基于實測數據回放的ROV導航定位系統研究

李學成，謝陽光，張 舸，伊國興

(1.中海輝固地學服務(深圳)有限公司，廣東 深圳 518067；2.中國航空工業集團公司西安飛行自動控制研究所，西安 710065；3.哈爾濱工業大學空間控制與慣性技術研究中心，哈爾濱 150001)

0 引言

水下導航定位是海洋石油工程的基礎信息，如水下結構物位姿測量[1-2]、遙控無人潛水器(Remote Operated Vehicle，ROV)巡檢高精度定位定向等[3-5]。離開水下導航定位將無法開展水下施工作業。當前我國海洋石油工程水下定位裝備、技術支持、售后服務主要來源于西方海洋強國，核心關鍵裝備沒有實現全國產化。隨著中美貿易戰的持續進行，關鍵水下定位裝備與技術受到禁運，對我國海洋開發造成嚴重威脅。

當前，我國在渤海、東海和南海陸續建成400多條海管,累計長度已超過7000km。已有管纜的準確在位狀態檢測對于后續防護工程開展具有重大意義。深海ROV是水下作業利器，通過攜帶各種傳感器，可廣泛應用于水下設施安裝、檢測維修等海洋開發作業。ROV在淺水區檢測定位傳感器采用超短基線定位系統(Ultra-Short Baseline，USBL)+水下羅經；在深水區檢測定位傳感器采用USBL+水下羅經+多普勒計程儀(Doppler Velocity Log，DVL)，數據融合在ROV母船進行。該定位系統長期沒有高可靠的國產化設備及軟件支持，為海工裝備“卡脖子”的關鍵技術之一。

在水下導航方面，張濤等提出了基于聲學浮標輔助慣導的水下定位方案[6]；Ma X.等提出了基于因子圖的多源信息融合算法[7]；M.Franchi等提出了一種基于自適應無跡卡爾曼濾波器的DVL和前視聲納組合方案[8]；Li W.等提出了基于神經網絡的捷聯慣導和DVL組合導航方案[9]；S.Suresh等提出了基于多波束聲納的水下同時定位與建圖(Simultaneous Lo-calization and Mapping，SLAM)方案[10]。在數據回放仿真方面，梁云濤等提出了基于vieWTerra平臺構建的船舶航行數據回放方案[11]；Jin X.等提出了基于真實回放信號的導航終端測試方案[12]；Yan F.等提出了岸基雷達的海上回波數據仿真系統[13]；C.Cristodaro等提出了全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)的數據回放測試方案[14]。水下導航定位算法的多樣化為ROV水下作業提供了豐富的數據來源，與此同時將實測數據的回放仿真與水下組合導航算法相結合，可以極大程度提高算法調試效率。

本文針對ROV導航定位系統需求，通過對ROV導航定位需求進行總結，構建系統框架，研究融合算法，形成工程樣機，并在實際掃管作業中進行驗證，為實現全國產化ROV導航定位系統提供堅實基礎。

1 ROV對導航定位系統需求概述

以某型ROV進行南海某水深300～1200m石油管線巡線調查為背景，巡線調查主要載體與設備系統資源有DP定位工作母船、深水工作級ROV、水面定位導航系統、水下定位導航系統、事件記錄系統、視頻記錄系統、實時數據采集系統和數據處理系統等。巡線調查的目的為查清管線在位狀態、路由位置、水深、障礙物及管線損傷情況、管線附屬結構基本信息等。主要設備系統與應用方式如圖1所示。

圖1 ROV作業場景及配置示意圖

該任務場景對水下導航定位需求如下：定位精度優于1m；定向精度不低于2°；姿態精度不低于0.2°；定位數據平滑無噪聲；數據輸出頻率不小于1Hz。

基于聲學定位系統良好的工作性能，USBL與長基線(Long Baseline，LBL)定位系統在水下工程作業中得到了廣泛應用，但獨立的LBL與USBL均無法滿足本任務場景需要。LBL定位精度高，精度不受水深影響,但定位控制范圍有限，適合工程安裝作業而不適合長距離定位導航作業。USBL應用方便，可快速部署到作業地點，但精度隨水深增加而降低。經評估，本作業場景下，USBL獨立定位精度為1.5～6m，數據輸出頻率1～2Hz，無法滿足巡檢導航定位需求。

為滿足水下定位導航要求，本文研究了USBL輔助下的組合慣導定位系統,為ROV管線巡檢提供基礎位置數據信息，研究涉及ROV搭載的傳感器主要有USBL信標、水下測量羅經、DVL及深度計。上述傳感器原始測量數據通過ROV臍帶纜傳輸至DP母船，導航數據融合終端在母船實現。

