陳航偉

(中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，海南 ?？?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(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，海南 ?？?570105)

根據(jù)側(cè)掃聲吶應(yīng)用于海底電纜路由檢測(cè)過程中，需要對(duì)拖魚進(jìn)行精確水下定位的實(shí)際需要，介紹了超短基線定位系統(tǒng)的原理，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，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(jiǎn)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(shí)瓊州海峽是國(guó)內(nèi)最繁忙的航道之一，船舶拋錨現(xiàn)象較為頻繁。為及時(shí)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(duì)海底電纜路由海域開展地形地貌測(cè)量。為獲取精度較高的測(cè)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(guó)內(nèi)常見的定位方法是利用水聲傳感器對(duì)拖魚進(jìn)行位置測(cè)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(shí)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(gè)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(cè)定各接收基陣接收到的信號(hào)相位差來確定接收基陣到拖魚的相對(duì)方位角；通過測(cè)定聲波到接收基陣的時(shí)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(duì)距離，從而確定拖魚的相對(duì)位置。

圖1 超短基線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

應(yīng)用由3個(gè)收發(fā)基陣組成的最簡(jiǎn)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(gè)基陣的坐標(biāo)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(biāo)為(x，y，z)，以位于坐標(biāo)原點(diǎn)的基陣為基準(zhǔn)點(diǎn)，可以計(jì)算得到和其他2個(gè)基陣的相位差計(jì)算公式：

(1)

(2)

其中，坐標(biāo)原點(diǎn)與拖魚上的目標(biāo)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(shí)際生產(chǎn)中斜距r遠(yuǎn)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(zhǎng)；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(shí)間間隔。

公式中，相位差φ12、φ23可以使用儀器測(cè)量得到，聲波的波速v、時(shí)間間隔Δt也可以測(cè)量得到，因此可以計(jì)算得到斜距r，而聲波波長(zhǎng)λ為已知量，將上述數(shù)據(jù)代入公式(8)、(9)、(3)，最終可計(jì)算得到拖魚的坐標(biāo)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(shí)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(jìn)而才能盡可能降低顯著誤差，取得良好的測(cè)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(zhǔn)誤差。超短基線定位系統(tǒng)的坐標(biāo)由DGPS系統(tǒng)提供，同時(shí)船舶姿態(tài)傳感器提供船舶實(shí)時(shí)擺動(dòng)參數(shù)。上述系統(tǒng)在實(shí)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(shí)在實(shí)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(huì)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(huì)產(chǎn)生反射、散射、折射、擴(kuò)散等物理現(xiàn)象，上述情況都將影響測(cè)時(shí)準(zhǔn)確度。同時(shí)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(shí)際情況，建立聲波傳播通道的詳細(xì)模型，計(jì)算聲線傳播的詳細(xì)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(zhǔn)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(duì)海底電纜的運(yùn)行和維護(hù)要求將越來越高。對(duì)于側(cè)掃聲吶拖魚的水下精確定位將是海底電纜運(yùn)維工作的一項(xiàng)重要研究課題，本文對(duì)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(jìn)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(duì)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(cè)的若干問題[J].海洋測(cè)繪，1996(4)

[2] 羅聲榮.側(cè)掃聲吶和多波束測(cè)深系統(tǒng)在海洋調(diào)查中的綜合應(yīng)用[J].海洋測(cè)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(dòng)力定位中應(yīng)用的可行性研究[J].機(jī)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(jī)器人動(dòng)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(yùn)維工作。