海底觀測網深水設備精準定點布放方法研究

王澍初，張 飛

（1. 海軍裝備部駐北京地區第六軍代室，北京 100082；2. 中國科學院聲學研究所 聲場聲信息國家重點實驗室，

北京 100190）

海洋對全球環境和氣候變化影響巨大，觀測并理解海洋的運行機理是人類文明發展的關鍵[1]。海底觀測網是利用海底光電復合纜和無線聲通信方式，將一系列海洋觀測儀器與陸基信息處理設備互聯而成的開放式海洋綜合觀測系統，可實現對海底地殼深部、海底界面到海水水體大范圍、全天候、綜合性、長期、連續、實時觀測。

隨著海底觀測網逐步建設到深海區域，深水設備的精準定位布放是海上施工的難點。加拿大CSSF（Canadian Scientific Submersible Facility） 公 司 的ROPOS （Remotely Operated Platform for Ocean Science）為世界領先的定制型水下機器人，通過自身運載能力，能夠將水下設備從水面精準布放到海底[2]，先后實現了加拿大和美國的觀測網設備的精確定位布放和回收。本文以“十二五”期間南海深海海底觀測網試驗系統設備布放為例，分析了國內深水設備精確布放存在的問題，提出了新方法原理，系統組成，實施步驟及應用效果，對其它同類工程具有重要的借鑒意義。

1 研究意義和手段

海底觀測網是人類建立的第三種海洋科學觀測平臺[3]，擺脫了傳統海洋研究方式的種種局限，使科學家可在岸上實驗室里實時開展深海實驗，遠程監測海底風暴潮、火山噴發、地震、海嘯、滑坡和赤潮等各種突發事件，從根本上改變了人類認識海洋的途徑[4]。進入21 世紀以來，美國、日本、加拿大以及歐洲各國紛紛投入巨資開展觀測網的建設，較大規模的觀測網主要有加拿大西北太平洋時間序列觀測網（North-East Pacific Time-Series Underwater networked Experiment，NEPTUNE）[5]、美國海洋觀測計劃（Ocean Observatories Initiative，OOI）[6]的區域網部分以及日本地震海嘯密集海底網絡系統（Dense Ocean -floor Network System for Earthquakes and Tsunamis，DONET）[7]。我國在“十一五”和“十二五”期間，陸續開展觀測網試驗節點關鍵技術的攻關，以及觀測網試驗系統的研究和建設工作。在《國家重大科技基礎設施建設中長期規劃（2012—2030年）》中，明確建設海底科學觀測網在內的16 項重大科技基礎設施，為資源與能源開發、環境監測和災害預警預報、國家海洋安全等研究提供支撐。典型的觀測網系統組成如圖1 所示，通常由岸基站、海底光電復合纜、主節點、接駁盒及科學觀測儀器等組成。

圖1 海底觀測網組成

觀測網水下設備需要精準定點布放，主要有以下兩點原因。首先，根據研究的科學問題及其觀測目標，科學觀測儀器一般布置在科學觀測目標附近，特別是針對海底熱液、冷泉等位置精度要求高的觀測任務，必須將儀器及傳感器布置于熱液口及冷泉的活躍位置，才能達到近距離研究熱液噴發及冷泉生物群落長期變化的目的，在施工圖中須明確科學觀測儀器等水下設備的經緯度坐標，施工安裝時按圖精準布放到指定位置。其次，為實現水下設備的靈活擴展，以及方便增減、升級與維護，主節點與接駁盒、接駁盒與科學觀測儀器之間采用遙控無人潛水器（以下簡稱“ROV”）操作濕插拔延長纜的方式連接。目前各水下設備之間的信號是通過以太網通信方式傳輸，若不能保證水下設備間的精確相對距離，將無法完成濕插拔連接，進而無法完成觀測網建設工作，所以必須對水下設備進行精準定點布放。

長基線定位系統雖然具有定位精度高的突出優點，但是由于其自身系統布陣、測陣與回收操作十分復雜、耗時，成本較高[8]，國外觀測網建設中一般不采用長基線定位系統，而是通過專業定制ROV（如ROPOS）直接運載水下設備精準布放于預定位置。由于ROV 可以克服海底底流，動力懸停在某一點，通過母船安裝的超短基線定位系統（以下簡稱“USBL”）可以獲得較高的定位精度，一般為深度的0.2%。定制ROV 在其底盤上安裝有專業布放裝置，與水下設備通過機械、液壓接口固定連接。水下設備布放時，首先通過ROV 其底盤的布放裝置連接并固定水下設備，將其運送到近海底位置懸停，并通過USBL 實時獲取位置信息。然后在USBL、聲納、視頻等組合導航下操作ROV 調整其水平位置。待移動到目標位置后操作布放裝置釋放水下設備。該布放方式充分利用了ROV 自身的定位、導航及動力優勢，能夠獲得較高的定位精度。

