超短基線定位系統(tǒng)在深水工程勘察中的應(yīng)用

肖家耀XIAO Jia-yao

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459）

0 引言

海洋工程勘察是各類海洋工程建設(shè)項目的規(guī)劃、設(shè)計、施工以及工程環(huán)境評價（生態(tài)保護(hù)、地址災(zāi)害防治等）所需基礎(chǔ)資料的重要來源，是海洋工程建設(shè)不可或缺的環(huán)節(jié)[1]。傳統(tǒng)的海洋工程勘察技術(shù)采用船載和拖曳的作業(yè)方式，隨著水深增加，測深儀、地貌儀、淺地層剖面儀等聲學(xué)設(shè)備發(fā)射和接收聲波的距離增加，聲波能量衰減迅速，導(dǎo)致探測的分辨率、精度和探測深度都大大降低，無法滿足深水油氣構(gòu)筑物工程設(shè)計和施工的需要[2]。深水工程勘察作業(yè)中，通常采用水下載體（如深拖、AUV）搭載測深儀、地貌儀、淺地層剖面儀等調(diào)查設(shè)備在距離海底表面40-80m的高度進(jìn)行高分辨勘察作業(yè)的方式。定位信息是海洋工程勘察成果的基礎(chǔ)，所有調(diào)查成果只有被賦予正確的地理位置信息，才能被有效利用。因此，精確確定水下載體的位置是深水工程勘察作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。盡管以BDS、GPS、GLONASS 和Galileo 為代表的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS，Global Navigation Satellite System）能夠為全球用戶提供全天候、全天時、高精度導(dǎo)航定位服務(wù)，但由于海水對電磁波能量的吸收作用很強，限制了其傳播距離，使得以電磁波為傳播載體的無線電導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)手段無法直接用于水下目標(biāo)定位。而聲波以其在水中傳播能量衰減小，傳播距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢，成為水下定位的主要選擇[3]。

水下聲學(xué)定位技術(shù)是通過測量聲波在水體中傳播時間、相位等信息實現(xiàn)水下高精度定位的技術(shù)。根據(jù)接收基陣的基線長度不同，聲學(xué)定位系統(tǒng)主要分為長基線定位系統(tǒng)、短基線定位系統(tǒng)和超短基線定位系統(tǒng)。其中超短基線定位系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡單、操作便利、測距精度高、成本低等諸多優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于深水工程勘察作業(yè)中。

1 超短基線系統(tǒng)的定位原理與組成

1.1 定位原理

超短基線是通過安裝在船上的聲學(xué)換能器向水下發(fā)射聲波信號，安裝在水下目標(biāo)上的聲學(xué)應(yīng)答器在接收到訊問信號后立即返回一個區(qū)別于訊問信號的響應(yīng)信號回?fù)Q能器[4]，從而來確定探測目標(biāo)相對于換能器基陣的距離和角度。距離和角度的測量基于以下兩個原理：其一，通過精確測定聲波在換能器與探測目標(biāo)之間的傳播時間，再用聲速剖面修正波束線，確定目標(biāo)相對于換能器的距離；其二，通過測量換能器基陣上不同接收單元接收回波信號的相位差，確定目標(biāo)相對于換能器的角度。系統(tǒng)根據(jù)換能器基陣坐標(biāo)系相對于船舶坐標(biāo)系的固定關(guān)系，結(jié)合羅經(jīng)、姿態(tài)傳感器提供的實時的船舶姿態(tài)與艏向信息以及水面定位系統(tǒng)提供的船舶地理坐標(biāo)，就可以實時解算出水下應(yīng)答器所在位置的地理坐標(biāo)。

常規(guī)超短基線的換能器內(nèi)含1 個發(fā)射單元，3 個以上性能完全相同的接收單元，這些接收單元垂直正交并且等間隔（小于半波長）的分布組成一個平面正交接收陣[5]。接收單元之間的位置精確測定，組成聲基陣坐標(biāo)系。如圖1所示，H1、H、H3、H4是四個正交排列的換能器接收單元，他們到聲基陣坐標(biāo)系原點O 的距離均為D/2。原點O 到H1方向指向船艏方向，為X 軸方向，原點O 到H2方向垂直于船艏指向船舶右舷，為Y 軸方向，Z 軸垂直指向海底。

