超短基線定位系統(tǒng)在側(cè)掃聲吶水下定位中的應(yīng)用

陳航偉

(中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，海南 海口 570105)

超短基線定位系統(tǒng)在側(cè)掃聲吶水下定位中的應(yīng)用

陳航偉

(中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，海南 海口 570105)

根據(jù)側(cè)掃聲吶應(yīng)用于海底電纜路由檢測過程中，需要對拖魚進行精確水下定位的實際需要，介紹了超短基線定位系統(tǒng)的原理，并根據(jù)實際應(yīng)用經(jīng)驗，分析了影響系統(tǒng)定位的2類誤差主要來源。

超短基線；側(cè)掃聲吶；水下定位

0 引言

南方電網(wǎng)主網(wǎng)與海南電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(以下簡為“聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)”)于2009年6月30日建成投產(chǎn)，聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在瓊州海峽敷設(shè)了3根單相海底電纜，作為南方電網(wǎng)主網(wǎng)與海南電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線。受狹管效應(yīng)影響，瓊州海峽常年海流較大，而海底電纜部分海域海床為泥沙底質(zhì)，易因海水沖刷而使海底地形地貌產(chǎn)生巨大變化。同時瓊州海峽是國內(nèi)最繁忙的航道之一，船舶拋錨現(xiàn)象較為頻繁。為及時了解海底地形地貌的變化情況，確保海底電纜安全，需定期使用側(cè)掃聲吶系統(tǒng)對海底電纜路由海域開展地形地貌測量。為獲取精度較高的測量數(shù)據(jù)，需精確定位側(cè)掃聲吶的拖魚在水下的位置。目前國內(nèi)常見的定位方法是利用水聲傳感器對拖魚進行位置測量，并輔助其他姿態(tài)傳感器，可以得到較高精度的拖魚位置信息。

1 超短基線系統(tǒng)定位原理

超短基線定位系統(tǒng)主要由發(fā)射基陣、應(yīng)答器、接收基陣和數(shù)據(jù)處理單元組成(其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示)，實際生產(chǎn)中一般將發(fā)射基陣、接收基陣制作到同一探頭內(nèi)形成收發(fā)基陣。將至少3個收發(fā)基陣安裝到船體不同位置，應(yīng)答器安裝到拖魚本體。系統(tǒng)通過測定各接收基陣接收到的信號相位差來確定接收基陣到拖魚的相對方位角；通過測定聲波到接收基陣的時間，再利用聲速剖面修正波速線，最終確定接收基陣到拖魚的相對距離，從而確定拖魚的相對位置。

圖1 超短基線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

應(yīng)用由3個收發(fā)基陣組成的最簡單的超短基線系統(tǒng)，原理如圖2所示。

圖2 超短基線系統(tǒng)原理圖

采用直角三角形基陣，直角邊的陣元間距為d，X軸指向船首方向，3個基陣的坐標如圖2所示，分別為(0，d，0)、(0，0，0)、(d，0，0)，拖魚上的應(yīng)答器坐標為(x，y，z)，以位于坐標原點的基陣為基準點，可以計算得到和其他2個基陣的相位差計算公式：

(1)

(2)

其中，坐標原點與拖魚上的目標斜距r為：

(3)

因此，將公式(3)帶入公式(1)、(2)，可得公式(4)、(5)：

(4)

(5)

由于在實際生產(chǎn)中斜距r遠大于陣元間距d，因此可推導(dǎo)出公式(8)、(9)：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，λ為接收到的聲波波長；v為接收到的聲波在水中的傳播速度；Δt為拖魚上的應(yīng)答器發(fā)出聲波后，聲波被船舶上的接收基陣接收到的時間間隔。

公式中，相位差φ12、φ23可以使用儀器測量得到，聲波的波速v、時間間隔Δt也可以測量得到，因此可以計算得到斜距r，而聲波波長λ為已知量，將上述數(shù)據(jù)代入公式(8)、(9)、(3)，最終可計算得到拖魚的坐標值(x，y，z)。

2 超短基線定位系統(tǒng)應(yīng)用中的誤差分析

根據(jù)圖1可以了解到超短基線的數(shù)據(jù)來源主要有DGPS、船載姿態(tài)傳感器、收發(fā)基陣等，因此在實際應(yīng)用中，DGPS/船載姿態(tài)傳感器的穩(wěn)定性和可靠性、水下作業(yè)環(huán)境、海況都是超短基線定位系統(tǒng)的主要誤差來源。為盡可能減少誤差，提升系統(tǒng)定位精度，需首先明確超短基線定位系統(tǒng)的誤差來源，進而才能盡可能降低顯著誤差，取得良好的測量結(jié)果。通過分析總結(jié)，超短基線的誤差主要來源于以下2類：

(1) 校準誤差。超短基線定位系統(tǒng)的坐標由DGPS系統(tǒng)提供，同時船舶姿態(tài)傳感器提供船舶實時擺動參數(shù)。上述系統(tǒng)在實際使用過程中存在的誤差將直接影響超短基線定位系統(tǒng)的精度。同時在實際操作過程中，受航速、潮流影響，拖魚上應(yīng)答器與收發(fā)基陣之間的位置關(guān)系在不斷變化，導(dǎo)致收發(fā)基陣之間的相位差也在不斷變化，也會影響系統(tǒng)的定位精度。

(2) 環(huán)境誤差。聲波在水下傳播過程中，受海洋環(huán)境影響，將會產(chǎn)生反射、散射、折射、擴散等物理現(xiàn)象，上述情況都將影響測時準確度。同時聲波在不同溫度、鹽度、深度海水中的傳播速度不同，因此需根據(jù)實際情況，建立聲波傳播通道的詳細模型，計算聲線傳播的詳細軌跡，得出收發(fā)基陣和應(yīng)答器之間幾何斜線和相位差之間的準確關(guān)系。

3 結(jié)語

隨著聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)二回建設(shè)、海南核電逐步投產(chǎn)，對海底電纜的運行和維護要求將越來越高。對于側(cè)掃聲吶拖魚的水下精確定位將是海底電纜運維工作的一項重要研究課題，本文對于超短基線定位系統(tǒng)應(yīng)用于側(cè)掃聲吶拖魚的水下精確定位進行了初步的探討，但是由于水下定位工作的復(fù)雜性，如何有效提高超短基線定位系統(tǒng)對拖魚的水下定位精度，還需開展深入研究。

[1] 莊杰棗，王紹智，鄭鐵民，等.側(cè)掃聲吶探測的若干問題[J].海洋測繪，1996(4)

[2] 羅聲榮.側(cè)掃聲吶和多波束測深系統(tǒng)在海洋調(diào)查中的綜合應(yīng)用[J].海洋測繪，2003(1)

[3] 邢志偉，于開洋，王曉輝.超短基線定位系統(tǒng)在ROV動力定位中應(yīng)用的可行性研究[J].機器人，2002(6)

[4] 黃俊峰，邢志偉，李一平.基于超短基線的纜控水下機器人動力定位[J].控制工程，2002(6)

[5] 張粵寧，劉鵬.高精度超短基線定位系統(tǒng)在水下定位中的應(yīng)用[OL].http://wenku.baidu.com/view/8a22594e852458fb770b 56f2.html

2014-09-01

陳航偉(1986—)，男，浙江龍游人，助理工程師，主要從事海底電纜運維工作。