超短基線定位系統在深水工程勘察中的應用

肖家耀XIAO Jia-yao

（中海油田服務股份有限公司，天津 300459）

0 引言

海洋工程勘察是各類海洋工程建設項目的規劃、設計、施工以及工程環境評價（生態保護、地址災害防治等）所需基礎資料的重要來源，是海洋工程建設不可或缺的環節[1]。傳統的海洋工程勘察技術采用船載和拖曳的作業方式，隨著水深增加，測深儀、地貌儀、淺地層剖面儀等聲學設備發射和接收聲波的距離增加，聲波能量衰減迅速，導致探測的分辨率、精度和探測深度都大大降低，無法滿足深水油氣構筑物工程設計和施工的需要[2]。深水工程勘察作業中，通常采用水下載體（如深拖、AUV）搭載測深儀、地貌儀、淺地層剖面儀等調查設備在距離海底表面40-80m的高度進行高分辨勘察作業的方式。定位信息是海洋工程勘察成果的基礎，所有調查成果只有被賦予正確的地理位置信息，才能被有效利用。因此，精確確定水下載體的位置是深水工程勘察作業的關鍵環節。盡管以BDS、GPS、GLONASS 和Galileo 為代表的全球衛星導航系統（GNSS，Global Navigation Satellite System）能夠為全球用戶提供全天候、全天時、高精度導航定位服務，但由于海水對電磁波能量的吸收作用很強，限制了其傳播距離，使得以電磁波為傳播載體的無線電導航和衛星導航技術手段無法直接用于水下目標定位。而聲波以其在水中傳播能量衰減小，傳播距離遠的優勢，成為水下定位的主要選擇[3]。

水下聲學定位技術是通過測量聲波在水體中傳播時間、相位等信息實現水下高精度定位的技術。根據接收基陣的基線長度不同，聲學定位系統主要分為長基線定位系統、短基線定位系統和超短基線定位系統。其中超短基線定位系統以其結構簡單、操作便利、測距精度高、成本低等諸多優勢而廣泛應用于深水工程勘察作業中。

1 超短基線系統的定位原理與組成

1.1 定位原理

超短基線是通過安裝在船上的聲學換能器向水下發射聲波信號，安裝在水下目標上的聲學應答器在接收到訊問信號后立即返回一個區別于訊問信號的響應信號回換能器[4]，從而來確定探測目標相對于換能器基陣的距離和角度。距離和角度的測量基于以下兩個原理：其一，通過精確測定聲波在換能器與探測目標之間的傳播時間，再用聲速剖面修正波束線，確定目標相對于換能器的距離；其二，通過測量換能器基陣上不同接收單元接收回波信號的相位差，確定目標相對于換能器的角度。系統根據換能器基陣坐標系相對于船舶坐標系的固定關系，結合羅經、姿態傳感器提供的實時的船舶姿態與艏向信息以及水面定位系統提供的船舶地理坐標，就可以實時解算出水下應答器所在位置的地理坐標。

常規超短基線的換能器內含1 個發射單元，3 個以上性能完全相同的接收單元，這些接收單元垂直正交并且等間隔（小于半波長）的分布組成一個平面正交接收陣[5]。接收單元之間的位置精確測定，組成聲基陣坐標系。如圖1所示，H1、H、H3、H4是四個正交排列的換能器接收單元，他們到聲基陣坐標系原點O 的距離均為D/2。原點O 到H1方向指向船艏方向，為X 軸方向，原點O 到H2方向垂直于船艏指向船舶右舷，為Y 軸方向，Z 軸垂直指向海底。

圖1 超短基線換能器聲基陣坐標系示意圖

如圖2 所示，假設P 為水下應答器位置，OP 與各坐標軸之間的夾角分別為θx、θy、θz，P 到聲基陣坐標系原點O的距離為S。設Δφx、Δφy為接收單元H1與H2以及H3與H4接收單元所接收信號之間的相位差，γ 為聲波波長，由于超短基線換能器接收基陣基線間距離很小，一般為厘米級，遠遠小于換能器到應答器P 點的距離S，因此可以認為接收單元接收到的回波聲線是平行的。則OP 與各坐標軸之間的夾角分別為θx、θy、θz可以用如下公式表示：

圖2 超短基線定位原理圖

根據空間直線OP 的長度以及與各坐標軸之間的夾角，可以直接得出P 點在換能器陣坐標系中的坐標（x，y，z）。

1.2 系統組成

超短基線定位系統一般包括水下定位系統、輔助傳感器和水面定位系統三個組成部分，如圖3 所示。其中水下定位系統由安裝在船體的聲學換能器和水下的聲學應答器組成；輔助傳感器含高精度光纖羅經和姿態儀，用以準確測量船舶的升沉、橫搖、縱搖和艏向（heave/roll/pitch/heave/Heading）；水面定位系統通常由全球導航衛星系統（GNSS）接收機組成，用以實時測定船舶的地理位置。

