非動力定位母船海纜檢測水下機器人定位系統應用研究

張維佳，黃小衛，蘆 海，李曉駿，蔡 馳，吳 聰

（中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司廣州局，廣州 510405）

0 引言

水下定位系統是ROV（水下機器人）作業中的關鍵裝備之一，是保障ROV 水下高精度位置、姿態控制的重要環節，在ROV 通過TSS350 型電纜檢測系統、水下可見光檢測設備及前置聲納等系統定位海底電纜進行檢測的作業過程中發揮至關重要的作用。通常情況下，ROV 的水下定位系統基于定位精確度高的動力定位母船，以保證水下作業定位誤差在可接受范圍內。但由于動力定位母船作業成本高昂，且動遣時間較長，因此對于ROV 水下作業有較大的限制[1]。

本研究擬基于非動力定位母船的ROV 作業條件，探索降低ROV 水下作業定位系統誤差的實施方法，突破動力定位母船的作業條件限制。本文在比較各種水下導航定位方法的基礎上，分析USBL（超短基線）應用于非動力定位母船產生的定位誤差，并從誤差產生的原因著手，針對性地提出了誤差處理策略并進行定位校準，大大提高了非動力定位平臺水下定位系統的精確度，并通過工程現場實際應用進行了驗證。

1 水下定位設備選型

水下定位系統按照基線長度可分為LBL（長基線）、SBL（短基線）和USBL 三類。LBL 的基線長度為100～6 000 m，利用測量聲源到各基陣基點距離解算方位和距離短基線的基線長度為1～100 m，利用信號到基陣基點的時間差解算方位和距離；USBL 的基線長度為1～100 cm，利用信號間相位差解算方位和距離[2]。

采用非動力定位船舶作為ROV 的母船，由于它在海洋上航行或停泊都會因海流產生橫搖或縱搖，并且會伴隨船頭方向無規則轉動，船舶的搖擺將大大影響船舶相對ROV 的空間定位。因此選擇良好的ROV 定位系統是海底電纜檢測正常開展至關重要的保障。

表1 所列為目前水下導航定位系統的優缺點對比[3-4]。

表1 水下定位系統對比

通過對比分析，LBL 定位精度最高但價格昂貴，適合于大面積、深海區域的海洋調查定位；SBL 定位因為基元距離較大以及船的尾流對基元的擾動影響，對船的要求較高，并且基陣多需要在船塢安裝、校準；USBL 儀器設備體積小，易于安裝，價格便宜，定位精度較高，對船只沒有過高要求，完全滿足ROV 在海底電纜檢測時定位的需要[5]，因此本文選擇USBL 系統進行ROV 水下定位。

2 非動力定位母船應用USBL 定位的誤差解決方式

2.1 USBL 定位原理

USBL 系統聲學基陣多為同平面內的四個聲學基陣，多布置成“十”字方位，同軸陣元間距多為10～40 cm，這四個聲學基陣相當于定位系統的換能器，一般安裝在船底，安裝后，需要羅經設備配合對發射單元進行安裝、校準才能進行水下定位[6-7]。如圖1 所示。

根據USBL 定位原理（圖2）可通過公式（1）計算信標相對換能器位置。

圖1 USBL 系統中信號傳播示意

圖2 USBL 定位原理

式中：D 為測量斜距，D=1/2vt（v 為聲波速度、t 為測的聲波發射到返回的時間）；Φ，θ 兩角是通過USBL 換能器基元的相位差計算取得。

2.2 USBL 定位誤差分析

2.2.1 USBL 定位誤差產生原因

超短基線定位精度受水平角、仰角、測距等測量結果以及姿態傳感器、羅經、GPS 等儀器影響，當搭載在非動力定位船舶進行海底電纜檢測時，在海洋的洋流作用下會發生橫搖或縱搖，由于非動力定位船舶的搖擺，會導致安裝在船舶處的換能器也隨之晃動，更容易影響到水下信標的定位精度，導致無法開展海底電纜檢測作業[8-9]。

