部分以及日本地震海嘯密集海底網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（Dense Ocean -floor Network System for Earthquakes and Tsunamis，DONET）[7]。我國(guó)在“十一五”和“十二五”期間，陸續(xù)開展觀測(cè)網(wǎng)試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，以及觀測(cè)網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)的研究和建設(shè)工作。在《國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長(zhǎng)期規(guī)劃（2012—2030年）》中，明確建設(shè)海底科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)在內(nèi)的16 項(xiàng)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，為資源與能源開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)、國(guó)家海洋安全等研究提供支撐。典型的觀測(cè)網(wǎng)系統(tǒng)組成如圖1 所示，通常由岸基站、海底光電復(fù)合纜、主節(jié)點(diǎn)、接駁盒及科學(xué)觀測(cè)儀器等組成。

圖1 海底觀測(cè)網(wǎng)組成

觀測(cè)網(wǎng)水下設(shè)備需要精準(zhǔn)定點(diǎn)布放，主要有以下兩點(diǎn)原因。首先，根據(jù)研究的科學(xué)問題及其觀測(cè)目標(biāo)，科學(xué)觀測(cè)儀器一般布置在科學(xué)觀測(cè)目標(biāo)附近，特別是針對(duì)海底熱液、冷泉等位置精度要求高的觀測(cè)任務(wù)，必須將儀器及傳感器布置于熱液口及冷泉的活躍位置，才能達(dá)到近距離研究熱液噴發(fā)及冷泉生物群落長(zhǎng)期變化的目的，在施工圖中須明確科學(xué)觀測(cè)儀器等水下設(shè)備的經(jīng)緯度坐標(biāo)，施工安裝時(shí)按圖精準(zhǔn)布放到指定位置。其次，為實(shí)現(xiàn)水下設(shè)備的靈活擴(kuò)展，以及方便增減、升級(jí)與維護(hù)，主節(jié)點(diǎn)與接駁盒、接駁盒與科學(xué)觀測(cè)儀器之間采用遙控?zé)o人潛水器（以下簡(jiǎn)稱“ROV”）操作濕插拔延長(zhǎng)纜的方式連接。目前各水下設(shè)備之間的信號(hào)是通過以太網(wǎng)通信方式傳輸，若不能保證水下設(shè)備間的精確相對(duì)距離，將無法完成濕插拔連接，進(jìn)而無法完成觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)工作，所以必須對(duì)水下設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)定點(diǎn)布放。

長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)雖然具有定位精度高的突出優(yōu)點(diǎn)，但是由于其自身系統(tǒng)布陣、測(cè)陣與回收操作十分復(fù)雜、耗時(shí)，成本較高[8]，國(guó)外觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)中一般不采用長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)，而是通過專業(yè)定制ROV（如ROPOS）直接運(yùn)載水下設(shè)備精準(zhǔn)布放于預(yù)定位置。由于ROV 可以克服海底底流，動(dòng)力懸停在某一點(diǎn)，通過母船安裝的超短基線定位系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“USBL”）可以獲得較高的定位精度，一般為深度的0.2%。定制ROV 在其底盤上安裝有專業(yè)布放裝置，與水下設(shè)備通過機(jī)械、液壓接口固定連接。水下設(shè)備布放時(shí)，首先通過ROV 其底盤的布放裝置連接并固定水下設(shè)備，將其運(yùn)送到近海底位置懸停，并通過USBL 實(shí)時(shí)獲取位置信息。然后在USBL、聲納、視頻等組合導(dǎo)航下操作ROV 調(diào)整其水平位置。待移動(dòng)到目標(biāo)位置后操作布放裝置釋放水下設(shè)備。該布放方式充分利用了ROV 自身的定位、導(dǎo)航及動(dòng)力優(yōu)勢(shì)，能夠獲得較高的定位精度。

