海洋技術(shù) 深海長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)現(xiàn)狀及展望

海洋技術(shù)|深海長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)現(xiàn)狀及展望海洋約占地球表面積的71%，是地球上尚未被人類充分認(rèn)識(shí)和利用的最大潛在資源基地。在海底及海洋中，蘊(yùn)藏著極其豐富的生物資源及礦產(chǎn)資源。然而，在海洋中，超過(guò)2000m水深的深海區(qū)占海洋面積的84%。因此，地球表面大部分是深海。潛水器是潛入深海進(jìn)行科學(xué)研究和調(diào)查作業(yè)必不可少的運(yùn)載作業(yè)裝備，它主要分為無(wú)人潛水器(UUV)和載人潛水器(HOV)。其中無(wú)人潛水器又分為遙控?zé)o人潛水器(ROV)和自主式無(wú)人潛水器(AUV)。利用各類潛水器開(kāi)展深海資源調(diào)查和科學(xué)研究不能忽略的一個(gè)重要問(wèn)題是潛水器的水下定位問(wèn)題，而海洋的介質(zhì)環(huán)境決定了聲比光和電磁波更適合作為水下定位技術(shù)的傳播載體。根據(jù)接收基陣基線長(zhǎng)度來(lái)分類，水下聲學(xué)定位技術(shù)可以分為長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)、短基線定位系統(tǒng)和超短基線定位系統(tǒng)3種。超短基線定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)成簡(jiǎn)單、操作方便、便于大范圍機(jī)動(dòng)作業(yè)等，但缺點(diǎn)是定位精度與深度有關(guān)，且定位結(jié)果由母船直接獲得，水下載體則需要通過(guò)光纜/電纜或水聲通信獲得定位信息。對(duì)于有纜的ROV，尚且能夠做到較高的實(shí)時(shí)性，但對(duì)于無(wú)纜的AUV等，受限于聲音傳播速度、通信周期等，往往存在較大的延時(shí)。長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是定位精度高（與作業(yè)深度無(wú)關(guān)）、實(shí)時(shí)性好（潛水器實(shí)時(shí)解算自身位置），缺點(diǎn)是需要投放信標(biāo)陣列，設(shè)備和時(shí)間成本較高。在深海作業(yè)支持領(lǐng)域，一些作業(yè)需要更精確的定位，這就需要長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)。本文首先介紹了長(zhǎng)基線定位的基本原理、系統(tǒng)組成和布陣原則，然后系統(tǒng)介紹了法國(guó)iXblue、挪威Kongsberg和英國(guó)Sonardyne等公司的3款典型深海長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)，并分析了國(guó)內(nèi)發(fā)展情況，最后展望了深海長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。一、長(zhǎng)基線定位系統(tǒng).基本原理在長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)中，被測(cè)水下載體上的問(wèn)答機(jī)向各應(yīng)答器發(fā)出詢問(wèn)信號(hào)，并接收各應(yīng)答器的應(yīng)答信號(hào)，通過(guò)信號(hào)傳播時(shí)延差，列出解算方程，最終確定被測(cè)載體的三維位置坐標(biāo)。長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)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(shí)際應(yīng)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，系統(tǒng)導(dǎo)航定位只需要2個(gè)海底應(yīng)答器即可，但是這樣會(huì)產(chǎn)生目標(biāo)的偏離模糊問(wèn)題，而且不能測(cè)量目標(biāo)的水深；在已知應(yīng)答器和問(wèn)答機(jī)的深度或深度差時(shí)，則需要3個(gè)海底應(yīng)答器即可唯一確定目標(biāo)位置；在不知問(wèn)答機(jī)換能器的深度時(shí)，是3個(gè)海底應(yīng)答器對(duì)應(yīng)的3個(gè)球面交匯，有雙解，一個(gè)在應(yīng)答器構(gòu)成的平面之上，一個(gè)在平面之下。為得到唯一解，需用4個(gè)海底應(yīng)答器。圖1給出了長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)的工作原理示意圖。應(yīng)答寮圖1長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)工作原理示意圖2.系統(tǒng)組成長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)包括兩部分：一部分是水下移動(dòng)載體上的問(wèn)答機(jī)（收發(fā)換能器），另一部分是一系列已知位置的固定在海底的應(yīng)答器，至少3個(gè)，并構(gòu)成一定的幾何形狀。