通常情況下不考慮USBL 定位各誤差源之間的關聯，認為他們是相互獨立的，則USBL 定位整個系統的誤差可表達為：

式中：σU為超短基線的總誤差；σθ為超短基線水平角測量誤差；σΦ為超短基線仰角測量誤差；σM為MRU（姿態傳感器）測角誤差；σO為GYRO（電羅經）測量誤差；σG為水面船只GPS 測量誤差；σD為超短基線測距誤差[10]；σF為聲波頻率誤差。

2.2.2 USBL 定位誤差處理策略

為了保證檢測效果，提高定位精度，下文從誤差產生的各個因素來分析討論USBL 定位誤差處理策略。

（1）安裝位置測量誤差

USBL 安裝位置對水平角的測量誤差σθ和USBL 仰角測量誤差σΦ產生直接影響。

USBL 各組成設備安裝在船體的不同位置，將它們歸算至同一坐標系下，需要測量各組成設備的位置安裝改正數[11]，但測量中也存在一定的誤差。

因此誤差處理策略為：采取鋼尺多次測量取平均值以減少測量誤差。

（2）MRU 測角誤差

母船在作業時會帶動USBL 換能器搖擺，而搖擺的換能器在收發聲波之間就會產生較大測角誤差σM，因此需要加裝MRU 進行誤差補償，但由于不同型號的MRU 誤差不同，且MRU 安裝位置和USBL 換能器桿的固定情況都會影響誤差。

因此誤差處理策略為：選取誤差較小型號的MRU；MRU 安裝位置盡量選在船舶重心，垂直甲板處；USBL 換能器桿要加強固定，使其運動姿態與船舶姿態完全吻合，不會產生自振動。

（3）船舶搖擺導致電子羅經誤差

在進行USBL 水下定位時，由于波浪、水流和海風的影響，船體會受到俯仰、滾轉等姿態的影響。需要提供羅經方向數據，并且羅經的方位角測量中的誤差σO導致相應的定位誤差。

因此誤差處理策略一是選擇合適的位置（船舶重心的垂直位置）安裝羅經，減少外部干擾因素對羅經測量結果的影響；使用更準確的測量級光纖羅經。二是在非動力定位船上加裝減搖鰭（圖3），它安裝在船的兩側，具有翼形，也稱為側舵[12]。通過轉動鰭片，橫擺力矩減小，搖擺減小，以減少船體側傾。三是選擇合適的海況出海作業，減少船體橫搖。

（4）母船GPS 定位誤差

母船GPS 是水面定位的基礎，其定位精度直接影響水下設備的定位精度，任何GPS 都會存在測量誤差σG。

因此誤差處理策略為：選擇具有高定位精度的母船GPS 定位裝置，如星站差分GPS；GPS 天線與USBL 換能器相對位置測量應盡量準確。

（5）聲速誤差的影響

USBL 水下定位主要是通過測量換能器到信標的距離及方位來計算，聲速直接影響到USBL的測距誤差σD。聲速改正主要通過聲速剖面儀測量聲速，然后將測量區測量的實際聲速值輸入USBL 主機，將信標轉換為換能器距離。聲速測量的準確性直接影響定位精度。由于不同深度的水體溫度對聲速有不同影響，導致發生折射效應，如圖4 所示。

圖4 聲波折射效應示意

因此誤差處理策略為：對于USBL，隨著開角變大，聲速曲線折射嚴重的情況，可安裝聲速剖面修正系統。根據聲學原理，聲波在水中的傳播速度與鹽度和溫度有關。當聲波由于鹽度和溫度分層而沿著換能器和信標之間的路徑從海面到海床行進時，將發生計算錯誤。該誤差隨著深度的增加而增加，并且該誤差由于往返而倍增或甚至增大一個數量級[13]。聲速剖面修正系統的作用是使用絞盤垂直釋放剖面儀，入水后不斷釋放聲波測量聲速，通過壓力傳感器測量所處的深度，通過采集依據深度排序的水層剖面聲速并記錄在其內部的存儲器上，回收后導出到配套的數據分析軟件中，經過分析處理之后形成隨深度增加的聲速曲線，這時只要將該表導入到水聲定位系統中，定位結果將依據聲速表進行校正，從而提高定位精度。當溫度變化較大（如早晨、中午、傍晚）或水深變化較大時，都需要重新測量聲速剖面值[14]，以提高聲速剖面值的實效性，從而提高定位精度。如圖5 所示，為2017 年7 月13 日瓊州海峽中央深水區（85 m）投放的聲速剖面曲線。