圖3 超短基線系統組成

2 影響超短基線系統定位性能的因素

超短基線定位系統可以直接測量出水下目標相對于換能器的距離和方位[6]，如果要進一步得到水下目標的絕對位置（地理坐標），就需要精確測定換能器聲基陣坐標系與船舶坐標系的相對關系，包括換能器在船舶坐標系的位置和聲基陣的安裝角度偏差（橫搖、縱搖和艏向偏差）[7]，融合船舶GNSS 提供的地理坐標、姿態傳感器提供的瞬時姿態數據和羅經提供的船舶艏向數據。因此，影響超短基線定位系統精度的主要因素可以歸納為3 類：測量設備自身誤差、安裝角度偏差、聲速誤差。

2.1 測量設備自身誤差

超短基線換能器聲基陣誤差會影響測量水下目標的相對位置，因此，在使用前需要對換能器聲基陣進行標定。對于商用超短基線系統，在出廠前，生產廠家一般都會精確標定系統聲基陣誤差。超短基線系統計算水下目標的絕對位置，需要融合安裝在船舶上的GNSS 提供的地理坐標、姿態傳感器提供的瞬時姿態數據和羅經提供的船舶艏向數據。這些設備本身固有的誤差也會影響絕對坐標的解算精度，因此應盡可能使用高精度設備，減少儀器本身可能帶來的誤差。

2.2 安裝角偏差

在超短基線定位系統中, 由于輔助測量設備羅經與姿態傳感器和超短基線換能器通常是分離式安裝, 從而導致換能器聲基陣坐標系與船體坐標系間存在旋轉角偏差[8]，即航向偏差、橫搖偏和縱搖偏差。其中，航向誤差會主要影響超短基線的水平定位精度.而橫搖偏和縱搖偏差對超短基線水平和垂直定位精度均有影響。根據作業經驗，在1°角度偏差下，水下目標與換能器相距2km 時，會產生35m的定位誤差。而當角度偏差為0.1°時，同樣相距2km，產生的定位誤差在僅在3m 左右。因此，在使用前，必須要對超短基線系統進行安裝角偏差校準，尤其是在深水作業時，需要在作業區域內最大水深處進行安裝偏差角校準，盡可能減小安裝角偏差對超短基線定位精度的影響。

2.3 聲速誤差

聲速的影響主要來源于聲速值的誤差和聲線彎曲。超短基線定位系統測距是通過測量聲波信號在換能器和水下目標之間的旅行時間，結合聲波在水中的聲速從而確定水下目標與換能器之間的距離。聲速值的誤差將會直接影響超短基線測距精度。海水中不同位置、不同深度的溫度、鹽度不同造成海水密度不同，聲速值是隨密度變化的。由于聲速的不同造成了聲波在水體中的傳播不是直線前進的，而是彎曲的。從超短基線定位公式可以發現，確定水下目標相對于換能器聲基陣的位置需要解算聲波返回換能器陣的到達角。水體中的聲速變化引起的折射會改變聲波的路徑，聲波返回換能器基陣的到達角并不能真實的反應水下目標的實際方向。聲波的入射角越大，聲線彎曲越嚴重，當水下目標位于換能器正下時，由于聲波垂直入射，聲線沒有彎曲。因此在超短基線作業過程中，需要將入射角保持在一個較小的范圍內，減少聲線彎曲對定位精度的影響。

3 超短基線在深水工程勘察作業中的應用

3.1 深水AUV 調查作業中的應用

自主水下航行器（AUV，Autonomous Underwater Vehicle）是一種水下智能潛航器，作為一個智能化的深水潛航載體類似一艘無人潛水勘察船，可以搭載各種測量設備如測深儀、地貌儀、淺地層剖面儀等進行海底搜尋、地形地貌探測、地質災害調查等勘察工作，AUV 在深水工程勘察中以高精度、高分辨率、高效率的優越性能取代常規的水面船載、拖曳式調查作業，是目前深海油氣勘探開發及其重要的技術手段。中海油服于2015 年從國外購置了Explorer 3000M AUV 用于深水工程勘察，至今已完成上萬公里的調查作業，為深水油氣田的勘探開發提供了大量的高精度、高分辨率的調查數據。Explorer 3000M AUV 搭載Kongsberg EM2040 型多波束測深系統、EdgeTech 2200M型側掃聲吶和淺地層剖面系統等測量設備，能夠在3000m以淺海域進行深水工程勘察作業，獲取海底高精度地形地貌和淺地層剖面資料。

