水聲定位在動力定位系統中的應用和試驗方案

景年順　饒展　賀樂

摘 要：本文簡述了動力定位系統（DP-2）的基本組成和工作原理，著重分析了本型船舶的特色裝備——高精度水聲定位系統（HIPAP）及其輔助系統聲速剖面修正系統（svp）在動力定位中的應用及試驗方案。

關鍵詞：高精度水聲定位系統；動力定位系統；聲速剖面修正系統；試驗方案

中圖分類號：U666.7 文獻標識碼：A

1 引言

圍繞海洋權益的國際爭端不斷增加，其中尤以爭奪海洋資源問題最為突出，海上權益已成為各國的關注焦點。隨著我國國力的日益強大及海洋開發技術的發展，海洋平臺建造以及海底資源開發將逐漸增多。為此，我司打造了一型基于動力定位系統（DP-2）的高科技工程船舶。同時為了滿足DP-2雙冗余雙備份的技術要求，本船除了配備標準的DGPS位置參考系統外還配備了高精度水聲定位系統（HIPAP）以及聲速剖面修正系統（SVP），以實現定位方式的備份和提高定位的可靠性。

2 動力定位（DP-2）控制系統

DP就是我們常說的動力定位系統，它涉及船位測量技術、船舶水動力和操縱性、現代控制理論和智能控制、實時控制計算機系統、海洋環境力測量、動力裝置和推力器性能以及仿真技術等，其作用是在風、浪、流、涌的干擾情況下，不借助錨泊系統，通過位置參考系統（如DGPS，HIPAP）、航向參考系統（如電羅經）、運動參考系統（MRU2＼MRU5）、環境參考系統（如風速風向儀），將各種傳感器所收集的數據送到處理單元進行計算，并將計算結果與模型中的預定數據做比較后，通過調節自身的推力器系統（如全回轉推進器，首側推等）使船舶實現對縱蕩、橫蕩、 首搖三個自由度的控制，從而保持船在設定的位置和首向，或者使船按設定運動軌跡運行的閉環控制系統，基于此來完成各種復雜的水面和水下作業；（DP-2）中的2表示Class2，是DNV等船級社規范里的等級，簡單的理解就是具備兩套各自獨立的控制器、環境傳感器以及不間斷電源（UPS），并配備兩套母聯的智能電站工作的系統，它們相互備份，即冗余系統。由于本型船在作業時經常需要按預定軌跡低速航行或保持位置，可見DP-2系統實為該型船舶的必備及核心裝備。

本船的基本配置（由康斯伯格公司提供）如下：兩套冗余控制器、兩套操作站，兩套差分GPS、兩套衛通差分（SPOTBEAM）、兩套地面臺差分（IALA）、兩套羅經、三套運動傳感器、兩套風速風向儀、兩套不間斷電源、一套簡易控制站、一套數據記錄儀以及一臺報警打印機。

3 高精度水聲定位系統（HIPAP）

高精度水聲定位系統（HIPAP）由操作站、收發機、攜帶換能器的升降機構（可伸出船體下5m）、升降機構操作臺、升降機構遙控操作面板、海底閥以及水聲應答器組成。 當海底閥打開，換能器被升降機構伸出置于船體下部，應答器被布置到海底后，換能器便可以發出詢問信號。應答器時刻監聽詢問信號，當應答器接收到詢問信號后其以自身頻率進行應答。換能器接收到應答信號后便可以測定其到應答器的距離和方向。這種方式通過利用海底應答器可以確定船舶的位置，是獨立于DGPS位置參考系統的第二類位置參考系統。實際使用時根據所匹配的換能器個數與水聲應答器的個數的不同，又可以分為LBL（長基線水聲定位）、SBL（短基線水聲定位）和SSBL（超短基線水聲定位）三種定位方式，目前我船的配備為換能器一個（Hipap 350型）、SPT319/R應答器（大型帶釋放機構）兩個和MST319/N應答器（小型懸浮式）4個，主要用于實現SSBL定位，即超短基線水聲定位，如圖1所示。

4 聲速剖面修正系統（SVP）

聲速剖面修正系統（SVP）實際是一個水聲定位系統的輔助系統。根據聲學原理，聲音在水中的傳播速度依賴于鹽度和溫度，聲速隨水溫增加而增快，隨水溫降低而減慢，隨鹽度增加而增快，隨鹽度降低而減慢。從海面到海底根據深度不同有很多個鹽度層與溫度層。當聲波通過不同的溫度層和鹽度層時，聲線方向會發生彎曲。當從水面到水底的速度增大（鹽度/或溫度更高）時，聲信號路徑將向上彎曲。當從水面到水底的速度減小（鹽度/或溫度更低）時，聲信號路徑將向下彎曲，如圖2所示。

