非動(dòng)力定位母船海纜檢測(cè)水下機(jī)器人定位系統(tǒng)應(yīng)用研究

張維佳，黃小衛(wèi)，蘆 海，李曉駿，蔡 馳，吳 聰

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局，廣州 510405）

0 引言

水下定位系統(tǒng)是ROV（水下機(jī)器人）作業(yè)中的關(guān)鍵裝備之一，是保障ROV 水下高精度位置、姿態(tài)控制的重要環(huán)節(jié)，在ROV 通過TSS350 型電纜檢測(cè)系統(tǒng)、水下可見光檢測(cè)設(shè)備及前置聲納等系統(tǒng)定位海底電纜進(jìn)行檢測(cè)的作業(yè)過程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。通常情況下，ROV 的水下定位系統(tǒng)基于定位精確度高的動(dòng)力定位母船，以保證水下作業(yè)定位誤差在可接受范圍內(nèi)。但由于動(dòng)力定位母船作業(yè)成本高昂，且動(dòng)遣時(shí)間較長，因此對(duì)于ROV 水下作業(yè)有較大的限制[1]。

本研究擬基于非動(dòng)力定位母船的ROV 作業(yè)條件，探索降低ROV 水下作業(yè)定位系統(tǒng)誤差的實(shí)施方法，突破動(dòng)力定位母船的作業(yè)條件限制。本文在比較各種水下導(dǎo)航定位方法的基礎(chǔ)上，分析USBL（超短基線）應(yīng)用于非動(dòng)力定位母船產(chǎn)生的定位誤差，并從誤差產(chǎn)生的原因著手，針對(duì)性地提出了誤差處理策略并進(jìn)行定位校準(zhǔn)，大大提高了非動(dòng)力定位平臺(tái)水下定位系統(tǒng)的精確度，并通過工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 水下定位設(shè)備選型

水下定位系統(tǒng)按照基線長度可分為LBL（長基線）、SBL（短基線）和USBL 三類。LBL 的基線長度為100～6 000 m，利用測(cè)量聲源到各基陣基點(diǎn)距離解算方位和距離短基線的基線長度為1～100 m，利用信號(hào)到基陣基點(diǎn)的時(shí)間差解算方位和距離；USBL 的基線長度為1～100 cm，利用信號(hào)間相位差解算方位和距離[2]。

采用非動(dòng)力定位船舶作為ROV 的母船，由于它在海洋上航行或停泊都會(huì)因海流產(chǎn)生橫搖或縱搖，并且會(huì)伴隨船頭方向無規(guī)則轉(zhuǎn)動(dòng)，船舶的搖擺將大大影響船舶相對(duì)ROV 的空間定位。因此選擇良好的ROV 定位系統(tǒng)是海底電纜檢測(cè)正常開展至關(guān)重要的保障。

表1 所列為目前水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比[3-4]。

表1 水下定位系統(tǒng)對(duì)比

通過對(duì)比分析，LBL 定位精度最高但價(jià)格昂貴，適合于大面積、深海區(qū)域的海洋調(diào)查定位；SBL 定位因?yàn)榛嚯x較大以及船的尾流對(duì)基元的擾動(dòng)影響，對(duì)船的要求較高，并且基陣多需要在船塢安裝、校準(zhǔn)；USBL 儀器設(shè)備體積小，易于安裝，價(jià)格便宜，定位精度較高，對(duì)船只沒有過高要求，完全滿足ROV 在海底電纜檢測(cè)時(shí)定位的需要[5]，因此本文選擇USBL 系統(tǒng)進(jìn)行ROV 水下定位。

2 非動(dòng)力定位母船應(yīng)用USBL 定位的誤差解決方式

2.1 USBL 定位原理

USBL 系統(tǒng)聲學(xué)基陣多為同平面內(nèi)的四個(gè)聲學(xué)基陣，多布置成“十”字方位，同軸陣元間距多為10～40 cm，這四個(gè)聲學(xué)基陣相當(dāng)于定位系統(tǒng)的換能器，一般安裝在船底，安裝后，需要羅經(jīng)設(shè)備配合對(duì)發(fā)射單元進(jìn)行安裝、校準(zhǔn)才能進(jìn)行水下定位[6-7]。如圖1 所示。