2 ROV導航定位框架設計

如圖2所示，導航定位系統框架主要包含嵌入式運行模式、仿真運行模式和數據分析模塊三部分。

圖2 實測數據回放導航系統結構示意圖

2.1 嵌入式運行模式

嵌入式運行模式是在ROV的嵌入式導航計算機中的工作模式。在該模式下，導航系統工作在真實的水下環境中，主要進行導航信息解算和原始信息存儲兩項任務，如圖3所示。

圖3 嵌入式運行模式示意圖

該模式下，系統輸入主要為傳感器數據、上位機指令和導航算法參數三大類。羅經、DVL、USBL和深度計是ROV接入的傳感器，分別為ROV提供量測的姿態角信息、對地速度信息、位置信息和深度信息；上位機指令是水下試驗過程中,上位機發出的包括算法復位、模式切換、參數賦值等在內的指令，是ROV工作環境的一部分；導航算法參數是包括量測噪聲、過程噪聲、狀態變量和協方差陣初始值等在內,會一定程度上影響算法穩定性、快速性和精度的參數。

傳感器數據和上位機指令以用戶數據包協議(User Datagram Protocol，UDP)接入系統，以系統內部時鐘為基準對以上信息進行時標配置，同時根據各傳感器協議進行解包。導航算法以初始參數和傳感器數據為輸入，實時解算ROV的定位信息并輸出。傳感器原始數據和解算的導航數據均被導航系統合并保存，以UDP輸出至存儲板形成實測數據文件。

2.2 仿真運行模式

仿真運行模式是在仿真計算機中的工作模式。在該模式下，導航系統工作在以回放數據為基礎的模擬環境中，主要進行水下試驗的數據復現和導航算法的調試更新仿真兩項任務，如圖4所示。

圖4 仿真運行模式示意圖

該模式下，系統輸入為導航算法參數和嵌入式運行模式中輸出的實測數據文件。實測數據文件中主要包括原始傳感器數據、上位機指令以及嵌入式運行模式下的系統狀態及導航輸出等內容。

仿真導航系統具備與嵌入式導航系統相同的時鐘基準，并以該基準對實測數據文件進行回放數據解析，將同步于當前時鐘的實測數據釋放，還原相應的傳感器原始數據以及嵌入式運行模式下的導航輸出數據。仿真導航系統與嵌入式導航系統的核心部分完全一致，共用相同的傳感器數據解包模塊和導航算法模塊，保證了仿真復現精度。

與嵌入式運行模式不同的是，仿真運行模式沒有進行基于時標的數據存儲，而是輸出一系列基于原始數據和仿真數據的文件，這些文件包含以系統時鐘為基準的各個時刻的傳感器數據、航位推算數據、組合導航數據和導航算法狀態變量等信息，為數據分析模塊提供豐富的數據來源。

2.3 數據分析模塊

數據分析模塊是運行在數據分析計算機上的軟件，為仿真運行模式下輸出的一系列數據文件提供可視化分析結果。

圖5所示為數據分析模塊的界面截圖。根據功能的不同，主要分為數據模式選擇、傳感器數據顯示和導航算法分析三部分。數據模式分為原始數據和仿真數據，分別對應仿真運行模式下輸出的原始數據文件和仿真數據文件，反映了嵌入式導航系統和仿真導航系統下的導航結果。傳感器數據顯示區的不同按鈕可以繪制羅經、DVL、USBL和深度計的數據曲線，同時USBL按鈕還能夠繪制ROV平面運行軌跡。導航算法分析區可以繪制航位推算和基于卡爾曼濾波的組合導航的位置圖像和平面運行軌跡，并以USBL為基準進行算法的誤差解算，同時能夠顯示狀態變量和協方差陣主對角線元素在濾波過程中的迭代情況，為算法調整和參數優化提供參考信息。

圖5 數據分析模塊界面截圖

3 ROV組合導航算法研究

3.1 航位推算

(1)

通過DVL獲得ROV在機體坐標系下的三軸線速度Vb，考慮速度量測噪聲WDVL是均值為0的高斯白噪聲，可以計算得到ROV在導航坐標系下的速度Vn，如式(2)所示

(2)

根據導航坐標系下的速度可以計算得到經緯度變化率，如式(3)所示

(3)

因此，經緯度迭代過程如式(4)所示

(4)

3.2 組合導航

圖6所示為基于卡爾曼濾波的組合導航原理圖，羅經和DVL進行航位推算迭代，航位推算的位置與USBL和深度計的位置作為卡爾曼濾波器的輸入進行組合導航，解算其位置誤差并以該誤差對航位推算結果進行校正,進而作為組合導航位置進行輸出。

圖6 組合導航原理圖

以緯度、經度和高度誤差作為狀態變量，則組合導航的系統方程為

(5)

(6)

以USBL與航位推算的經緯度之差和深度計與航位推算的高度之差作為觀測量，則量測方程可以表示為

(7)