應(yīng)答器之間的距離構(gòu)成基線，基線長(zhǎng)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(wèn)答器和應(yīng)答機(jī)上還需要分別配備高精度同步時(shí)鐘。通常，問(wèn)答器安裝在水下載體的上部或下部，以避免遮擋。.布陣原則長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)信標(biāo)布放應(yīng)遵循以下基本原則：⑴各信標(biāo)必須實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)位置及其附近區(qū)域的有效覆蓋，以保證該區(qū)域的定位精度。⑵各信標(biāo)應(yīng)盡可能構(gòu)成有規(guī)則的幾何形狀。⑶各信標(biāo)應(yīng)盡可能避開(kāi)水下載體的作業(yè)軌跡。⑷應(yīng)根據(jù)潛標(biāo)投放位置的深度設(shè)計(jì)潛標(biāo)，使信標(biāo)處于水下載體主要作業(yè)深度正負(fù)100m以內(nèi)。二、深海長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀目前國(guó)外長(zhǎng)基線定位技術(shù)比較成熟，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)的產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化、系列化。國(guó)際上主要的長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)生產(chǎn)廠商主要有法國(guó)iXblue、挪威Kongsberg、英國(guó)Sonardyne等公司（見(jiàn)表1）。

表1典型深海長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)對(duì)比產(chǎn)品iXblueRAMSES6000KongsbergcPAP17SonardyneROVNav6工作頻帶/kHz8-17.510-1619-34測(cè)距精度/m0.050.020.015定位精度/m0.10——作用距離/m80008000—工作深度/m600070007000兼容性POSIDONIAHiPAPRanger電源12/36VDC15VDC24/48VDC而寸壓殼體鈦合金不銹鋼7075型鋁信號(hào)形式M-FSKCmbalWideBand空氣重量/kg1111.521.5高度/mm126559768直徑/mm505852001.法國(guó)iXblue公司的RAMSES6000法國(guó)iXblue公司的RAMSES型產(chǎn)品屬于新一代長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)，它分為中頻型(20?30kHz)和低頻型(8?17.5kHz)。其中低頻型又稱為RAMSES6000(如圖2所示)，其最大作業(yè)深度為6000m，最大作用距離為8000m，測(cè)距精度為0.05m。得益于iXblue公司強(qiáng)大的技術(shù)基礎(chǔ)和完整的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，RAMSES6000最大的特點(diǎn)是組合兼容性強(qiáng)，數(shù)據(jù)融合技術(shù)獨(dú)特。RAMSES6000可與iXblue公司的POSIDONIAII超短基線和PHINS慣導(dǎo)構(gòu)成一套完整的模塊化水下導(dǎo)航系統(tǒng)，提供穩(wěn)健、高更新率的定位信息。圖2法國(guó)iXblue公司的RAMSES6000RAMSES6000既可以作為常規(guī)的長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)使用，也可以與iXblue公司慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行緊組合使用。當(dāng)作為常規(guī)長(zhǎng)基線使用，且水下載體的深度信息已知時(shí)，它至少需要在海底布放3個(gè)應(yīng)答器；當(dāng)水下載體的深度信息未知時(shí)，則最少需要4個(gè)海底應(yīng)答器；當(dāng)它與慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行緊組合時(shí)，RAMSES6000則可以減少對(duì)海底應(yīng)答器的依賴，最少需要1個(gè)即可實(shí)現(xiàn)常規(guī)長(zhǎng)基線的定位精度。RAMSES6000所采用的稀疏海底應(yīng)答器定位方案，可以大大減輕布陣、測(cè)陣帶來(lái)的高昂代價(jià)?；诩磿r(shí)定位與地圖構(gòu)建(SLAM)校準(zhǔn)技術(shù)，RAMSES6000支持更加靈活的海底應(yīng)答器布陣，而且可以在短時(shí)間內(nèi)(30min)完成海底應(yīng)答器陣型的校準(zhǔn)。得益于RAMSES6000出色的深海定位性能，它已經(jīng)成為法國(guó)海洋開(kāi)發(fā)研究所(Ifremer)的Nautile號(hào)載人潛水器和VICTOR號(hào)ROV等深海裝備的主要定位工具。在國(guó)內(nèi)，7000m載人潛水器蛟龍?zhí)柋闶沁x用了該產(chǎn)品作為主要水下聲學(xué)定位設(shè)備。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(kāi)發(fā)了cPAP系列高精度長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)。