張同偉，秦升杰，唐嘉陵，王向鑫

(1. 國家深?；毓芾碇行?，山東 青島 266237; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061; 3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室海洋觀測與探測聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237)

海洋約占地球表面積的71%，是地球上尚未被人類充分認(rèn)識和利用的最大潛在資源基地。在海底及海洋中，蘊(yùn)藏著極其豐富的生物資源及礦產(chǎn)資源。然而，在海洋中，超過2000 m水深的深海區(qū)占海洋面積的84%。因此，地球表面大部分是深海。

潛水器是潛入深海進(jìn)行科學(xué)研究和調(diào)查作業(yè)必不可少的運(yùn)載作業(yè)裝備[1-4]，它主要分為無人潛水器(UUV)和載人潛水器(HOV)。其中無人潛水器又分為遙控?zé)o人潛水器(ROV)和自主式無人潛水器(AUV)。利用各類潛水器開展深海資源調(diào)查和科學(xué)研究不能忽略的一個重要問題是潛水器的水下定位問題，而海洋的介質(zhì)環(huán)境決定了聲比光和電磁波更適合作為水下定位技術(shù)的傳播載體。

根據(jù)接收基陣基線長度來分類，水下聲學(xué)定位技術(shù)可以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)3種[5-7]。超短基線定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)成簡單、操作方便、便于大范圍機(jī)動作業(yè)等，但缺點(diǎn)是定位精度與深度有關(guān)，且定位結(jié)果由母船直接獲得，水下載體則需要通過光纜/電纜或水聲通信獲得定位信息。對于有纜的ROV，尚且能夠做到較高的實(shí)時性，但對于無纜的AUV等，受限于聲音傳播速度、通信周期等，往往存在較大的延時。長基線定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)[8-11]是定位精度高(與作業(yè)深度無關(guān))、實(shí)時性好(潛水器實(shí)時解算自身位置),缺點(diǎn)是需要投放信標(biāo)陣列,設(shè)備和時間成本較高。在深海作業(yè)支持領(lǐng)域，一些作業(yè)需要更精確的定位，這就需要長基線定位系統(tǒng)。

本文首先介紹了長基線定位的基本原理、系統(tǒng)組成和布陣原則，然后系統(tǒng)介紹了法國iXblue、挪威Kongsberg和英國Sonardyne等公司的3款典型深海長基線定位系統(tǒng)，并分析了國內(nèi)發(fā)展情況，最后展望了深海長基線定位系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1 長基線定位系統(tǒng)

1.1 基本原理

在長基線定位系統(tǒng)中，被測水下載體上的問答機(jī)向各應(yīng)答器發(fā)出詢問信號，并接收各應(yīng)答器的應(yīng)答信號，通過信號傳播時延差，列出解算方程，最終確定被測載體的三維位置坐標(biāo)。長基線定位系統(tǒng)解算方法具有多種解算模型，如利用距離信息的球面交匯模型和利用距離差信息的雙曲面(雙曲線)交匯模型。在實(shí)際應(yīng)用中，一般較少利用雙曲面(或雙曲線)交匯模型，而常用球面交匯模型。

從原理上講[12-13]，系統(tǒng)導(dǎo)航定位只需要2個海底應(yīng)答器即可，但是這樣會產(chǎn)生目標(biāo)的偏離模糊問題，而且不能測量目標(biāo)的水深；在已知應(yīng)答器和問答機(jī)的深度或深度差時，則需要3個海底應(yīng)答器即可唯一確定目標(biāo)位置；在不知問答機(jī)換能器的深度時，是3個海底應(yīng)答器對應(yīng)的3個球面交匯，有雙解，一個在應(yīng)答器構(gòu)成的平面之上，一個在平面之下。為得到唯一解，需用4個海底應(yīng)答器。圖1給出了長基線定位系統(tǒng)的工作原理示意圖。

圖1 長基線定位系統(tǒng)工作原理示意圖

1.2 系統(tǒng)組成

長基線定位系統(tǒng)包括兩部分：一部分是水下移動載體上的問答機(jī)(收發(fā)換能器)，另一部分是一系列已知位置的固定在海底的應(yīng)答器，至少3個，并構(gòu)成一定的幾何形狀。應(yīng)答器之間的距離構(gòu)成基線，基線長度在幾百米到幾千米，甚至幾十千米之間。如果工作在同步模式，問答器和應(yīng)答機(jī)上還需要分別配備高精度同步時鐘。通常，問答器安裝在水下載體的上部或下部，以避免遮擋。