圖1 超短基線換能器聲基陣坐標(biāo)系示意圖

如圖2 所示，假設(shè)P 為水下應(yīng)答器位置，OP 與各坐標(biāo)軸之間的夾角分別為θx、θy、θz，P 到聲基陣坐標(biāo)系原點O的距離為S。設(shè)Δφx、Δφy為接收單元H1與H2以及H3與H4接收單元所接收信號之間的相位差，γ 為聲波波長，由于超短基線換能器接收基陣基線間距離很小，一般為厘米級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于換能器到應(yīng)答器P 點的距離S，因此可以認(rèn)為接收單元接收到的回波聲線是平行的。則OP 與各坐標(biāo)軸之間的夾角分別為θx、θy、θz可以用如下公式表示：

圖2 超短基線定位原理圖

根據(jù)空間直線OP 的長度以及與各坐標(biāo)軸之間的夾角，可以直接得出P 點在換能器陣坐標(biāo)系中的坐標(biāo)（x，y，z）。

1.2 系統(tǒng)組成

超短基線定位系統(tǒng)一般包括水下定位系統(tǒng)、輔助傳感器和水面定位系統(tǒng)三個組成部分，如圖3 所示。其中水下定位系統(tǒng)由安裝在船體的聲學(xué)換能器和水下的聲學(xué)應(yīng)答器組成；輔助傳感器含高精度光纖羅經(jīng)和姿態(tài)儀，用以準(zhǔn)確測量船舶的升沉、橫搖、縱搖和艏向（heave/roll/pitch/heave/Heading）；水面定位系統(tǒng)通常由全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）接收機(jī)組成，用以實時測定船舶的地理位置。

圖3 超短基線系統(tǒng)組成

2 影響超短基線系統(tǒng)定位性能的因素

超短基線定位系統(tǒng)可以直接測量出水下目標(biāo)相對于換能器的距離和方位[6]，如果要進(jìn)一步得到水下目標(biāo)的絕對位置（地理坐標(biāo)），就需要精確測定換能器聲基陣坐標(biāo)系與船舶坐標(biāo)系的相對關(guān)系，包括換能器在船舶坐標(biāo)系的位置和聲基陣的安裝角度偏差（橫搖、縱搖和艏向偏差）[7]，融合船舶GNSS 提供的地理坐標(biāo)、姿態(tài)傳感器提供的瞬時姿態(tài)數(shù)據(jù)和羅經(jīng)提供的船舶艏向數(shù)據(jù)。因此，影響超短基線定位系統(tǒng)精度的主要因素可以歸納為3 類：測量設(shè)備自身誤差、安裝角度偏差、聲速誤差。

2.1 測量設(shè)備自身誤差

超短基線換能器聲基陣誤差會影響測量水下目標(biāo)的相對位置，因此，在使用前需要對換能器聲基陣進(jìn)行標(biāo)定。對于商用超短基線系統(tǒng)，在出廠前，生產(chǎn)廠家一般都會精確標(biāo)定系統(tǒng)聲基陣誤差。超短基線系統(tǒng)計算水下目標(biāo)的絕對位置，需要融合安裝在船舶上的GNSS 提供的地理坐標(biāo)、姿態(tài)傳感器提供的瞬時姿態(tài)數(shù)據(jù)和羅經(jīng)提供的船舶艏向數(shù)據(jù)。這些設(shè)備本身固有的誤差也會影響絕對坐標(biāo)的解算精度，因此應(yīng)盡可能使用高精度設(shè)備，減少儀器本身可能帶來的誤差。

2.2 安裝角偏差

在超短基線定位系統(tǒng)中, 由于輔助測量設(shè)備羅經(jīng)與姿態(tài)傳感器和超短基線換能器通常是分離式安裝, 從而導(dǎo)致?lián)Q能器聲基陣坐標(biāo)系與船體坐標(biāo)系間存在旋轉(zhuǎn)角偏差[8]，即航向偏差、橫搖偏和縱搖偏差。其中，航向誤差會主要影響超短基線的水平定位精度.而橫搖偏和縱搖偏差對超短基線水平和垂直定位精度均有影響。根據(jù)作業(yè)經(jīng)驗，在1°角度偏差下，水下目標(biāo)與換能器相距2km 時，會產(chǎn)生35m的定位誤差。而當(dāng)角度偏差為0.1°時，同樣相距2km，產(chǎn)生的定位誤差在僅在3m 左右。因此，在使用前，必須要對超短基線系統(tǒng)進(jìn)行安裝角偏差校準(zhǔn)，尤其是在深水作業(yè)時，需要在作業(yè)區(qū)域內(nèi)最大水深處進(jìn)行安裝偏差角校準(zhǔn)，盡可能減小安裝角偏差對超短基線定位精度的影響。

