HiPAP 100 水下定位系統及應用

肖昌榮 蔣青吉 李鵬

【摘要】本文概述了HiPAP100水下定位系統的組成及其工作原理，并分別就其超短基線和長基線兩項功能介紹了其在海洋調查中的廣泛應用，說明其在相關海洋調查中的重要性。

【關鍵詞】HiPAP；超短基線；長基線

1.引言

近年來人類的探索、開發逐漸向深海發展，深海中蘊藏著豐富的自然資源，包括石油天然氣、鈷結核、熱液硫化物以及天然氣水合物等資源，要準確找到這些海底寶藏，就需要對水下勘探設備進行精準的定位，水下定位系統的加入讓我們可以精確地定位資源富集區。

HiPAP100水下定位系統由廣州海洋地質調查局于2010年從挪威Kongsberg公司引進，其固定安裝于“海洋六號”船上，是一種基于聲音在水中傳播原理的定位參考系統。引進至今，該系統已服務于多種水下設備，例如ROV水下機器人、海底攝像、磁力深拖、聲學深拖等，為我國南海調查以及大洋調查中的水下設備提供了高精度定位，特別是在大洋29航次海底攝像作業中，HiPAP 100為水下5500米深、距母船近8000米的攝像拖體提供了較穩定的高精度定位。

“海洋六號”船上的HiPAP 100水下定位系統在我國是唯一的，因此對大多數人來說是陌生的。本文主要介紹HiPAP100水下定位系統的組成、工作原理和功能。

2.HiPAP家族

HiPAP是“高精度水聲學定位”的簡稱，是一種基于聲音在水中傳播原理的定位參考系統。HiPAP系統的主要功能是船舶與應答器的相對定位。該系統同樣可以用于監測傳感器數值，如溫度、壓力（水深）、傾斜和航向等。HiPAP系統也可以遙測控制水下系統，比如水聲控制系統和水聲接口記錄器。

首先了解下HiPAP家族，其共有五種類型：HiPAP100、350、350P、450和500，它們擁有共同的軟件和硬件平臺，因而可以提供相同的額外功能和選項。

HiPAP100使用球型換能器，含31個換能器元件，覆蓋范圍為±60°，是一種低頻系統，其工作頻率是10-15.5kHz，適用于深水區域，其作用范圍為1-10000m，其余四種系統則都是中頻系統，工作頻率為21-31kHz；[1]

HiPAP350和350P都使用半球型換能器，含46個換能器元件，覆蓋范圍為±60°，作用范圍為1-3000m，其中HiPAP350是固定的船上系統，而HiPAP350P是一種便攜式系統；

HiPAP450使用球型換能器，為固定的船上系統，它具有與HiPAP350系統一樣的操作和技術性能，同時有著與HiPAP500一樣的換能器元件，雖然只有46個元件，覆蓋范圍為±60°，作用范圍為1-3000m，另外它可以升級為與HiPAP500一樣的性能；

HiPAP500使用球型換能器，含241個換能器元件，覆蓋范圍為±100°，作用范圍為1-4000m，為固定的船上系統。[2]

由于HiPAP100適用于深水區域，所以HiPAP100系統能更充分地滿足作業的要求。

3.HiPAP100系統組成及定位原理

3.1 HiPAP100系統組成

HiPAP 100是挪威Kongsberg公司生產的綜合長基線和超短基線功能的水下定位系統，為水下移動目標（ROV、AUV、拖拽體等）定位，亦可利用固定應答器為船舶定位，還可用作動力定位系統的第二參考系。

HiPAP 100分為兩部分：水面部分和水下部分，如圖1所示。水面部分包括：操作站、收發機、帶換能器的升降裝置、升降控制單元、遙控單元；水下部分包括：應答器、響應器和應答器陣，應答器由船舶發射的聲音脈沖信號觸發，且在正常時回應1、2或者3個應答脈沖，響應器通過電纜由電脈沖信號觸發，應答器陣由海底下的一組應答器組成，用于長基線定位。

此套系統可以為中、深水海域（3000-6500米）進行的海底攝像、海底電視抓斗、ROV系統、各種拖曳系統和地質取樣等海洋調查手段提供高精度定位。長基線標稱定位精度能達到亞米級；超短基線標稱定位精度能達到斜距的0.2%。

HiPAP 100水下定位系統是一種低頻水下聲學定位系統，其超短基線定位部分的工作頻率：13-15.75kHz（接收）；10-12.5kHz（發射）；12.125-12.875kHz（通訊），最大的測距長度為10000米，測量精度為測距長度的1.8‰，角度精度為0.1°。[3]

3.2 HiPAP100定位原理

（1）HiPAP100的斜距測量原理

當HiPAP系統測量斜距時，它先向水下發送一個聲波信號（詢問信號），并啟動“秒表”，當應答器接收到詢問（事實上是不同頻率的兩個脈沖）后，它將以自己的發射頻率作出回應?；貞悬c點延遲，即應答器的反應時間。當應答器的回應到達船舶的換能器，HiPAP系統將停止“秒表”。根據下面的公式，就能計算出斜距。

SR=[（t-TAD）/2]VoS{m}

其中：SR=斜距，t=秒表中時間，TAD=返回延遲，VoS=聲速。

（2）HiPAP100超短基線系統定位原理

HiPAP100超短基線的聲學單元有31個，集中安裝在一個收發器中，組成聲基陣，聲單元之間的位置精確測定，組成聲基陣坐標系，聲基陣坐標系與船坐標系的關系在安裝時精確測定，包括位置（X、Y、Z偏差）與姿態（橫搖、縱傾、水平旋轉）。[4]