1.3 布陣原則

長基線定位系統(tǒng)信標(biāo)布放應(yīng)遵循以下基本原則：

(1) 各信標(biāo)必須實(shí)現(xiàn)對作業(yè)位置及其附近區(qū)域的有效覆蓋，以保證該區(qū)域的定位精度。

(2) 各信標(biāo)應(yīng)盡可能構(gòu)成有規(guī)則的幾何形狀。

(3) 各信標(biāo)應(yīng)盡可能避開水下載體的作業(yè)軌跡。

(4) 應(yīng)根據(jù)潛標(biāo)投放位置的深度設(shè)計潛標(biāo)，使信標(biāo)處于水下載體主要作業(yè)深度正負(fù)100 m以內(nèi)。

2 深海長基線定位系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

目前國外長基線定位技術(shù)比較成熟，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)長基線定位系統(tǒng)的產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化、系列化。國際上主要的長基線定位系統(tǒng)生產(chǎn)廠商主要有法國iXblue、挪威Kongsberg、英國Sonardyne等公司(見表1)。

表1 典型深海長基線定位系統(tǒng)對比[14-16]

2.1 法國iXblue公司的RAMSES 6000

法國iXblue公司的RAMSES型產(chǎn)品屬于新一代長基線定位系統(tǒng)，它分為中頻型(20～30 kHz)和低頻型(8～17.5 kHz)。其中低頻型又稱為RAMSES 6000(如圖2所示)，其最大作業(yè)深度為6000 m，最大作用距離為8000 m，測距精度為0.05 m。得益于iXblue公司強(qiáng)大的技術(shù)基礎(chǔ)和完整的研發(fā)團(tuán)隊，RAMSES 6000最大的特點(diǎn)是組合兼容性強(qiáng)，數(shù)據(jù)融合技術(shù)獨(dú)特。RAMSES 6000可與iXblue公司的POSIDONIA II超短基線和PHINS慣導(dǎo)構(gòu)成一套完整的模塊化水下導(dǎo)航系統(tǒng)，提供穩(wěn)健、高更新率的定位信息。

圖2 法國iXblue公司的RAMSES 6000

RAMSES 6000既可以作為常規(guī)的長基線定位系統(tǒng)使用，也可以與iXblue公司慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行緊組合使用。當(dāng)作為常規(guī)長基線使用，且水下載體的深度信息已知時，它至少需要在海底布放3個應(yīng)答器；當(dāng)水下載體的深度信息未知時，則最少需要4個海底應(yīng)答器；當(dāng)它與慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行緊組合時，RAMSES 6000則可以減少對海底應(yīng)答器的依賴，最少需要1個即可實(shí)現(xiàn)常規(guī)長基線的定位精度。RAMSES 6000所采用的稀疏海底應(yīng)答器定位方案，可以大大減輕布陣、測陣帶來的高昂代價?；诩磿r定位與地圖構(gòu)建(SLAM)校準(zhǔn)技術(shù)，RAMSES 6000支持更加靈活的海底應(yīng)答器布陣，而且可以在短時間內(nèi)(30 min)完成海底應(yīng)答器陣型的校準(zhǔn)。

得益于RAMSES 6000出色的深海定位性能，它已經(jīng)成為法國海洋開發(fā)研究所(Ifremer)的Nautile號載人潛水器和VICTOR號 ROV等深海裝備的主要定位工具。在國內(nèi)，7000 m載人潛水器蛟龍?zhí)柋闶沁x用了該產(chǎn)品作為主要水下聲學(xué)定位設(shè)備。

2.2 挪威Kongsberg公司的cPAP17

挪威Kongsberg公司專門為ROV或其他有纜載體/模塊開發(fā)了cPAP系列高精度長基線定位系統(tǒng)。cPAP系列包括中頻段cPAP34和低頻段cPAP17。它們可以采用兩種聲學(xué)協(xié)議，即新Cymbal(PSK)協(xié)議和HiPAP/HPR(FSK)協(xié)議。Cymbal是一種用于通信和定位的全新聲學(xué)協(xié)議，它采用基于相移鍵控的直序擴(kuò)頻技術(shù)(DSSS)，可以有效抑制多途干擾。

所有的cPAP系列長基線定位系統(tǒng)都擁有相同的軟件和硬件平臺。其中，cPAP17(如圖3所示)的工作頻帶為10～16 kHz，其最大作業(yè)深度為7000 m，最大作用距離為8000 m，測距精度為0.02 m。cPAP17的水下收發(fā)機(jī)單元采用模塊化設(shè)計，其換能器、收發(fā)機(jī)電路和端蓋模塊均可根據(jù)實(shí)際用途進(jìn)行替換。此外，Kongsberg公司開發(fā)的聲學(xué)定位操作站(APOS)可以采用批處理方式對長基線陣型進(jìn)行快速校準(zhǔn)。