cPAP系列包括中頻段cPAP34和低頻段cPAP17。它們可以采用兩種聲學(xué)協(xié)議，即新Cymbal(PSK)協(xié)議和HiPAP/HPR(FSK)協(xié)議。Cymbal是一種用于通信和定位的全新聲學(xué)協(xié)議，它采用基于相移鍵控的直序擴(kuò)頻技術(shù)(DSSS)，可以有效抑制多途干擾。所有的cPAP系列長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)都擁有相同的軟件和硬件平臺(tái)。其中，cPAP17(如圖3所示)的工作頻帶為10?16kHz，其最大作業(yè)深度為7000m，最大作用距離為8000m，測(cè)距精度為0.02m。cPAP17的水下收發(fā)機(jī)單元采用模塊化設(shè)計(jì)，其換能器、收發(fā)機(jī)電路和端蓋模塊均可根據(jù)實(shí)際用途進(jìn)行替換。此外，Kongsberg公司開(kāi)發(fā)的聲學(xué)定位操作站(APOS)可以采用批處理方式對(duì)長(zhǎng)基線陣型進(jìn)行快速校準(zhǔn)。

圖3挪威Kongsberg公司的cPAP17英國(guó)Sonardyne公司的ROVNav6針對(duì)海洋油氣資源開(kāi)發(fā)中的大量ROV的使用，以及對(duì)高精度導(dǎo)航定位的需求，英國(guó)Sonardyne公司先后開(kāi)發(fā)了一系列長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)，如Prospector系列、Dunker6系列、Fusion6G系列和ROVNav系列。ROVNav6（如圖4所示）是最新一代6GWideband2長(zhǎng)基線問(wèn)答機(jī)，是專門為作業(yè)級(jí)ROV設(shè)計(jì)的。針對(duì)作業(yè)級(jí)ROV嘈雜的背景噪聲，ROVNav6采用SonardyneWideband2信號(hào)處理技術(shù)來(lái)提高其測(cè)距性能。ROVNav6屬于

測(cè)距精度中頻段，其工作頻帶為19?34kHz，其最大作業(yè)深度為7000m，測(cè)距精度為0.015m。圖4英國(guó)Sonardyne公司的ROVNav6隨著其寬帶數(shù)字技術(shù)的不斷成熟，Sonardyne推出了融合數(shù)字水聲通信技術(shù)的Compatt系列長(zhǎng)/超短基線信標(biāo)。過(guò)去為測(cè)量鄰居的信標(biāo)，并將單次測(cè)距結(jié)果遙控傳輸給長(zhǎng)基線問(wèn)答機(jī)，需要在基線采集模式下啟動(dòng)每一個(gè)信標(biāo)，導(dǎo)致一次只能測(cè)量一條基線。由于Compatt信標(biāo)可以同時(shí)工作在多種模式下，而不需要每次都啟動(dòng)一種模式，使得Compatt信標(biāo)可以同時(shí)對(duì)陣型中的其他Compatt信標(biāo)進(jìn)行測(cè)距，并存儲(chǔ)測(cè)距結(jié)果，然后再遙控傳輸給長(zhǎng)基線問(wèn)答機(jī)。這種由單基線依次測(cè)量到多基線同時(shí)測(cè)量的改變，可以大大提高陣型測(cè)量的效率。例如，對(duì)于一個(gè)8元Compatt陣，過(guò)去需要90min以上才能完成陣型測(cè)量，而現(xiàn)在需要不足15min就可以完成測(cè)量。當(dāng)ROV處于應(yīng)急狀態(tài)時(shí)，ROVNav6可以工作中超短基線模式，作為超短基線應(yīng)答器，與Sonardyne超短基線配合完成定位。其內(nèi)置鋰離子充電電池可以保證ROV失去電力情況下的再定位。.國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀2004年，中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院與中船重工710研究所聯(lián)合研制了“水下DGPS高精度定位系統(tǒng)”，能夠?yàn)樗潞叫衅魈峁┚_的定位和授時(shí)。哈爾濱工程大學(xué)多年來(lái)圍繞長(zhǎng)基線定位技術(shù)開(kāi)展了大量研究，研制了國(guó)內(nèi)第一套高幀率、大范圍、無(wú)線電遙控浮標(biāo)陣的GRAT長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)。近年來(lái)，哈爾濱工程大學(xué)研發(fā)了深海高精度水聲綜合定位系統(tǒng)，將超短基線、長(zhǎng)基線定位技術(shù)進(jìn)行了深度融合，解決了海洋聲速慢、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的大時(shí)延異步高精度定位難題，成功支撐了“深海勇士號(hào)”載人潛水器首航試驗(yàn)。三、深海遠(yuǎn)程長(zhǎng)基線發(fā)展趨勢(shì)通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外典型長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)的比較分析，以及參考其他一些系統(tǒng)，可以得出深海長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是陣型快速標(biāo)定、長(zhǎng)基線與超短基線相結(jié)合、長(zhǎng)基線與高速數(shù)字水聲通信相結(jié)合、多AUV移動(dòng)長(zhǎng)基線和單信標(biāo)輔助導(dǎo)航。.