圖5 聲速剖面曲線

（6）其他誤差影響及處理策略

USBL 換能器在不同水深條件下發射聲波頻率對定位精度有不同的影響[15]，以ROV 檢測海南聯網交流500 kV 充油海底電纜為例，該海纜橫跨最深100 m 的瓊州海峽，如圖6 所示，為100 m 水深處分別使用22 kHz 和33 kHz 進行應答信號效果模擬，圖6（b）的精確值范圍遠高于圖6（a）。因此應用在淺海處的USBL 系統換能器發射頻率應盡量高，方可減小聲波頻率誤差σF。

2.3 USBL 校準方案的選擇

USBL 換能器首次安裝在船底或采用臨時支架固定時必須進行CASIUS 數據校準，采用正確的校準方案可有效保證誤差的降低。由于動力定位船舶具有高穩定性，船舶本身可以自轉的特點，校準方案路線較容易，可采用靜態數據采集，如圖7 所示。

圖6 應答信號效果對比

圖7 靜態數據采集模式

非動力定位船無法定點自轉，其數據采集方案與動力定位船不同，校準方案較復雜，需采用動態數據采集，如圖8 所示。

選擇正確的校準方案有助于減少誤差。動態數據采集模式與靜態數據采集模式不同的是，因船速原因，控制收集數據點的數量更加困難[16-17]。船長應降低船速，盡可能減小動態數據采集誤差。

3 USBL 的應用

海南聯網系統500 kV 福港線海底電纜位于瓊州海峽，最深處為100 m，海纜受瓊州海峽高流速沖刷，迫切需要對海纜進行檢測，以便了解其運行情況，針對可能的風險點提供保護。

圖8 動態數據采集模式

海底電纜檢測項目結合非動力定位船（華鯤號），ROV（SMD ATOM08），TSS350，USBL（UM-8245）等設備，通過對海底電纜埋深及其路由檢測，確定海纜風險點現狀，為海南聯網可靠運行提供保障。

檢測項目水下定位方案采用Sonardyne 公司的UM-8245 型USBL 搭載非動力定位船舶，載體為南方電網公司與SMD 公司共同研發的100匹馬力液壓動力作業級ROV。作業前采用CASIUS數據采集模式的路徑進行USBL 校準，并采用33 kHz 頻率，母船采用高精度DGPS 并配備側推進器，使用作業指揮系統開展作業，現場應用情況如圖9 所示。

圖9 現場應用情況

以2018 年12 月13 日20:42 的檢測數據為例，檢測范圍是海纜C 相KP24.388-24.421，對比2016 年相同段檢測值及曲線拐點（由于海床變化，埋深值會有變化，但整體曲線在短期內不會變化），證明采用本文所提方法在非動力定位船舶上應用USBL 可實現精準定位，如圖10 所示。

圖10 2016 年，2018 年同KP 段對比

通過USBL 與船舶DGPS 定位系統結合的作業指揮系統可以實時展示船舶與ROV 的相對位置，該系統使船長和ROV 駕駛員更直觀、更便捷地相互配合，開展作業，如圖11 所示。

圖11 作業指揮系統

4 結語

本文通過對水下定位系統的原理分析和對比研究，選擇適合在非動力定位船舶使用ROV 的USBL 定位系統。根據非動力定位船舶的航行特點及USBL 的定位特點進行誤差分析，從安裝測量、儀器選型、精度校準、輔助系統四個方面提出基于非動力定位船舶的海底電纜檢測ROV 減小定位誤差的解決方法并通過實際工程應用驗證了方法的有效性。