國(guó)內(nèi)的觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)起步較晚，沒有形成針對(duì)觀測(cè)網(wǎng)施工安裝的上述專業(yè)定制型ROV 及操作團(tuán)隊(duì)。而國(guó)內(nèi)能夠開展深水安裝作業(yè)的施工單位很少，故難以采用國(guó)外觀測(cè)網(wǎng)的定位布放手段。目前國(guó)內(nèi)通常是采用鋼絲繩吊放水下設(shè)備到海底進(jìn)行釋放的粗放式施工方案。在深海作業(yè)條件下，采用鋼絲繩吊放方案，鋼絲繩長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)千米。當(dāng)?shù)醴旁O(shè)備近海底時(shí)，由于涌浪及海流的共同作用，吊放狀態(tài)水下設(shè)備的擺動(dòng)幅度可達(dá)十多米，無法完成精準(zhǔn)定點(diǎn)布放作業(yè)；即便在水下吊點(diǎn)處安裝USBL 信標(biāo)，因吊放狀態(tài)水下設(shè)備的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致USBL 出現(xiàn)無法跟蹤目標(biāo)，短暫定位失效，定位數(shù)據(jù)不連續(xù)、更新不及時(shí)等問題[9]，定位精度不可控。所以鋼絲繩吊放工藝不能直接獲取水下設(shè)備的精準(zhǔn)位置，也無法完成水下設(shè)備的定點(diǎn)釋放動(dòng)作，或釋放后嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)位置。

針對(duì)鋼絲繩吊放方案中無法直接獲取水下設(shè)備精準(zhǔn)絕對(duì)位置的問題，研究通過間接測(cè)量水下設(shè)備相對(duì)位置的方法來實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位置的精準(zhǔn)定位，為觀測(cè)網(wǎng)深水設(shè)備的精準(zhǔn)定點(diǎn)布放提供了可行的施工方法，有效保障了水下安裝作業(yè)的實(shí)施。

2 觀測(cè)網(wǎng)深水設(shè)備精準(zhǔn)定點(diǎn)布放方法研究

2.1 精準(zhǔn)定點(diǎn)布放方法的基本原理

因國(guó)內(nèi)施工船配置的觀察型ROV 雖然無法按照國(guó)外的作業(yè)模式，運(yùn)載水下設(shè)備到指定位置完成精準(zhǔn)定點(diǎn)布放，但可以通過近海底的ROV 建立絕對(duì)位置基準(zhǔn)，進(jìn)而獲取基準(zhǔn)與水下設(shè)備之間的相對(duì)位置關(guān)系。為此本文提出：首先依托ROV 自身定位、導(dǎo)航和動(dòng)力優(yōu)勢(shì)，懸停于海底附近，通過船載USBL 獲得其實(shí)時(shí)的精準(zhǔn)位置信息，為水下設(shè)備定位和調(diào)整提供固定的測(cè)量基準(zhǔn)。然后，ROV 通過成像聲吶可以精確測(cè)量其與水下設(shè)備間的相對(duì)位置關(guān)系，為水下設(shè)備的定位和調(diào)整提供精準(zhǔn)的測(cè)量手段，進(jìn)而計(jì)算出其在大地坐標(biāo)系（WGS84）中的絕對(duì)位置。最后，精確調(diào)整水下設(shè)備位置并實(shí)施布放，在調(diào)整過程中，保持ROV 測(cè)量基準(zhǔn)位置不變，通過施工船動(dòng)力定位系統(tǒng)調(diào)整船位，改變水下設(shè)備與ROV的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)其在大地坐標(biāo)系中的絕對(duì)位置的調(diào)整；當(dāng)水下設(shè)備絕對(duì)位置調(diào)整到設(shè)計(jì)位置時(shí)進(jìn)行釋放，以實(shí)現(xiàn)對(duì)其精準(zhǔn)定位和布放。下文詳細(xì)論述精準(zhǔn)定點(diǎn)布放系統(tǒng)組成、具體方法步驟及實(shí)際應(yīng)用的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

2.2 精準(zhǔn)定點(diǎn)布放系統(tǒng)的組成

水下設(shè)備精準(zhǔn)定點(diǎn)布放方法的核心是建立一個(gè)精準(zhǔn)定點(diǎn)布放測(cè)量系統(tǒng)，準(zhǔn)確測(cè)量水下設(shè)備與ROV 的相對(duì)位置。系統(tǒng)包括水面施工船及船載USBL 收發(fā)器、GPS、姿態(tài)補(bǔ)償儀和電羅經(jīng)，水下ROV 及搭載的成像聲納、視頻攝像機(jī)、姿態(tài)補(bǔ)償儀和電羅經(jīng)等，系統(tǒng)組成如圖2 所示。ROV 由施工船舷側(cè)吊機(jī)布放，水下設(shè)備由船尾吊機(jī)布放。船載GPS、USBL、姿態(tài)補(bǔ)償儀和電羅經(jīng)實(shí)時(shí)獲得ROV 在大地坐標(biāo)系中的經(jīng)緯度。ROV 成像聲納掃描獲得聲吶圖像，建立海底平面坐標(biāo)系，對(duì)水下設(shè)備的相對(duì)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)測(cè)量，視頻攝像機(jī)負(fù)責(zé)輔助觀察。