根據卡爾曼濾波的計算公式進行迭代并實時進行航位校準，則可以計算得到組合導航位置。

4 測試驗證

基于上述系統框架及算法研究，研制了ROV導航定位系統工程樣機，如圖7和圖8所示，包含導航融合終端軟件及全國產化的光纖羅經。

圖7 ROV導航傳感器配置

圖8 導航數據融合終端

4.1 海試驗證

2021年11月，在南海某海域利用某型ROV進行導航定位系統測試驗證試驗，現場配置狀態如圖7所示。現場用于試驗的配套系統與傳感器主要有USBL(Sonardyne Range2 HPT5000)、DVL(RDI 1200kHz navigator )及深度計(Tretech Seaking Bathy)。

以其中一例掃管試驗為分析對象，實測數據輸出如圖9～圖12所示通過圖12組合輸出結果可以看出，相比USBL輸出，組合導航輸出結果更加平滑。通過曲線擬合方式，去除趨勢項后，USBL剩余噪聲方差為5m，組合導航剩余噪聲方差為0.8m，通過組合壓制了80%定位噪聲。

圖9 羅經航向角數據

圖10 DVL三軸速度數據

圖11 USBL定位數據

圖12 組合導航輸出結果

試驗測試過程中1000s時間段內，ROV坐底觀察，USBL輸出大量野值，組合系統輸出穩定，表明系統能夠有效應對USBL輸出異常。

4.2 成圖驗證

為檢驗本導航系統的有效性，通過商用綜合導航系統Starfix.NG分別記錄ROV載體USBL數據和本組合導航系統輸出的位置數據，并在多波束數據處理時分別應用兩組數據作為對比。

實測數據表明，本組合導航系統可以在保證數據平滑的基礎上，獲得較高的定位精度，組合系統能夠有效平滑USBL量測噪聲，并能夠有效去除USBL受到遮擋及干擾時輸出的野值點，數據輸出頻率達10Hz，如圖13所示。同時，將本組合導航系統輸出的位置數據應用于多波束數據處理也獲得了更細膩的細節表達，如圖14所示，調查所得數字地形模型能夠更真實地反映管線在位狀態及海底地形，對水下高精度調查具有巨大提升作用。

圖13 實測水下組合慣導與USBL位置對比

(a)應用USBL時三維視圖 (b)應用組合慣導時三維視圖

5 結論

針對ROV水下生產作業對導航定位系統的需求，研制了包含導航融合終端軟件及全國產化光纖羅經在內的ROV導航定位系統工程樣機，并進行了海上工程應用驗證，結果表明：

1)構建的包含嵌入式運行模式、仿真運行模式和數據分析模塊三部分的水下導航數據融合開發系統框架可靠有效，解決了水下導航算法研究過程中算法優化對試驗數據的一致性要求和水下試驗成本高、難度大、機會少的問題，極大地提高了水下導航算法研究的工作效率。

2)系統工程樣機設計合理，系統能夠根據時標準確記錄并回放ROV的工作環境、系統狀態和導航輸出，為ROV的故障分析提供數據支持；能夠根據實測數據的回放進行調試仿真，在保證外部環境一致的前提下，調試導航算法參數，為水下導航算法優化提供便捷的途徑；此外，能夠根據實測數據的復現和調試仿真的輸出進行可視化結果分析，直觀地顯示試驗過程數據以及導航算法的調試效果，為水下導航系統提供高效的交互方式。

3)基于USBL、水下羅經、深度計和DVL的組合導航是提高ROV水下作業定位精度的有效手段，能有效克服狀態發散，實現長時間高精度的水下導航定位。工程樣機實測中，對USBL噪聲實現80%抑制，并輔助多波束實現高清成圖，表明該工程樣機初步滿足設計要求，具備海上商業化運營條件。該系統的應用可顯著提高水下定位精度，拓寬ROV調查作業水深范圍，同時大大改善ROV水下安全作業條件，輔助ROV應對復雜的水下作業環境。

本研究投入小、成本可控、效益高，具有廣闊的應用前景，可廣泛應用于海上鋪管預調查、鋪管后調查、管線挖溝后調查、管線掩埋調查及海上設施安裝等ROV水下生產作業。但同時也應看到，水下環境復雜以及施工方式多變，系統存在待優化空間，主要為：

1)聲學導航設備極易受到干擾，提升聲學導航數據預處理能力，抑制噪聲，剔除野值是提升系統性能的最有效手段；

2)DVL對地速度數據是組合導航的重要組成部分，DVL的安裝角度誤差與比例因子的獲取是提高導航精度的關鍵；

3)當前ROV作業導航定位系統信息直接提供給成像設備進行輔助成圖，信息單向流動，如導航定位系統與成像傳感器構成SLAM系統，將能夠極大提升ROV作業性能。

基于上述認識，未來在系統性能提升方面可從以上三方面實施。