根據(jù)USBL 定位原理（圖2）可通過公式（1）計(jì)算信標(biāo)相對(duì)換能器位置。

圖1 USBL 系統(tǒng)中信號(hào)傳播示意

圖2 USBL 定位原理

式中：D 為測(cè)量斜距，D=1/2vt（v 為聲波速度、t 為測(cè)的聲波發(fā)射到返回的時(shí)間）；Φ，θ 兩角是通過USBL 換能器基元的相位差計(jì)算取得。

2.2 USBL 定位誤差分析

2.2.1 USBL 定位誤差產(chǎn)生原因

超短基線定位精度受水平角、仰角、測(cè)距等測(cè)量結(jié)果以及姿態(tài)傳感器、羅經(jīng)、GPS 等儀器影響，當(dāng)搭載在非動(dòng)力定位船舶進(jìn)行海底電纜檢測(cè)時(shí)，在海洋的洋流作用下會(huì)發(fā)生橫搖或縱搖，由于非動(dòng)力定位船舶的搖擺，會(huì)導(dǎo)致安裝在船舶處的換能器也隨之晃動(dòng)，更容易影響到水下信標(biāo)的定位精度，導(dǎo)致無法開展海底電纜檢測(cè)作業(yè)[8-9]。

通常情況下不考慮USBL 定位各誤差源之間的關(guān)聯(lián)，認(rèn)為他們是相互獨(dú)立的，則USBL 定位整個(gè)系統(tǒng)的誤差可表達(dá)為：

式中：σU為超短基線的總誤差；σθ為超短基線水平角測(cè)量誤差；σΦ為超短基線仰角測(cè)量誤差；σM為MRU（姿態(tài)傳感器）測(cè)角誤差；σO為GYRO（電羅經(jīng)）測(cè)量誤差；σG為水面船只GPS 測(cè)量誤差；σD為超短基線測(cè)距誤差[10]；σF為聲波頻率誤差。

2.2.2 USBL 定位誤差處理策略

為了保證檢測(cè)效果，提高定位精度，下文從誤差產(chǎn)生的各個(gè)因素來分析討論USBL 定位誤差處理策略。

（1）安裝位置測(cè)量誤差

USBL 安裝位置對(duì)水平角的測(cè)量誤差σθ和USBL 仰角測(cè)量誤差σΦ產(chǎn)生直接影響。

USBL 各組成設(shè)備安裝在船體的不同位置，將它們歸算至同一坐標(biāo)系下，需要測(cè)量各組成設(shè)備的位置安裝改正數(shù)[11]，但測(cè)量中也存在一定的誤差。

因此誤差處理策略為：采取鋼尺多次測(cè)量取平均值以減少測(cè)量誤差。

（2）MRU 測(cè)角誤差

母船在作業(yè)時(shí)會(huì)帶動(dòng)USBL 換能器搖擺，而搖擺的換能器在收發(fā)聲波之間就會(huì)產(chǎn)生較大測(cè)角誤差σM，因此需要加裝MRU 進(jìn)行誤差補(bǔ)償，但由于不同型號(hào)的MRU 誤差不同，且MRU 安裝位置和USBL 換能器桿的固定情況都會(huì)影響誤差。

因此誤差處理策略為：選取誤差較小型號(hào)的MRU；MRU 安裝位置盡量選在船舶重心，垂直甲板處；USBL 換能器桿要加強(qiáng)固定，使其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與船舶姿態(tài)完全吻合，不會(huì)產(chǎn)生自振動(dòng)。

（3）船舶搖擺導(dǎo)致電子羅經(jīng)誤差

在進(jìn)行USBL 水下定位時(shí)，由于波浪、水流和海風(fēng)的影響，船體會(huì)受到俯仰、滾轉(zhuǎn)等姿態(tài)的影響。需要提供羅經(jīng)方向數(shù)據(jù)，并且羅經(jīng)的方位角測(cè)量中的誤差σO導(dǎo)致相應(yīng)的定位誤差。