2.3 聲速誤差

聲速的影響主要來源于聲速值的誤差和聲線彎曲。超短基線定位系統(tǒng)測距是通過測量聲波信號在換能器和水下目標(biāo)之間的旅行時間，結(jié)合聲波在水中的聲速從而確定水下目標(biāo)與換能器之間的距離。聲速值的誤差將會直接影響超短基線測距精度。海水中不同位置、不同深度的溫度、鹽度不同造成海水密度不同，聲速值是隨密度變化的。由于聲速的不同造成了聲波在水體中的傳播不是直線前進(jìn)的，而是彎曲的。從超短基線定位公式可以發(fā)現(xiàn)，確定水下目標(biāo)相對于換能器聲基陣的位置需要解算聲波返回?fù)Q能器陣的到達(dá)角。水體中的聲速變化引起的折射會改變聲波的路徑，聲波返回?fù)Q能器基陣的到達(dá)角并不能真實的反應(yīng)水下目標(biāo)的實際方向。聲波的入射角越大，聲線彎曲越嚴(yán)重，當(dāng)水下目標(biāo)位于換能器正下時，由于聲波垂直入射，聲線沒有彎曲。因此在超短基線作業(yè)過程中，需要將入射角保持在一個較小的范圍內(nèi)，減少聲線彎曲對定位精度的影響。

3 超短基線在深水工程勘察作業(yè)中的應(yīng)用

3.1 深水AUV 調(diào)查作業(yè)中的應(yīng)用

自主水下航行器（AUV，Autonomous Underwater Vehicle）是一種水下智能潛航器，作為一個智能化的深水潛航載體類似一艘無人潛水勘察船，可以搭載各種測量設(shè)備如測深儀、地貌儀、淺地層剖面儀等進(jìn)行海底搜尋、地形地貌探測、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等勘察工作，AUV 在深水工程勘察中以高精度、高分辨率、高效率的優(yōu)越性能取代常規(guī)的水面船載、拖曳式調(diào)查作業(yè)，是目前深海油氣勘探開發(fā)及其重要的技術(shù)手段。中海油服于2015 年從國外購置了Explorer 3000M AUV 用于深水工程勘察，至今已完成上萬公里的調(diào)查作業(yè)，為深水油氣田的勘探開發(fā)提供了大量的高精度、高分辨率的調(diào)查數(shù)據(jù)。Explorer 3000M AUV 搭載Kongsberg EM2040 型多波束測深系統(tǒng)、EdgeTech 2200M型側(cè)掃聲吶和淺地層剖面系統(tǒng)等測量設(shè)備，能夠在3000m以淺海域進(jìn)行深水工程勘察作業(yè)，獲取海底高精度地形地貌和淺地層剖面資料。

與絕大多數(shù)AUV 一樣，Explorer 3000M AUV 水下導(dǎo)航系統(tǒng)采用了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和多普勒計程儀（DVL）組合導(dǎo)航方式。在距離海底高度不超過200m 航行時，雖然DVL 提供的高精度速度信息雖然可以很好的抑制INS的累計誤差[9]，但水下導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差仍會隨著工作時間和航程的增長而增大，使得AUV 偏離了預(yù)設(shè)的調(diào)查測線。因此，需要使用水下聲學(xué)定位技術(shù)來修正AUV 水下導(dǎo)航系統(tǒng)的累計誤差，使其回到預(yù)設(shè)的調(diào)查測線。以Explorer 3000M AUV 為例，在其靠近尾部上方位置固定安裝了IXblue MT9 型水下聲學(xué)定位信標(biāo)，用于超短基線定位。Explorer 3000M AUV 在水下航行作業(yè)期間，為了提升超短基線定位精度，安裝了IXBlue GAPS 超短基線系統(tǒng)的作業(yè)母船始終保持在AUV 正上方航行，GAPS 跟蹤的水下信標(biāo)準(zhǔn)確絕對位置通過聲學(xué)通訊系統(tǒng)實時傳輸至Explorer 3000M AUV 內(nèi)部慣導(dǎo)系統(tǒng)Phins 中，用以消除INS+DVL 組合導(dǎo)航的精度漂移。Phins 是一套高精度閉環(huán)光纖陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)，可提供載體的真方位角、運動姿態(tài)、速度、升沉及三維位置信息。Phins 綜合DVL 提供的高精度速度信息、超短基線定位信息以及AUV 深度和高度信息，通過卡爾曼濾波，可以實時估算出AUV 在水下的最優(yōu)位置。

