深海長基線定位系統現狀及展望

1 長基線定位系統

1.1 基本原理

在長基線定位系統中，被測水下載體上的問答機向各應答器發出詢問信號，并接收各應答器的應答信號，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。長基線定位系統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。在實際應用中，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]，系統導航定位只需要2個海底應答器即可，但是這樣會產生目標的偏離模糊問題，而且不能測量目標的水深；在已知應答器和問答機的深度或深度差時，則需要3個海底應答器即可唯一確定目標位置；在不知問答機換能器的深度時，是3個海底應答器對應的3個球面交匯，有雙解，一個在應答器構成的平面之上，一個在平面之下。為得到唯一解，需用4個海底應答器。圖1給出了長基線定位系統的工作原理示意圖。

圖1 長基線定位系統工作原理示意圖

1.2 系統組成

長基線定位系統包括兩部分：一部分是水下移動載體上的問答機(收發換能器)，另一部分是一系列已知位置的固定在海底的應答器，至少3個，并構成一定的幾何形狀。應答器之間的距離構成基線，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，問答器和應答機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

長基線定位系統信標布放應遵循以下基本原則：

(1) 各信標必須實現對作業位置及其附近區域的有效覆蓋，以保證該區域的定位精度。

(2) 各信標應盡可能構成有規則的幾何形狀。

(3) 各信標應盡可能避開水下載體的作業軌跡。

(4) 應根據潛標投放位置的深度設計潛標，使信標處于水下載體主要作業深度正負100 m以內。

2 深海長基線定位系統發展現狀

目前國外長基線定位技術比較成熟，已經實現長基線定位系統的產品化、產業化、系列化。國際上主要的長基線定位系統生產廠商主要有法國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對比[14-16]

2.1 法國iXblue公司的RAMSES 6000

法國iXblue公司的RAMSES型產品屬于新一代長基線定位系統，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公司強大的技術基礎和完整的研發團隊，RAMSES 6000最大的特點是組合兼容性強，數據融合技術獨特。RAMSES 6000可與iXblue公司的POSIDONIA II超短基線和PHINS慣導構成一套完整的模塊化水下導航系統，提供穩健、高更新率的定位信息。

圖2 法國iXblue公司的RAMSES 6000

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

得益于RAMSES 6000出色的深海定位性能，它已經成為法國海洋開發研究所(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，7000 m載人潛水器蛟龍號便是選用了該產品作為主要水下聲學定位設備。

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/模塊開發了cPAP系列高精度長基線定位系統。cPAP系列包括中頻段cPAP34和低頻段cPAP17。它們可以采用兩種聲學協議，即新Cymbal(PSK)協議和HiPAP/HPR(FSK)協議。Cymbal是一種用于通信和定位的全新聲學協議，它采用基于相移鍵控的直序擴頻技術(DSSS)，可以有效抑制多途干擾。

所有的cPAP系列長基線定位系統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的水下收發機單元采用模塊化設計，其換能器、收發機電路和端蓋模塊均可根據實際用途進行替換。此外，Kongsberg公司開發的聲學定位操作站(APOS)可以采用批處理方式對長基線陣型進行快速校準。

2.3 英國Sonardyne公司的ROVNav 6

針對海洋油氣資源開發中的大量ROV的使用，以及對高精度導航定位的需求，英國Sonardyne公司先后開發了一系列長基線定位系統，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，是專門為作業級ROV設計的。針對作業級ROV嘈雜的背景噪聲，ROVNav 6采用Sonardyne Wideband 2信號處理技術來提高其測距性能。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

隨著其寬帶數字技術的不斷成熟，Sonardyne推出了融合數字水聲通信技術的Compatt系列長/超短基線信標。過去為測量鄰居的信標，并將單次測距結果遙控傳輸給長基線問答機，需要在基線采集模式下啟動每一個信標，導致一次只能測量一條基線。由于Compatt信標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信標可以同時對陣型中的其他Compatt信標進行測距，并存儲測距結果，然后再遙控傳輸給長基線問答機。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，而現在需要不足15 min就可以完成測量。

當ROV處于應急狀態時，ROVNav 6可以工作中超短基線模式，作為超短基線應答器，與Sonardyne超短基線配合完成定位。其內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 國內發展現狀