國內的觀測網建設起步較晚，沒有形成針對觀測網施工安裝的上述專業定制型ROV 及操作團隊。而國內能夠開展深水安裝作業的施工單位很少，故難以采用國外觀測網的定位布放手段。目前國內通常是采用鋼絲繩吊放水下設備到海底進行釋放的粗放式施工方案。在深海作業條件下，采用鋼絲繩吊放方案，鋼絲繩長度可達數千米。當吊放設備近海底時，由于涌浪及海流的共同作用，吊放狀態水下設備的擺動幅度可達十多米，無法完成精準定點布放作業；即便在水下吊點處安裝USBL 信標，因吊放狀態水下設備的復合運動，導致USBL 出現無法跟蹤目標，短暫定位失效，定位數據不連續、更新不及時等問題[9]，定位精度不可控。所以鋼絲繩吊放工藝不能直接獲取水下設備的精準位置，也無法完成水下設備的定點釋放動作，或釋放后嚴重偏離設計位置。

針對鋼絲繩吊放方案中無法直接獲取水下設備精準絕對位置的問題，研究通過間接測量水下設備相對位置的方法來實現絕對位置的精準定位，為觀測網深水設備的精準定點布放提供了可行的施工方法，有效保障了水下安裝作業的實施。

2 觀測網深水設備精準定點布放方法研究

2.1 精準定點布放方法的基本原理

因國內施工船配置的觀察型ROV 雖然無法按照國外的作業模式，運載水下設備到指定位置完成精準定點布放，但可以通過近海底的ROV 建立絕對位置基準，進而獲取基準與水下設備之間的相對位置關系。為此本文提出：首先依托ROV 自身定位、導航和動力優勢，懸停于海底附近，通過船載USBL 獲得其實時的精準位置信息，為水下設備定位和調整提供固定的測量基準。然后，ROV 通過成像聲吶可以精確測量其與水下設備間的相對位置關系，為水下設備的定位和調整提供精準的測量手段，進而計算出其在大地坐標系（WGS84）中的絕對位置。最后，精確調整水下設備位置并實施布放，在調整過程中，保持ROV 測量基準位置不變，通過施工船動力定位系統調整船位，改變水下設備與ROV的相對位置，實現其在大地坐標系中的絕對位置的調整；當水下設備絕對位置調整到設計位置時進行釋放，以實現對其精準定位和布放。下文詳細論述精準定點布放系統組成、具體方法步驟及實際應用的數據分析結果。

2.2 精準定點布放系統的組成

水下設備精準定點布放方法的核心是建立一個精準定點布放測量系統，準確測量水下設備與ROV 的相對位置。系統包括水面施工船及船載USBL 收發器、GPS、姿態補償儀和電羅經，水下ROV 及搭載的成像聲納、視頻攝像機、姿態補償儀和電羅經等，系統組成如圖2 所示。ROV 由施工船舷側吊機布放，水下設備由船尾吊機布放。船載GPS、USBL、姿態補償儀和電羅經實時獲得ROV 在大地坐標系中的經緯度。ROV 成像聲納掃描獲得聲吶圖像，建立海底平面坐標系，對水下設備的相對位置進行實時精準測量，視頻攝像機負責輔助觀察。

圖2 精準定點布放系統組成

2.3 觀測網試驗系統水下設備精準定點布放

（1）主節點布放

第一步：ROV 與主節點抵近海底就位，如圖3所示。施工船在主節點布放位置開啟動力定位（DP）模式，通過船尾吊鋼絲繩連接釋放器，吊放與海纜連接的主節點到海底；ROV 開啟攝像頭與主節點同步下潛以監視水下吊放狀態。待主節點離海底高度約5 m 時，停止釋放鋼絲繩。利用USBL 完成懸停狀態ROV 的定位，通過船載姿態補償儀和電羅經來修正定位誤差。利用船載GPS 信息和USBL 定位信息推導出ROV 在大地坐標系中的絕對位置經緯度。并在大地坐標系中顯示ROV 和水下設備設計布放點經緯度信息。調整ROV 的艏向與主節點設計布放點方位角一致后定點懸停，并獲得ROV 與設計布放點之間距離值A1。