3.2 深拖調(diào)查作業(yè)中的應(yīng)用

深拖（Deep-Tow）調(diào)查是將一種或幾種海洋調(diào)查儀器進(jìn)行組合安裝在一個深水拖魚（體）上，通過將拖體沉放到預(yù)定深度來減少水體對儀器的影響，從而獲取高質(zhì)量多波束、側(cè)掃聲吶和淺地層剖面等數(shù)據(jù)的一種深海工程勘察方法。以EdgeTech DT-1 深拖系統(tǒng)為例，深拖系統(tǒng)主要由水下拖體及搭載設(shè)備、拖曳系統(tǒng)（含壓載器、拖纜、臍帶纜、絞車）、釋放回收系統(tǒng)、甲板通訊鏈及系統(tǒng)控制處理器等四大部分組成。深拖系統(tǒng)一般搭載多波束測深系統(tǒng)、側(cè)掃聲納系統(tǒng)、淺地層剖面儀，以及輔助傳感設(shè)備（光纖羅經(jīng)、運動傳感器、實時聲速計、壓力傳感器、多普勒計程計、高度計和水下聲學(xué)定位信標(biāo)等）。與AUV 不同，深拖系統(tǒng)拖體是不帶動力裝置的，完全依靠作業(yè)母船拖曳航行。

深拖系統(tǒng)定位多采用水下聲學(xué)導(dǎo)航定位,尤其是超短基線定位系統(tǒng)因其具有成本低、操作簡便、無需布設(shè)海底應(yīng)答器、安裝靈活、測距精度高等諸多優(yōu)勢,已成為深拖系統(tǒng)定位的主流技術(shù)手段。在深拖作業(yè)中，按照深拖拖體后拖的水平距離，深拖作業(yè)可以分為雙船定位作業(yè)和單船定位作業(yè)模式[10]。根據(jù)作業(yè)經(jīng)驗，在700m 水深以淺作業(yè)時，一般采用單船定位作業(yè)模式，700m 水深以深時采用雙船定位作業(yè)模式。單船定位作業(yè)模式中，作業(yè)母船上安裝超短基線換能器，同時負(fù)責(zé)深拖拖體的拖曳與定位跟蹤。而在雙船定位作業(yè)模式，通常會配備一條追蹤定位船和一條深拖拖曳船。深拖系統(tǒng)水下拖體的定位主要靠安裝在追蹤定位船側(cè)舷的超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)結(jié)合DGNSS 定位系統(tǒng)的方式對水下拖體進(jìn)行定位。追蹤定位船上的導(dǎo)航系統(tǒng)將GNSS 天線接收到的位置信息，實時傳輸至USBL 聲學(xué)定位系統(tǒng)中，USBL 聲學(xué)定位系統(tǒng)軟件結(jié)合USBL 收發(fā)探頭與水下拖體的相對位置信息及GNSS 天線與USBL 收發(fā)探頭之間的偏移距推算出水下拖體的位置信息。追蹤定位船再將拖體的位置信息通過無線電數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給拖曳船，通過時間匹配將位置信息整合到工程勘察采集資料中。

4 結(jié)語

超短基線定位系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡單、操作便利、成本低、測距精度高等諸多優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于深水工程勘察作業(yè)中，未來仍將是深水工程勘察水下定位的主要方式。提升定位精度是超短基線發(fā)展與研究的重點，如將高精度姿態(tài)傳感器與光纖羅經(jīng)集成到超短基線換能器可以削弱角度偏差的影響，使用寬帶數(shù)字信號代替?zhèn)鹘y(tǒng)音頻信號能夠有效降低多路徑效應(yīng)和周圍環(huán)境噪聲的影響，提升測距精度等。