2004年，中國測繪科學研究院與中船重工710研究所聯合研制了“水下DGPS高精度定位系統”，能夠為水下航行器提供精確的定位和授時。哈爾濱工程大學多年來圍繞長基線定位技術開展了大量研究，研制了國內第一套高幀率、大范圍、無線電遙控浮標陣的GRAT長基線定位系統[15]。近年來，哈爾濱工程大學研發了深海高精度水聲綜合定位系統，將超短基線、長基線定位技術進行了深度融合，解決了海洋聲速慢、平臺運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。

3 深海遠程長基線發展趨勢

通過對國內外典型長基線定位系統的比較分析，以及參考其他一些系統，可以得出深海長基線定位系統的發展趨勢是陣型快速標定、長基線與超短基線相結合、長基線與高速數字水聲通信相結合、多AUV移動長基線和單信標輔助導航。

3.1 陣型快速標定

長基線定位系統的主要缺點是需要投放信標陣列，并進行陣型標定，往往需要花費大量的時間和精力。這是由于傳統的長基線通常采用逐次標定的方式造成的。當采用水面船舶超短基線對信標進行絕對位置測量時，往往需要船舶圍繞信標航行一個圓形軌跡，通過多次多角度測量的方式提高測量精度。如果能夠在信標上增加數據傳輸功能，采用批處理的方式對信標間基線的相互測量，完成相對陣型標定，實現長基線陣型的快速標定。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均具備快速陣型標定能力。

3.2 長基線與超短基線相結合

長基線的優點是定位精度高，且與深度無關，缺點是需要投放信標陣列，設備和時間成本較高。超短基線聲學換能器陣安裝在船底/側舷，其優點是機動靈活，便于大范圍機動作業。如果將長基線與超短基線相結合，開發長/超短基線組合定位系統，既可以保證定位精度獨立于工作水深，又兼具超短基線機動靈活的特點，實現對水下載體的連續高精度導航定位。在這方面，英國Sonardyne公司是先行者，已推出LUSBL組合定位系統。

3.3 長基線與高速數字水聲通信相結合

長基線定位系統可以實現水下目標的高精度定位跟蹤，數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手段。除有纜水下裝備(如ROV、深拖等)，大多數海洋調查裝備都需要數字水聲通信進行數據傳輸，或指令交互。如果能夠將長基線和高速數字水聲通信相結合，在長基線問答機和應答器(信標)上增加數字通信功能，則可實現長基線問答機和水面船舶、長基線應答器之間，以及問答機與應答器之間的數字通信傳輸。在這方面，英國Sonardyne公司是先行者，其推出的長基線定位系統和Compatt信標都具備高速數字水聲通信功能。

3.4 多AUV移動長基線

傳統的長基線往往需要單獨在海底或海面布放多個信標，以構成數千米的定位基線，這也導致了工作量大、僅能在覆蓋區域進行定位等缺點?，F在隨著AUV向集群化、協同化發展，如果將應答器布設在多個協同作業的AUV上，主AUV內部裝配高精度導航設備，從AUV內部裝配低精度導航設備，通過測量AUV之間的相對位置關系，構建多AUV移動長基線，可以實時獲取從AUV的位置信息。

3.5 單信標輔助導航

長基線陣型的快速標定可以大大提高標定效率，但是多個信標的布放和回收仍需要耗費大量時間和精力。如果只利用海底固定的單只信標提供測距信息，并結合水下載體上的慣導系統(或姿態傳感器+多普勒計程儀構成航位推算系統)，通過對航行路徑的合理規劃，則可實現高精度導航定位，有效抑制慣導系統/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傳感器和慣性導航設備方面的強大研究實力，當RAMSES 6000與其慣導系統緊組合時，它采用稀疏海底應答器定位方案。

4 總結

隨著深海開發技術的不斷完善，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、深拖系統、電視抓斗及其他探測設備。雖然大多數潛水器主要采用慣性導航與多普勒計程儀的組合導航定位模式，但是作為水聲定位技術中精度最高的長基線定位系統能夠為各類深海探測裝備直接提供絕對位置信息，被廣泛應用于深海探測的導航定位中，為水下目標探測、定位跟蹤、海底地形勘探和水下遙控作業等各種高精度作業提供技術支持，使得它在海洋資源調查和科學研究領域發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，但是隨著科學與技術的不斷進步，人類對深海水下定位技術也提出了越來越高的要求。通過對國內外典型深海長基線定位系統的比較分析，并結合深海調查的實際需求，可以得出深海長基線定位系統的發展趨勢為：①陣型快速標定；②長基線與超短基線相結合；③長基線與高速數字水聲通信相結合；④多AUV移動長基線；⑤單信標輔助導航。