系統通過測定聲單元的相位差來確定換能器到目標的方位（垂直和水平角度），通過測定聲波傳播的時間，再用聲速剖面修正波束線來確定距離。

對于一個以上的SSBL應答器，一次只能向其中一個詢問。所有的應答器都有相同的TAD（時間延遲），但有各自的詢問頻率，全系統的應答器依次工作。測量時，船載系統（HiPAP 100水面部分）以寬波束尋找應答器，成功后即以窄波束聚焦定位。如圖2所示。

（3）HiPAP100長基線系統定位原理

當詢問長基線系統陣列時，我們使用同一個脈沖，每個應答器都有自己特殊的響應信號和時間延遲（TAD），也就是說換能器不會同時接收到應答器發出的信號。整個系統以平行的方式工作。海底應答器之間的距離，即基線范圍很大，一般在50～2000m范圍內。在開始長基線定位前，需先校準基線。

HiPAP系統的測量范圍是自船上的發射器到海底的應答器。HiPAP知道應答器的位置。每個范圍測量顯示發射器位于以應答器為中心范圍允許內的半徑的球面上。若要測量一個以上的范圍，發射器的位置必須在球面間的交叉點上。

通常已知換能器的深度。在這種情況下，每個范圍測量均顯示發射器位于應答器周圍球面與發射器水平面交叉橫截面所形成的圓圈內。圖解見圖3。圓圈畫在應答器深度平面與3個球面的交集處。通常每個測量中都會有噪音?？梢姏]有讓3個圓交于一點，每個圓都有3個交集。可以假定位置在3個橫截面的交集三角中。

在對目標進行測量時，方向和范圍都會用于計算中。在淺水區，若用精確的HiPAP發射器，則方向測量可給出更精確的范圍。

通常測量的比必須的范圍多，彼此相近交叉電的數量會增加。位置的最佳推斷仍然在這些交差點之間的空間的某處。

程序使用加權最小平方誤差的運算法則來確定位置，該運算法則為反復式，誤差是所測量的范圍同相應的以船舶位置為基礎用畢達哥拉斯定律計算出來的范圍間的差值。[6]

LBL定位更難操作，因為它比SSBL需要更多的應答器，但在更深的區域可給出更精確的數值。

4.HiPAP100系統的特點

水是一種傳播聲音的復雜介質，有很多不同的物理因素影響聲音信號的傳播。HiPAP100系統利用各種方式減少外界因素對的水聲傳播的影響。

（1）噪聲是影響水聲信號的一個因素。噪聲源于船舶自身（設備，電機，推進器等），也可能來自附近的設備裝置，船舶，ROV，地震活動，還可能來自波浪。另外，船在水中運動形成氣泡，換能器無法在被空氣阻隔的條件下發送、接收聲音信號。

HiPAP依靠升降系統降低換能器深度，使換能器遠離船只產生的氣泡和其他噪聲源。

（2）水面、海底和水下結構會反射聲波，對正常的水聲信號加以影響使其失真。因此在設計HiPAP系統時，已通過軟硬件信號檢測、濾波技術來消除這種影響。

（3）從海面到海底，不同溫度、鹽度的水體分為很多層，每層的聲波傳播速度都不同，故稱這些水層為聲速層。當聲波穿過不同聲速層，就產生了折射。從水面至水底，聲速增大時，聲波射線向上彎曲，反之聲波射線向下彎曲。 垂直射線沒有彎曲。

把聲速剖面輸送到HiPAP系統，用來計算聲波射線彎曲的偏角，補償聲波射線彎曲造成的影響，得到更準確的定位計算。

（4）由于HiPAP100系統換能器的覆蓋范圍為±60°，應答器的覆蓋范圍為±30°，在作業準備過程中需要根據作業深度調整應答器在水下設備上的安裝角度，以達到最佳的效果。

5.HiPAP100的應用與展望

隨著海洋的探索與開發往深海發展，水下的精準定位越來越重要，HiPAP100水下定位系統在海洋調查中的作用越來越明顯。自引進以來，“海洋六號”上的HiPAP100系統主要是使用其超短基線功能，主要運用于ROV水下機器人、海底攝像、磁力深拖、聲學深拖等水下設備的精確定位。

相對于廣海局現有的其他兩套水下定位系統而言，HiPAP100系統具有明顯的作業深度和作業范圍的優勢，但在實際應用中，它的不足也日益明顯，例如長時間水下定位工作面臨的應答器電池使用時間問題，還有長基線功能僅適用于母船，不能為水下設備做精準定位，這就意味著長基線功能只能作為動力定位的第二參考系，其應用價值就不如為水下設備定位了。針對HiPAP100系統應用中出現的應答器電池問題，提出了應答器電源改造的方案，改造正在進行中，相信改造后可以滿足水下設備長時間工作的需求。

至于長基線功能，寄希望于日后可以實現對水下設備進行定位的功能，今年“潛龍一號”AUV的水下定位使用的就是長基線功能，雖然它需要前期長時間的準備工作，例如布陣、校準基線等，但是其定位精度更高，在特定定位區域內可以提供高精度的定位數據，對于精準定位海底資源的位置來說是意義重大的。

參考文獻

[1]Kongsberg Maritime AS公司.HiPAP system instruction manual，2007，3.

[2]Kongsberg Maritime AS公司.HiPAP Family，2007.

[3]蔣青吉.HiPAP 100 水下定位系統在海底攝像中的應用，2013.

[4]Kongsberg Maritime AS公司.HiPAP system instruction manual，2007.

[5]Kongsberg Maritime AS公司.HiPAP system instruction manual，2007.

[6]Kongsberg Maritime AS公司.APOS_LBL_and_MULBL_Course，2010.

作者簡介：肖昌榮（1985—），男，助理工程師 ，研究方向：導航系統。