2.3 英國Sonardyne公司的ROVNav 6

針對海洋油氣資源開發(fā)中的大量ROV的使用，以及對高精度導(dǎo)航定位的需求，英國Sonardyne公司先后開發(fā)了一系列長基線定位系統(tǒng)，如Prospector系列、Dunker 6系列、Fusion 6G系列和ROVNav系列。ROVNav 6(如圖4所示)是最新一代6G Wideband 2長基線問答機(jī)，是專門為作業(yè)級ROV設(shè)計的。針對作業(yè)級ROV嘈雜的背景噪聲，ROVNav 6采用Sonardyne Wideband 2信號處理技術(shù)來提高其測距性能。ROVNav 6屬于中頻段，其工作頻帶為19～34 kHz，其最大作業(yè)深度為7000 m，測距精度為0.015 m。

圖3 挪威Kongsberg公司的cPAP17

圖4 英國Sonardyne公司的ROVNav 6

隨著其寬帶數(shù)字技術(shù)的不斷成熟，Sonardyne推出了融合數(shù)字水聲通信技術(shù)的Compatt系列長/超短基線信標(biāo)。過去為測量鄰居的信標(biāo)，并將單次測距結(jié)果遙控傳輸給長基線問答機(jī)，需要在基線采集模式下啟動每一個信標(biāo)，導(dǎo)致一次只能測量一條基線。由于Compatt信標(biāo)可以同時工作在多種模式下，而不需要每次都啟動一種模式，使得Compatt信標(biāo)可以同時對陣型中的其他Compatt信標(biāo)進(jìn)行測距，并存儲測距結(jié)果，然后再遙控傳輸給長基線問答機(jī)。這種由單基線依次測量到多基線同時測量的改變，可以大大提高陣型測量的效率。例如，對于一個8元Compatt陣，過去需要90 min以上才能完成陣型測量，而現(xiàn)在需要不足15 min就可以完成測量。

當(dāng)ROV處于應(yīng)急狀態(tài)時，ROVNav 6可以工作中超短基線模式，作為超短基線應(yīng)答器，與Sonardyne超短基線配合完成定位。其內(nèi)置鋰離子充電電池可以保證ROV失去電力情況下的再定位。

2.4 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

2004年，中國測繪科學(xué)研究院與中船重工710研究所聯(lián)合研制了“水下DGPS高精度定位系統(tǒng)”，能夠?yàn)樗潞叫衅魈峁┚_的定位和授時。哈爾濱工程大學(xué)多年來圍繞長基線定位技術(shù)開展了大量研究，研制了國內(nèi)第一套高幀率、大范圍、無線電遙控浮標(biāo)陣的GRAT長基線定位系統(tǒng)[15]。近年來，哈爾濱工程大學(xué)研發(fā)了深海高精度水聲綜合定位系統(tǒng)，將超短基線、長基線定位技術(shù)進(jìn)行了深度融合，解決了海洋聲速慢、平臺運(yùn)動帶來的大時延異步高精度定位難題，成功支撐了“深海勇士號”載人潛水器首航試驗(yàn)。

3 深海遠(yuǎn)程長基線發(fā)展趨勢

通過對國內(nèi)外典型長基線定位系統(tǒng)的比較分析，以及參考其他一些系統(tǒng)，可以得出深海長基線定位系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是陣型快速標(biāo)定、長基線與超短基線相結(jié)合、長基線與高速數(shù)字水聲通信相結(jié)合、多AUV移動長基線和單信標(biāo)輔助導(dǎo)航。

3.1 陣型快速標(biāo)定

長基線定位系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是需要投放信標(biāo)陣列，并進(jìn)行陣型標(biāo)定，往往需要花費(fèi)大量的時間和精力。這是由于傳統(tǒng)的長基線通常采用逐次標(biāo)定的方式造成的。當(dāng)采用水面船舶超短基線對信標(biāo)進(jìn)行絕對位置測量時，往往需要船舶圍繞信標(biāo)航行一個圓形軌跡，通過多次多角度測量的方式提高測量精度。如果能夠在信標(biāo)上增加數(shù)據(jù)傳輸功能，采用批處理的方式對信標(biāo)間基線的相互測量，完成相對陣型標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)長基線陣型的快速標(biāo)定。在這方面，挪威Kongsberg公司和英國Sonardyne公司是先行者，它們的長基線定位系統(tǒng)均具備快速陣型標(biāo)定能力。

3.2 長基線與超短基線相結(jié)合

長基線的優(yōu)點(diǎn)是定位精度高，且與深度無關(guān)，缺點(diǎn)是需要投放信標(biāo)陣列，設(shè)備和時間成本較高。超短基線聲學(xué)換能器陣安裝在船底/側(cè)舷，其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)動靈活，便于大范圍機(jī)動作業(yè)。如果將長基線與超短基線相結(jié)合，開發(fā)長/超短基線組合定位系統(tǒng)，既可以保證定位精度獨(dú)立于工作水深，又兼具超短基線機(jī)動靈活的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對水下載體的連續(xù)高精度導(dǎo)航定位。在這方面，英國Sonardyne公司是先行者，已推出LUSBL組合定位系統(tǒng)。