圖2 精準(zhǔn)定點(diǎn)布放系統(tǒng)組成

2.3 觀測(cè)網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)水下設(shè)備精準(zhǔn)定點(diǎn)布放

（1）主節(jié)點(diǎn)布放

第一步：ROV 與主節(jié)點(diǎn)抵近海底就位，如圖3所示。施工船在主節(jié)點(diǎn)布放位置開啟動(dòng)力定位（DP）模式，通過船尾吊鋼絲繩連接釋放器，吊放與海纜連接的主節(jié)點(diǎn)到海底；ROV 開啟攝像頭與主節(jié)點(diǎn)同步下潛以監(jiān)視水下吊放狀態(tài)。待主節(jié)點(diǎn)離海底高度約5 m 時(shí)，停止釋放鋼絲繩。利用USBL 完成懸停狀態(tài)ROV 的定位，通過船載姿態(tài)補(bǔ)償儀和電羅經(jīng)來修正定位誤差。利用船載GPS 信息和USBL 定位信息推導(dǎo)出ROV 在大地坐標(biāo)系中的絕對(duì)位置經(jīng)緯度。并在大地坐標(biāo)系中顯示ROV 和水下設(shè)備設(shè)計(jì)布放點(diǎn)經(jīng)緯度信息。調(diào)整ROV 的艏向與主節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)布放點(diǎn)方位角一致后定點(diǎn)懸停，并獲得ROV 與設(shè)計(jì)布放點(diǎn)之間距離值A(chǔ)1。

圖3 主節(jié)點(diǎn)布放

第二步：建立海底平面坐標(biāo)系，如圖4 所示。以ROV 為參考點(diǎn)，開啟成像聲納掃描圖像建立海底平面坐標(biāo)系。并實(shí)時(shí)測(cè)量吊放狀態(tài)的主節(jié)點(diǎn)與ROV的相對(duì)位置，包括距離A2 及方位角α。

圖4 海底平面坐標(biāo)系及測(cè)量

第三步：調(diào)整主節(jié)點(diǎn)位置，如圖5 所示。通過施工船動(dòng)力定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)微調(diào)船位，首先將主節(jié)點(diǎn)方位角α 值調(diào)整為0，使主節(jié)點(diǎn)位置移動(dòng)到ROV 艏向上。然后根據(jù)A2 與A1 的差值調(diào)整直線距離至A3，當(dāng)A2＞A1 時(shí)，微調(diào)船位使主節(jié)點(diǎn)吊點(diǎn)靠近ROV，反之遠(yuǎn)離ROV。

圖5 主節(jié)點(diǎn)位置調(diào)整

第四步：精準(zhǔn)定位后釋放主節(jié)點(diǎn)，如圖6 所示。當(dāng)α=0，A3=A1 時(shí)，表明主節(jié)點(diǎn)已調(diào)整到設(shè)計(jì)布放位置，施工船逐步釋放鋼絲繩至主節(jié)點(diǎn)著床，并操作聲學(xué)釋放器脫鉤，完成主節(jié)點(diǎn)的精準(zhǔn)定點(diǎn)布放作業(yè)。（2）接駁盒及科學(xué)觀測(cè)儀器的布放

圖6 主節(jié)點(diǎn)精準(zhǔn)定點(diǎn)

主節(jié)點(diǎn)布放完成后，ROV 移動(dòng)到主節(jié)點(diǎn)附近進(jìn)行懸停，重復(fù)主節(jié)點(diǎn)布放的第一步至第四步完成接駁盒及科學(xué)觀測(cè)儀器的布放。

2.4 精準(zhǔn)定點(diǎn)布放精度分析與應(yīng)用效果

（1）水下相對(duì)定位精度

ROV 成像聲吶的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。在高頻模式下探測(cè)距離0.4～100 m，低頻模式下探測(cè)距離0.4～300 m，距離精度15 mm，掃描扇區(qū)360°（可調(diào)）。