圖3 主節點布放

第二步：建立海底平面坐標系，如圖4 所示。以ROV 為參考點，開啟成像聲納掃描圖像建立海底平面坐標系。并實時測量吊放狀態的主節點與ROV的相對位置，包括距離A2 及方位角α。

圖4 海底平面坐標系及測量

第三步：調整主節點位置，如圖5 所示。通過施工船動力定位系統實時微調船位，首先將主節點方位角α 值調整為0，使主節點位置移動到ROV 艏向上。然后根據A2 與A1 的差值調整直線距離至A3，當A2＞A1 時，微調船位使主節點吊點靠近ROV，反之遠離ROV。

圖5 主節點位置調整

第四步：精準定位后釋放主節點，如圖6 所示。當α=0，A3=A1 時，表明主節點已調整到設計布放位置，施工船逐步釋放鋼絲繩至主節點著床，并操作聲學釋放器脫鉤，完成主節點的精準定點布放作業。（2）接駁盒及科學觀測儀器的布放

圖6 主節點精準定點

主節點布放完成后，ROV 移動到主節點附近進行懸停，重復主節點布放的第一步至第四步完成接駁盒及科學觀測儀器的布放。

2.4 精準定點布放精度分析與應用效果

（1）水下相對定位精度

ROV 成像聲吶的主要技術參數如表1 所示。在高頻模式下探測距離0.4～100 m，低頻模式下探測距離0.4～300 m，距離精度15 mm，掃描扇區360°（可調）。

表1 成像聲吶主要參數

成像聲納掃描扇區為（0～90°，270°～360°），成像視角為以聲吶為圓心的半圓。在調整遠距離水下設備的位置時，開啟低頻模式掃描，聲吶圖像網格間距較大。在目標位置調整到距圓心30 m 左右時，開啟高頻模式掃描，聲吶圖像網格間距調至最小值1 m，即直徑方向的刻度為1 m，并以30°角為角刻度將半圓分為6 個扇區。在該模式下，測量距離分辨率為1 m，角度分辨率30°。當水下設備吊放進入海底平面坐標系后，可直接測量出相對距離和角度。基于成像聲吶15 mm 的測量精度和海底平面坐標系1 m 測量分辨率，系統水下相對定位精度可達到1 m。

（2）系統絕對定位精度

影響精準定點布放系統的絕對定位精度的因素有兩個方面，包括水下ROV 參考點絕對位置精度和成像聲吶的測量精度。其中水下ROV 的絕對位置精度為USBL 的定位精度，一般為深度的0.2%。而成像聲吶的測量精度為15 mm，可忽略不計。所以，系統的絕對定位精度即為ROV 的定位精度，這樣便間接達到了國外通過ROV 運載設備布放工藝相同的定位精度。

（3）觀測網海試應用效果

2016 年8 月，在南海深海海底觀測網的海試中，通過深水設備精準定點方法成功完成深水設備的精準定點布放。圖7（a）所示為ROV 懸停于主節點旁邊對次接駁盒進行精準定位的聲吶圖像，成像聲吶建立的平面坐標系能夠精準測量水下設備間的相對位置，測量精度達到1 m。在水下設備精準定點布放的基礎上，ROV 進行主節點、接駁盒、科學觀測儀器之間濕插拔延長纜的解纜、移動、接插等操作，實現深海海底觀測網水下設備的濕插拔連接，濕插拔連接如圖7（b）所示，圓滿完成了海上建設任務。

圖7 深水設備精確定位布放及濕插拔連接

3 結語

針對海底觀測網深水設備精準定點布放作業需求，深入研究了基于ROV 成像聲納圖像構建海底平面坐標系的深水設備精準定點布放方法，并應用到海底觀測網試驗系統深水設備精準定位布放作業中，實現了水下設備在海底平面坐標系中的實時位置測量和1 m 的相對定位精度，間接實現了國外通過ROV 運載設備定點布放工藝相同的絕對定位精度，完成了水下設備精準定點和布放任務，達到了設計要求。對深海海底觀測網等深水工程中設備的精準定點布放和安裝作業，具有重要的參考和借鑒意義。