3.3 長基線與高速數(shù)字水聲通信相結(jié)合

長基線定位系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)的高精度定位跟蹤，數(shù)字水聲通信則是水下無線信息獲取、傳輸和控制的首要技術(shù)手段。除有纜水下裝備(如ROV、深拖等)，大多數(shù)海洋調(diào)查裝備都需要數(shù)字水聲通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，或指令交互。如果能夠?qū)㈤L基線和高速數(shù)字水聲通信相結(jié)合，在長基線問答機(jī)和應(yīng)答器(信標(biāo))上增加數(shù)字通信功能，則可實(shí)現(xiàn)長基線問答機(jī)和水面船舶、長基線應(yīng)答器之間，以及問答機(jī)與應(yīng)答器之間的數(shù)字通信傳輸。在這方面，英國Sonardyne公司是先行者，其推出的長基線定位系統(tǒng)和Compatt信標(biāo)都具備高速數(shù)字水聲通信功能。

3.4 多AUV移動長基線

傳統(tǒng)的長基線往往需要單獨(dú)在海底或海面布放多個信標(biāo)，以構(gòu)成數(shù)千米的定位基線，這也導(dǎo)致了工作量大、僅能在覆蓋區(qū)域進(jìn)行定位等缺點(diǎn)?，F(xiàn)在隨著AUV向集群化、協(xié)同化發(fā)展，如果將應(yīng)答器布設(shè)在多個協(xié)同作業(yè)的AUV上，主AUV內(nèi)部裝配高精度導(dǎo)航設(shè)備，從AUV內(nèi)部裝配低精度導(dǎo)航設(shè)備，通過測量AUV之間的相對位置關(guān)系，構(gòu)建多AUV移動長基線，可以實(shí)時獲取從AUV的位置信息。

3.5 單信標(biāo)輔助導(dǎo)航

長基線陣型的快速標(biāo)定可以大大提高標(biāo)定效率，但是多個信標(biāo)的布放和回收仍需要耗費(fèi)大量時間和精力。如果只利用海底固定的單只信標(biāo)提供測距信息，并結(jié)合水下載體上的慣導(dǎo)系統(tǒng)(或姿態(tài)傳感器+多普勒計程儀構(gòu)成航位推算系統(tǒng))，通過對航行路徑的合理規(guī)劃，則可實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)航定位，有效抑制慣導(dǎo)系統(tǒng)/航位推算隨時間漂移的問題。在這方面，法國iXblue公司是先行者，得益于該公司在姿態(tài)傳感器和慣性導(dǎo)航設(shè)備方面的強(qiáng)大研究實(shí)力，當(dāng)RAMSES 6000與其慣導(dǎo)系統(tǒng)緊組合時，它采用稀疏海底應(yīng)答器定位方案。

4 總 結(jié)

隨著深海開發(fā)技術(shù)的不斷完善，人們越來越深入地探索著海洋底部無窮無盡的資源，所采用的研究手段也越來越多，如載人潛水器、ROV、AUV、水下滑翔機(jī)、深拖系統(tǒng)、電視抓斗及其他探測設(shè)備。雖然大多數(shù)潛水器主要采用慣性導(dǎo)航與多普勒計程儀的組合導(dǎo)航定位模式，但是作為水聲定位技術(shù)中精度最高的長基線定位系統(tǒng)能夠?yàn)楦黝惿詈Ｌ綔y裝備直接提供絕對位置信息，被廣泛應(yīng)用于深海探測的導(dǎo)航定位中，為水下目標(biāo)探測、定位跟蹤、海底地形勘探和水下遙控作業(yè)等各種高精度作業(yè)提供技術(shù)支持，使得它在海洋資源調(diào)查和科學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

雖然世界上有多家公司和科研院所可以提供成熟的系列化長基線定位系統(tǒng)，但是隨著科學(xué)與技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類對深海水下定位技術(shù)也提出了越來越高的要求。通過對國內(nèi)外典型深海長基線定位系統(tǒng)的比較分析，并結(jié)合深海調(diào)查的實(shí)際需求，可以得出深海長基線定位系統(tǒng)的發(fā)展趨勢為：①陣型快速標(biāo)定；②長基線與超短基線相結(jié)合；③長基線與高速數(shù)字水聲通信相結(jié)合；④多AUV移動長基線；⑤單信標(biāo)輔助導(dǎo)航。