因此誤差處理策略一是選擇合適的位置（船舶重心的垂直位置）安裝羅經(jīng)，減少外部干擾因素對(duì)羅經(jīng)測(cè)量結(jié)果的影響；使用更準(zhǔn)確的測(cè)量級(jí)光纖羅經(jīng)。二是在非動(dòng)力定位船上加裝減搖鰭（圖3），它安裝在船的兩側(cè)，具有翼形，也稱為側(cè)舵[12]。通過轉(zhuǎn)動(dòng)鰭片，橫擺力矩減小，搖擺減小，以減少船體側(cè)傾。三是選擇合適的海況出海作業(yè)，減少船體橫搖。

（4）母船GPS 定位誤差

母船GPS 是水面定位的基礎(chǔ)，其定位精度直接影響水下設(shè)備的定位精度，任何GPS 都會(huì)存在測(cè)量誤差σG。

因此誤差處理策略為：選擇具有高定位精度的母船GPS 定位裝置，如星站差分GPS；GPS 天線與USBL 換能器相對(duì)位置測(cè)量應(yīng)盡量準(zhǔn)確。

（5）聲速誤差的影響

USBL 水下定位主要是通過測(cè)量換能器到信標(biāo)的距離及方位來計(jì)算，聲速直接影響到USBL的測(cè)距誤差σD。聲速改正主要通過聲速剖面儀測(cè)量聲速，然后將測(cè)量區(qū)測(cè)量的實(shí)際聲速值輸入U(xiǎn)SBL 主機(jī)，將信標(biāo)轉(zhuǎn)換為換能器距離。聲速測(cè)量的準(zhǔn)確性直接影響定位精度。由于不同深度的水體溫度對(duì)聲速有不同影響，導(dǎo)致發(fā)生折射效應(yīng)，如圖4 所示。

圖4 聲波折射效應(yīng)示意

因此誤差處理策略為：對(duì)于USBL，隨著開角變大，聲速曲線折射嚴(yán)重的情況，可安裝聲速剖面修正系統(tǒng)。根據(jù)聲學(xué)原理，聲波在水中的傳播速度與鹽度和溫度有關(guān)。當(dāng)聲波由于鹽度和溫度分層而沿著換能器和信標(biāo)之間的路徑從海面到海床行進(jìn)時(shí)，將發(fā)生計(jì)算錯(cuò)誤。該誤差隨著深度的增加而增加，并且該誤差由于往返而倍增或甚至增大一個(gè)數(shù)量級(jí)[13]。聲速剖面修正系統(tǒng)的作用是使用絞盤垂直釋放剖面儀，入水后不斷釋放聲波測(cè)量聲速，通過壓力傳感器測(cè)量所處的深度，通過采集依據(jù)深度排序的水層剖面聲速并記錄在其內(nèi)部的存儲(chǔ)器上，回收后導(dǎo)出到配套的數(shù)據(jù)分析軟件中，經(jīng)過分析處理之后形成隨深度增加的聲速曲線，這時(shí)只要將該表導(dǎo)入到水聲定位系統(tǒng)中，定位結(jié)果將依據(jù)聲速表進(jìn)行校正，從而提高定位精度。當(dāng)溫度變化較大（如早晨、中午、傍晚）或水深變化較大時(shí)，都需要重新測(cè)量聲速剖面值[14]，以提高聲速剖面值的實(shí)效性，從而提高定位精度。如圖5 所示，為2017 年7 月13 日瓊州海峽中央深水區(qū)（85 m）投放的聲速剖面曲線。

圖5 聲速剖面曲線

（6）其他誤差影響及處理策略

USBL 換能器在不同水深條件下發(fā)射聲波頻率對(duì)定位精度有不同的影響[15]，以ROV 檢測(cè)海南聯(lián)網(wǎng)交流500 kV 充油海底電纜為例，該海纜橫跨最深100 m 的瓊州海峽，如圖6 所示，為100 m 水深處分別使用22 kHz 和33 kHz 進(jìn)行應(yīng)答信號(hào)效果模擬，圖6（b）的精確值范圍遠(yuǎn)高于圖6（a）。因此應(yīng)用在淺海處的USBL 系統(tǒng)換能器發(fā)射頻率應(yīng)盡量高，方可減小聲波頻率誤差σF。