陣型快速標(biāo)定長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是需要投放信標(biāo)陣列，并進(jìn)行陣型標(biāo)定，往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。這是由于傳統(tǒng)的長(zhǎng)基線通常采用逐次標(biāo)定的方式造成的。當(dāng)采用水面船舶超短基線對(duì)信標(biāo)進(jìn)行絕對(duì)位置測(cè)量時(shí)，往往需要船舶圍繞信標(biāo)航行一個(gè)圓形軌跡，通過(guò)多次多角度測(cè)量的方式提高測(cè)量精度。如果能夠在信標(biāo)上增加數(shù)據(jù)傳輸功能，采用批處理的方式對(duì)信標(biāo)間基線的相互測(cè)量，完成相對(duì)陣型標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)基線陣型的快速標(biāo)定。在這方面，挪威Kongsberg公司和英國(guó)Sonardyne公司是先行者，它們的長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)均具備快速陣型標(biāo)定能力。.長(zhǎng)基線與超短基線相結(jié)合長(zhǎng)基線的優(yōu)點(diǎn)是定位精度高，且與深度無(wú)關(guān)，缺點(diǎn)是需要投放信標(biāo)陣列，設(shè)備和時(shí)間成本較高。超短基線聲學(xué)換能器陣安裝在船底/側(cè)舷，其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)動(dòng)靈活，便于大范圍機(jī)動(dòng)作業(yè)。如果將長(zhǎng)基線與超短基線相結(jié)合，開(kāi)發(fā)長(zhǎng)/超短基線組合定位系統(tǒng)，既可以保證定位精度獨(dú)立于工作水深，又兼具超短基線機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下載體的連續(xù)高精度導(dǎo)航定位。在這方面，英國(guó)Sonardyne公司是先行者，已推出LUSBL組合定位系統(tǒng)。.長(zhǎng)基線與高速數(shù)字水聲通信相結(jié)合長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)的高精度定位跟蹤，數(shù)字水聲通信則是水下無(wú)線信息獲取、傳輸和控制的首要技術(shù)手段。除有纜水下裝備（如ROV、深拖等），大多數(shù)海洋調(diào)查裝備都需要數(shù)字水聲通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，或指令交互。如果能夠?qū)㈤L(zhǎng)基線和高速數(shù)字水聲通信相結(jié)合，在長(zhǎng)基線問(wèn)答機(jī)和應(yīng)答器（信標(biāo)）上增加數(shù)字通信功能，則可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)基線問(wèn)答機(jī)和水面船舶、長(zhǎng)基線應(yīng)答器之間，以及問(wèn)答機(jī)與應(yīng)答器之間的數(shù)字通信傳輸。在這方面，英國(guó)Sonardyne公司是先行者，其推出的長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)和Compatt信標(biāo)都具備高速數(shù)字水聲通信功能。多AUV移動(dòng)長(zhǎng)基線傳統(tǒng)的長(zhǎng)基線往往需要單獨(dú)在海底或海面布放多個(gè)信標(biāo)，以構(gòu)成數(shù)千米的定位基線，這也導(dǎo)致了工作量大、僅能在覆蓋區(qū)域進(jìn)行定位等缺點(diǎn)。現(xiàn)在隨著AUV向集群化、協(xié)同化發(fā)展，如果將應(yīng)答器布設(shè)在多個(gè)協(xié)同作業(yè)的AUV上，主AUV內(nèi)部裝配高精度導(dǎo)航設(shè)備，從AUV內(nèi)部裝配低精度導(dǎo)航設(shè)備，通過(guò)測(cè)量AUV之間的相對(duì)位置關(guān)系，構(gòu)建多AUV移動(dòng)長(zhǎng)基線，可以實(shí)時(shí)獲取從AUV的位置信息。.單信標(biāo)輔助導(dǎo)航長(zhǎng)基線陣型的快速標(biāo)定可以大大提高標(biāo)定效率，但是多個(gè)信標(biāo)的布放和回收仍需要耗費(fèi)大量時(shí)間和精力。如果只利用海底固定的單只信標(biāo)提供測(cè)距信息，并結(jié)合水下載體上的慣導(dǎo)系統(tǒng)（或姿態(tài)傳感器+多普勒計(jì)程儀構(gòu)成航位推算系統(tǒng)），通過(guò)對(duì)航行路徑的合理規(guī)劃，則可實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)航定位，有效抑制慣導(dǎo)系統(tǒng)/航位推算隨時(shí)間漂移的問(wèn)題。在這方面，法國(guó)iXblue公司是先行者，得益于該公司在姿態(tài)傳感器和慣性導(dǎo)航設(shè)備方面的強(qiáng)大研究實(shí)力，當(dāng)RAMSES6000與其慣導(dǎo)系統(tǒng)緊組合時(shí)