水下導航定位系統在水下作業中的應用

【摘要】水下導航定位技術是一種集成了導航測姿、水聲定位、GPS定位的綜合性技術，可廣泛應用于水下作業中，如引導潛水員進行打撈、對水下目標進行精確定位等等。介紹了水下導航定位系統的組成結構，以及在水下作業中的應用。

【關鍵詞】超短基線；水聲定位；導航測姿；水下作業

1.引言

由于深水區域往往能見度較低，且水下周圍一般沒有參照物，因此潛水員在進行打撈、救助等水下作業活動時，常常會無法準確辨別自身所處位置，無法獲知與工作船、打撈目標之間的相對位置關系，給水下作業帶來一定困難。為提高水下搜索作業效率，實現指揮員對潛水員的實時監控，需要配備水下導航定位系統，對潛水員的絕對位置進行精確定位，并引導潛水員進行水下作業。

2.水下導航定位系統的組成

水下導航定位系統一般主要由超短基線水聲定位系統（USBL）、導航測姿系統、GPS系統以及潛水導航系統組成。如圖1所示。

圖1 水下導航定位系統組成

2.1 超短基線水聲定位系統

超短基線水聲定位系統主要由超短基線聲基陣、聲信標以及水聲定位處理計算機組成。超短基線聲基陣向水下發送詢問信號，聲信標接收到詢問信號后，向超短基線聲基陣發送應答信號，水聲定位處理計算機根據超短基線各基元接收到的應答信號的延時，來解算聲信標的相對距離和方位，從而對聲信標進行定位[1]。聲信標一般安裝在待定位設備上或者由潛水員隨身攜帶。

圖2 法國iXSea公司研制的GAPS

圖2是法國iXSea公司研制的GAPS（Global Acoustic Positioning System）超短基線水聲定位系統，該系統主要由超短基線水聲定位基陣、GPS定位系統以及Octans光纖羅經。

GAPS系統的精度較高，且無需對導航測姿系統以及GPS定位系統進行校準，但其造價昂貴，用于一般水下作業性價比較低。

圖3 Scout+超短基線水聲定位系統

圖3是英國Sonardyne公司研制的Scout+超短基線水聲定位系統，其基陣內部帶有5個聲基陣基元，以及1個磁羅盤和1個MRU姿態傳感器，若對水下目標定位的精度要求較高，則需要水聲定位處理計算機外接高精度導航測姿系統和GPS系統，以替代超短基線聲基陣內部的磁羅盤和MRU姿態傳感器。

2.2 導航測姿系統

由于水聲定位處理計算機在解算聲信標的相對位置時，需要獲得超短基線聲基陣的姿態、艏向，因此一般聲基陣內部集成有磁羅盤或者測姿傳感器，但測量精度較差，要想獲得對水下目標（聲信標）的高精度定位，則需要在超短基線基陣附近安裝精度較高的導航測姿系統，如光纖羅經等替代聲基陣內部集成的測姿傳感器，導航測姿系統將其測得的艏向角、橫滾角、俯仰角信息實時發送至水聲定位處理計算機，以便水聲定位處理計算機實時精確解算聲信標的位置。

導航測姿設備安裝完畢后，應對導航測姿設備與超短基線聲基陣的相對安裝偏差進行校準[2]，將導航測姿設備的固定安裝偏差輸入水聲定位處理計算機，以提高水聲定位的精度。圖4是法國iXSea公司研制的Octans光纖羅經，具備GPS秒脈沖同步、脈沖觸發等功能，可用于精確測量艏向、橫滾和俯仰角度，為水聲定位處理計算機提供精確定位所需的聲基陣的姿態信息。

圖4 Octans光纖羅經

2.3 GPS定位系統

水聲定位系統僅能解算出聲信標與超短基線基陣的相對位置，為了準確計算聲信標的絕對位置坐標，需要配備GPS定位系統，并將GPS天線安裝于超短基線基陣附近。

在GPS定位系統安裝完畢后，同樣需要對其安裝偏差進行校準[3]，將GPS天線的固定安裝偏差輸入水聲定位處理計算機，以提高計算聲信標絕對位置的精度。

為獲得較高的定位精度，可配備RTK定位系統，即在岸邊設置GPS基準站與發射電臺，在工作船上設置GPS移動站與接收電臺，將移動站的GPS天線安裝于水聲定位基陣附近，通過移動電臺接收基準站發送的差分修正信息，可精確解算出聲基陣的安裝位置[4]，其定位精度可達5cm+1ppm，有利于對水下目標的精確定位。