表1 成像聲吶主要參數(shù)

成像聲納掃描扇區(qū)為（0～90°，270°～360°），成像視角為以聲吶為圓心的半圓。在調(diào)整遠(yuǎn)距離水下設(shè)備的位置時(shí)，開啟低頻模式掃描，聲吶圖像網(wǎng)格間距較大。在目標(biāo)位置調(diào)整到距圓心30 m 左右時(shí)，開啟高頻模式掃描，聲吶圖像網(wǎng)格間距調(diào)至最小值1 m，即直徑方向的刻度為1 m，并以30°角為角刻度將半圓分為6 個(gè)扇區(qū)。在該模式下，測(cè)量距離分辨率為1 m，角度分辨率30°。當(dāng)水下設(shè)備吊放進(jìn)入海底平面坐標(biāo)系后，可直接測(cè)量出相對(duì)距離和角度?；诔上衤晠?5 mm 的測(cè)量精度和海底平面坐標(biāo)系1 m 測(cè)量分辨率，系統(tǒng)水下相對(duì)定位精度可達(dá)到1 m。

（2）系統(tǒng)絕對(duì)定位精度

影響精準(zhǔn)定點(diǎn)布放系統(tǒng)的絕對(duì)定位精度的因素有兩個(gè)方面，包括水下ROV 參考點(diǎn)絕對(duì)位置精度和成像聲吶的測(cè)量精度。其中水下ROV 的絕對(duì)位置精度為USBL 的定位精度，一般為深度的0.2%。而成像聲吶的測(cè)量精度為15 mm，可忽略不計(jì)。所以，系統(tǒng)的絕對(duì)定位精度即為ROV 的定位精度，這樣便間接達(dá)到了國(guó)外通過ROV 運(yùn)載設(shè)備布放工藝相同的定位精度。

（3）觀測(cè)網(wǎng)海試應(yīng)用效果

2016 年8 月，在南海深海海底觀測(cè)網(wǎng)的海試中，通過深水設(shè)備精準(zhǔn)定點(diǎn)方法成功完成深水設(shè)備的精準(zhǔn)定點(diǎn)布放。圖7（a）所示為ROV 懸停于主節(jié)點(diǎn)旁邊對(duì)次接駁盒進(jìn)行精準(zhǔn)定位的聲吶圖像，成像聲吶建立的平面坐標(biāo)系能夠精準(zhǔn)測(cè)量水下設(shè)備間的相對(duì)位置，測(cè)量精度達(dá)到1 m。在水下設(shè)備精準(zhǔn)定點(diǎn)布放的基礎(chǔ)上，ROV 進(jìn)行主節(jié)點(diǎn)、接駁盒、科學(xué)觀測(cè)儀器之間濕插拔延長(zhǎng)纜的解纜、移動(dòng)、接插等操作，實(shí)現(xiàn)深海海底觀測(cè)網(wǎng)水下設(shè)備的濕插拔連接，濕插拔連接如圖7（b）所示，圓滿完成了海上建設(shè)任務(wù)。

圖7 深水設(shè)備精確定位布放及濕插拔連接

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)海底觀測(cè)網(wǎng)深水設(shè)備精準(zhǔn)定點(diǎn)布放作業(yè)需求，深入研究了基于ROV 成像聲納圖像構(gòu)建海底平面坐標(biāo)系的深水設(shè)備精準(zhǔn)定點(diǎn)布放方法，并應(yīng)用到海底觀測(cè)網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)深水設(shè)備精準(zhǔn)定位布放作業(yè)中，實(shí)現(xiàn)了水下設(shè)備在海底平面坐標(biāo)系中的實(shí)時(shí)位置測(cè)量和1 m 的相對(duì)定位精度，間接實(shí)現(xiàn)了國(guó)外通過ROV 運(yùn)載設(shè)備定點(diǎn)布放工藝相同的絕對(duì)定位精度，完成了水下設(shè)備精準(zhǔn)定點(diǎn)和布放任務(wù)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。對(duì)深海海底觀測(cè)網(wǎng)等深水工程中設(shè)備的精準(zhǔn)定點(diǎn)布放和安裝作業(yè)，具有重要的參考和借鑒意義。