聲波沿著一條因鹽度和溫度分層的、從海面到海底而往返于換能器與應答器之間的路徑，就產生了誤差，這個誤差隨深度的增加而增大，例如在本船設計的300 m深的水下進行高精度作業時，聲波往返的總行程就達到了600 m，這個誤差被成倍甚至是成數量級的放大，這在高精度的水下作業時是不允許存在的。聲速剖面修正系統（SVP）的作用，就是利用絞車在作業海域垂直釋放一個聲速測量拖曳（釋放的深度由作業的深度決定），該拖曳在入水后不斷釋放聲速測量聲波，同時拖曳自身配備有壓力傳感器，可以通過實時的壓強測量來判定當前所處的深度，只要在入水前對其設定一個固定層深（單個剖面的厚度），那么在入水后它就能在垂直面上將作業海域分成一個個有固定厚度的水層，通過下潛采集到一組依據深度排序的水層的剖面聲速并記錄在其內部的存儲器上，回收拖曳后再將存儲器上的數據導出到儀器配套的數據分析軟件中，經過軟件分析處理之后形成隨深度增加的聲速變化表，這時只要將該表導入到水聲定位系統中，定位數據的測量值就能依據表格數據自動獲得實時的深度聲速校正，從而大大提高了水聲定位系統的定位精度。

5 水聲定位系統及聲速剖面修正系統試驗

由于高精度水聲定位系統（HIPAP）的定位驗證試驗，需要向水下投放聲學應答器，而我們之前從未有過類似經驗可以借鑒，所以其專項試驗是復雜且具有挑戰性。

5.1 試驗條件

根據試驗項目要求必須做三次水平移動且首次水平位移時必須保持安全距離20 m，因此，我們設定水平移動最遠距離≥80 m（考慮了船寬約18 m和運動慣性），同時換能器有+-60°的開角的性能限制；另一方面又要保證船離開應答器達到水平最遠距離時還能接收到信號，依據公式：

即算得了最小水深46.2 m的理論值，另外再加上應答器自身的長度1.47 m以及本船的吃水深度甚至換能器伸入水面下的長度，我們將試驗海區的深度鎖定在50 m水深處。

定位試驗還要求能抵抗3級海況，考慮到安全問題，選擇較好的天氣及較好的能見度的海域，同時水面無移動船只。最后根據各方人員的經驗，綜合安全性、經濟性、可行性與未來天氣狀況，選定在50 m深、半徑200 m的較少船只經過的萬山海域進行試驗。

5.2 試驗方法

試驗位置選好后，我們著手考慮應答器的回收、本船推進器對其產生的噪聲影響以及推進器會將應答器吸入（由于MST319/N是小型非固定式懸浮應答器）的情況，同時考慮海流、風這些影響本船與應答器相對位置的因素。特別是在還未獲得應答器的水下位置回應時，我們必須設置信標估算應答器的位置。因此在投放前我們必須對投放位置及方法做全面的分析。

投放方式上，我們采取繩作為回收與控制的索具，底部拴住應答器并聯接鐵塊做重物，繩長每10m結一繩結做記號，根據水深50 m只放45 m（不能沉海底，防止拖曳時卡住，同時應答器沉底倒置后也不利于信號接收）左右處結橙色救生圈一個，做懸浮位置標記，以判斷我船與其相對位置，同時提供浮力，使應答器在重物的拉力下于水中懸浮。當然這是小型的MST319/N，面對長達1.47 m、重達25 kg（另有570mm×375mm的攜帶浮子）的SPT319/R我們專門制定了另外一套方案：浮筒一個，提供35 kg的浮力，通過計算應答器加浮筒重量和浮筒所提供的浮力，由廠里制作25 kg水泥塊數個（備用）以鐵鏈連接其底部可遠程控制脫鉤的鎖具作為壓載重物，從而讓應答器保持懸浮于水下的狀態，應答器頂部扣環依舊連接繩索作為回收用，于45 m處系橙色救生圈一個當位置標示，而后根據位置布放示意圖拋放至水下，如圖3示。