RTK定位系統雖然精度較高，但由于需要在岸邊設置基準站與電臺，受電臺的發射功率限制，只能在近岸20km以內使用，在遠海區域作業時，為了獲得高精度的GPS定位信息，可使用DGPS星際差分定位系統，不需要電臺，通過GPS處理機內部的信標板接收不同衛星的定位信息進行差分，也可獲得較高的定位精度[5]，其定位精度可達0.15m。但此種GPS信息獲取方法需要向運營商支付一定金額的服務費，且有使用時間限制。

2.4 潛水導航系統

潛水導航系統主要用于潛水員在水下作業時對行進方向、水下目標的判別。常用的潛水導航設備主要有水下導航儀、水下指南針、水下電話以及手持聲納。

水下導航儀可接收來自水聲定位系統的信息，使得潛水員能在水下看清自己和船以及目標的相對位置；水下指南針主要為潛水員水下作業提供方向判別；水下電話用于潛水員與工作船進行聯系，對指揮員的方向控制進行響應；手持聲納一般用于潛水員對水下目標進行搜索時使用。手持聲納上配備簡易導航系統，潛水員可根據指揮員的信息，向指定方向進行探測。手持聲納如圖5所示。

圖5 手持聲納

3.水下導航定位系統的應用

3.1 引導潛水員進行水下作業

在潛水員進行水下作業時，為了準確獲得潛水員的工作位置，需配備水聲定位系統與聲信標，超短基線水聲定位系統、潛水員供氣系統安裝在工作船上，潛水員身上除了潛水裝備外，還掛接一個聲信標，對水聲定位基陣的詢問信號進行應答，通過水聲定位處理計算機可實時解算聲信標的位置，掌握潛水員的水下運動情況。如圖6、7、8所示。

圖6 正在潛水員背部掛接聲信標

圖7 潛水員帶聲信標入水

圖8 水聲定位處理計算機界面

3.2 水下目標精確定位

由于混響、噪聲等因素的影響，使得超短基線水聲定位系統的單次定位精度較差，為了對水下目標進行精確定位，需要通過不同方位對固定的水下聲信標進行多次定位，而后通過求解長基線定位方程的最小二乘解，可得到較精確的定位結果[6]。采取長基線定位方法對水下目標精確定位的情況，一般只適用于淺水區域、輕潛裝備，由于工作船需要在不同方向上移動來獲取長基線定位數據，所以潛水員水下呼吸不能依靠工作船上的供氣系統，主要是考慮潛水員與裝備的安全性，只能在潛水員自帶氧氣瓶并短時間在水下作業的情況下使用。

3.3 其他應用

水下導航定位系統除了應用于潛水員水下打撈作業外，還可以用于水下監測裝備的海上定點投放作業，將聲信標（含釋放器）與待布放的水下裝備安裝在一起，從工作船布放入設定的海域，通過聲信標可以確切掌握布放在海底的具體位置，還可以后續進行水下目標運動的跟蹤，監測水下裝備在某海域的活動軌跡，一般工作于應答方式的聲信標可以在水下工作兩年。當聲信標的服役時間接近兩或水下裝備發生故障不能自動上浮時，可以通過水聲定位系統引導潛水員（帶另一工作頻率不同的聲信標）向水下設備靠近進行定點打撈，若水下裝備不回收，可通過水聲定位基陣給聲信標發送釋放信號，聲信標自動上浮以便回收重復使用。

4.結束語

水下導航定位系統在水下作業中的應用非常廣泛，不僅用于潛水員水下打撈、維修作業，還可用于水下裝備的運動導航、測量、記錄，對水下裝備定點投放的方法、誤差提供參考。但目前此類高精度水下導航定位設備主要還依賴于進口，為了進一步調高我國的海洋作業水平和效率，必須盡快開展國產化技術攻關，在理論與實踐上進行突破，為海洋作業乃至海防建設提供高效可靠的裝備。

參考文獻

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