2.3 USBL 校準(zhǔn)方案的選擇

USBL 換能器首次安裝在船底或采用臨時(shí)支架固定時(shí)必須進(jìn)行CASIUS 數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，采用正確的校準(zhǔn)方案可有效保證誤差的降低。由于動(dòng)力定位船舶具有高穩(wěn)定性，船舶本身可以自轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，校準(zhǔn)方案路線較容易，可采用靜態(tài)數(shù)據(jù)采集，如圖7 所示。

圖6 應(yīng)答信號(hào)效果對(duì)比

圖7 靜態(tài)數(shù)據(jù)采集模式

非動(dòng)力定位船無法定點(diǎn)自轉(zhuǎn)，其數(shù)據(jù)采集方案與動(dòng)力定位船不同，校準(zhǔn)方案較復(fù)雜，需采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集，如圖8 所示。

選擇正確的校準(zhǔn)方案有助于減少誤差。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集模式與靜態(tài)數(shù)據(jù)采集模式不同的是，因船速原因，控制收集數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量更加困難[16-17]。船長應(yīng)降低船速，盡可能減小動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集誤差。

3 USBL 的應(yīng)用

海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)500 kV 福港線海底電纜位于瓊州海峽，最深處為100 m，海纜受瓊州海峽高流速?zèng)_刷，迫切需要對(duì)海纜進(jìn)行檢測(cè)，以便了解其運(yùn)行情況，針對(duì)可能的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)提供保護(hù)。

圖8 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集模式

海底電纜檢測(cè)項(xiàng)目結(jié)合非動(dòng)力定位船（華鯤號(hào)），ROV（SMD ATOM08），TSS350，USBL（UM-8245）等設(shè)備，通過對(duì)海底電纜埋深及其路由檢測(cè)，確定海纜風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)現(xiàn)狀，為海南聯(lián)網(wǎng)可靠運(yùn)行提供保障。

檢測(cè)項(xiàng)目水下定位方案采用Sonardyne 公司的UM-8245 型USBL 搭載非動(dòng)力定位船舶，載體為南方電網(wǎng)公司與SMD 公司共同研發(fā)的100匹馬力液壓動(dòng)力作業(yè)級(jí)ROV。作業(yè)前采用CASIUS數(shù)據(jù)采集模式的路徑進(jìn)行USBL 校準(zhǔn)，并采用33 kHz 頻率，母船采用高精度DGPS 并配備側(cè)推進(jìn)器，使用作業(yè)指揮系統(tǒng)開展作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況如圖9 所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

以2018 年12 月13 日20:42 的檢測(cè)數(shù)據(jù)為例，檢測(cè)范圍是海纜C 相KP24.388-24.421，對(duì)比2016 年相同段檢測(cè)值及曲線拐點(diǎn)（由于海床變化，埋深值會(huì)有變化，但整體曲線在短期內(nèi)不會(huì)變化），證明采用本文所提方法在非動(dòng)力定位船舶上應(yīng)用USBL 可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，如圖10 所示。

圖10 2016 年，2018 年同KP 段對(duì)比

通過USBL 與船舶DGPS 定位系統(tǒng)結(jié)合的作業(yè)指揮系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)展示船舶與ROV 的相對(duì)位置，該系統(tǒng)使船長和ROV 駕駛員更直觀、更便捷地相互配合，開展作業(yè)，如圖11 所示。

圖11 作業(yè)指揮系統(tǒng)

4 結(jié)語

本文通過對(duì)水下定位系統(tǒng)的原理分析和對(duì)比研究，選擇適合在非動(dòng)力定位船舶使用ROV 的USBL 定位系統(tǒng)。根據(jù)非動(dòng)力定位船舶的航行特點(diǎn)及USBL 的定位特點(diǎn)進(jìn)行誤差分析，從安裝測(cè)量、儀器選型、精度校準(zhǔn)、輔助系統(tǒng)四個(gè)方面提出基于非動(dòng)力定位船舶的海底電纜檢測(cè)ROV 減小定位誤差的解決方法并通過實(shí)際工程應(yīng)用驗(yàn)證了方法的有效性。