5.3 試驗方案改進

我們參考了廠家的資料做出以上的方案，試驗后總結出兩個弊端并作了改進：

（1）小型應答器即便系著重物壓鐵，但依然會被強海流帶走，太重的重物又造成了不易回收的局面。對于實測50 m的海底，我們必須投放60 m左右的繩（多出的繩用于拖曳時的操作），海面標系物也要結到50 m處為合適，否則會被拉入水面下，造成無法估計應答器位置，這時貿然操船會將繩卷入主推或側推槳葉中，這是非常危險的情況；

（2）大型應答器的遙控鎖扣的扣縫相當窄，在遙控脫扣后有時重物并未能與應答器分離，造成了應答器無法回收，為了避免此風險，施工人員利用浮標繩索強行收回了應答器，避免了損失。事后分析，在脫扣時的瞬時作用力讓原本豎直受力的鐵環震動，形成一個傾斜于扣逢的角度橫在了扣縫中，而扣縫本身狹小，使扣具沒有足夠的空間彈開，于是在浮筒拉力的影響下就扣死在了一起，無法分離。該問題經我們研究后采取短繩替代，該短繩在選取時應做承力計算和試驗。

5.4 試驗部署

首先，在進行動力定位試驗前，必須再次確認所有設備都進行過完整的功能試驗，并運轉正常，允許轉換到DP操作狀態。

整個試驗部署如下：

（1）甲板區域：由于需要甲板吊機的配合收放大型應答器SPT319/R，所以該區域要安排一名起重工負責起重；安排一名有豐富航海經驗的水手攜帶對講機作觀察瞭望，負責實時監控應答器相對于本船的位置及海面狀況，在突發情況時指揮船舶轉入手動操舵；安排應答器回收水手若干，該部分人員由于需要在舷邊工作，必須穿戴救生衣。收放命令由駕駛室指揮。

（2）工作艇區域：安排經驗豐富的舵手隨艇操船并由水手釋放應答器。為確保安全，要求攜帶一名配備對講機的報務人員隨船作通訊兼應急調配；工作艇釋放機構安排專業水手操作，并安排安全監督員一名。全員必須穿著救生衣，聽駕駛室指揮命令改變船位與收放小型應答器MST319/N。

（3）水聲聲吶艙：安排船員和鉗工各一名在現場負責海底閥門的開關，以及換能器收放的本地監控（試驗時換能器收放在駕駛室遙控控制），現場人員應該有應對突發狀況的經驗，并對可能出現的下列三種突發情況，提前做好應對策略：

第一，海底閥漏水。先手動回收換能器，再進行閥門的關斷操作；

第二，遙控未完全回收。一定要觀察換能器是否完全回收完畢，防止換能器因限位開關故障造成未完全收回即關斷海底閥，導致換能器的損壞；

第三遙控失控。立即轉為手動操作，務必防止盲目操作而損壞換能器。

該處所有通訊借助直通駕駛室的聲力電話完成。

（4）船首甲板：安排操作絞車的水手與聲速剖面儀（SVP）服務工程師配合完成該系統的水下聲速剖面數據的采集，由服務工程師攜帶對講機與駕駛室試驗指揮者溝通。該處情況可由駕駛室窗口直接觀察到。

（5）DP操作區域：由具有DP操作資格的海員操作，服務商與我廠技術人員在一旁職守，直接接受試驗命令。

（6）駕駛室：由船長把控本船所有動向，試驗指揮者在征詢船長同意后方可開始試驗，舵手時刻在操舵臺待命，隨時準備接受船長下達的操舵指令，接過船舶操縱權；機艙實時監測所有動力系統與電站的運行狀態；所有視頻監視系統的攝像頭交予駕駛室遙控，并將視頻投送到駕駛室顯示屏顯示，借助此系統可以了解甲板、工作艇及舷邊海面的情況；試驗總指揮利用對講機向每個區域的負責人下達試驗指令，區域負責人根據現場情況指揮專業人員實施，安全監督員確保所有操作均符合安全操作規定的要求，機艙及聲吶艙部分的通訊借助船上的聲力電話完成，以保障一切試驗安全、有序的進行。

此外，一定要保障廣播系統工作正常，用作應急時的指揮手段。

6 結束語

在理論方面，通過對水聲定位系統的分析，加深了我們對此系統的理解，熟悉了系統的性能及其在動力定位系統中的應用，有助于其專項試驗的實施與掌控。在試驗方面，通過對試驗過程的摸索與實踐，我們不斷對原始的方案進行修改與完善，最后總結出了一套高效而經濟的試驗方案，為日后類似系統的船舶試驗提供了借鑒。

參考文獻

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