與絕大多數AUV 一樣，Explorer 3000M AUV 水下導航系統采用了慣性導航系統（INS）和多普勒計程儀（DVL）組合導航方式。在距離海底高度不超過200m 航行時，雖然DVL 提供的高精度速度信息雖然可以很好的抑制INS的累計誤差[9]，但水下導航系統的定位誤差仍會隨著工作時間和航程的增長而增大，使得AUV 偏離了預設的調查測線。因此，需要使用水下聲學定位技術來修正AUV 水下導航系統的累計誤差，使其回到預設的調查測線。以Explorer 3000M AUV 為例，在其靠近尾部上方位置固定安裝了IXblue MT9 型水下聲學定位信標，用于超短基線定位。Explorer 3000M AUV 在水下航行作業期間，為了提升超短基線定位精度，安裝了IXBlue GAPS 超短基線系統的作業母船始終保持在AUV 正上方航行，GAPS 跟蹤的水下信標準確絕對位置通過聲學通訊系統實時傳輸至Explorer 3000M AUV 內部慣導系統Phins 中，用以消除INS+DVL 組合導航的精度漂移。Phins 是一套高精度閉環光纖陀螺導航系統，可提供載體的真方位角、運動姿態、速度、升沉及三維位置信息。Phins 綜合DVL 提供的高精度速度信息、超短基線定位信息以及AUV 深度和高度信息，通過卡爾曼濾波，可以實時估算出AUV 在水下的最優位置。

3.2 深拖調查作業中的應用

深拖（Deep-Tow）調查是將一種或幾種海洋調查儀器進行組合安裝在一個深水拖魚（體）上，通過將拖體沉放到預定深度來減少水體對儀器的影響，從而獲取高質量多波束、側掃聲吶和淺地層剖面等數據的一種深海工程勘察方法。以EdgeTech DT-1 深拖系統為例，深拖系統主要由水下拖體及搭載設備、拖曳系統（含壓載器、拖纜、臍帶纜、絞車）、釋放回收系統、甲板通訊鏈及系統控制處理器等四大部分組成。深拖系統一般搭載多波束測深系統、側掃聲納系統、淺地層剖面儀，以及輔助傳感設備（光纖羅經、運動傳感器、實時聲速計、壓力傳感器、多普勒計程計、高度計和水下聲學定位信標等）。與AUV 不同，深拖系統拖體是不帶動力裝置的，完全依靠作業母船拖曳航行。

深拖系統定位多采用水下聲學導航定位,尤其是超短基線定位系統因其具有成本低、操作簡便、無需布設海底應答器、安裝靈活、測距精度高等諸多優勢,已成為深拖系統定位的主流技術手段。在深拖作業中，按照深拖拖體后拖的水平距離，深拖作業可以分為雙船定位作業和單船定位作業模式[10]。根據作業經驗，在700m 水深以淺作業時，一般采用單船定位作業模式，700m 水深以深時采用雙船定位作業模式。單船定位作業模式中，作業母船上安裝超短基線換能器，同時負責深拖拖體的拖曳與定位跟蹤。而在雙船定位作業模式，通常會配備一條追蹤定位船和一條深拖拖曳船。深拖系統水下拖體的定位主要靠安裝在追蹤定位船側舷的超短基線聲學定位系統結合DGNSS 定位系統的方式對水下拖體進行定位。追蹤定位船上的導航系統將GNSS 天線接收到的位置信息，實時傳輸至USBL 聲學定位系統中，USBL 聲學定位系統軟件結合USBL 收發探頭與水下拖體的相對位置信息及GNSS 天線與USBL 收發探頭之間的偏移距推算出水下拖體的位置信息。追蹤定位船再將拖體的位置信息通過無線電數據鏈發送給拖曳船，通過時間匹配將位置信息整合到工程勘察采集資料中。

4 結語

超短基線定位系統以其結構簡單、操作便利、成本低、測距精度高等諸多優點而廣泛應用于深水工程勘察作業中，未來仍將是深水工程勘察水下定位的主要方式。提升定位精度是超短基線發展與研究的重點，如將高精度姿態傳感器與光纖羅經集成到超短基線換能器可以削弱角度偏差的影響，使用寬帶數字信號代替傳統音頻信號能夠有效降低多路徑效應和周圍環境噪聲的影響，提升測距精度等。