引言

      海洋工程勘察是各類海洋工程建設(shè)項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工以及工程環(huán)境評(píng)價(jià)（生態(tài)保護(hù)、地址災(zāi)害防治等） 所需基礎(chǔ)資料的重要來(lái)源，是海洋工程建設(shè)不可或缺的環(huán)節(jié)[1]。傳統(tǒng)的海洋工程勘察技術(shù)采用船載和拖曳的作業(yè)方式，隨著水深增加，測(cè)深儀、地貌儀、淺地層剖面儀等聲學(xué)設(shè)備發(fā)射和接收聲波的距離增加，聲波能量衰減迅速，導(dǎo)致探測(cè)的分辨率、精度和探測(cè)深度都大大降低，無(wú)法滿足深水油氣構(gòu)筑物工程設(shè)計(jì)和施工的需要[2]。深水工程勘察作業(yè)中，通常采用水下載體（如深拖、AUV）搭載測(cè)深儀、地貌儀、淺地層剖面儀等調(diào)查設(shè)備在距離海底表面40-80m的高度進(jìn)行高分辨勘察作業(yè)的方式。定位信息是海洋工程勘察成果的基礎(chǔ)，所有調(diào)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(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。盡管以 BDS、GPS、 GLONASS 和 Galileo 為代表的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS， Global Navigation Satellite System）能夠?yàn)槿�球用戶提供�?天候、全天時(shí)、高精度導(dǎo)航定位服務(wù)，但由于海水對(duì)電磁波 能量的吸收作用很強(qiáng)，限制了其傳播距離，使得以電磁波 為傳播載體的無(wú)線電導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)手段無(wú)法直接 用于水下目標(biāo)定位。而聲波以其在水中傳播能量衰減小，傳播距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)，成為水下定位的主要選擇。

水下聲學(xué)定位技術(shù)是通過(guò)測(cè)量聲波在水體中傳播時(shí)間、相位等信息實(shí)現(xiàn)水下高精度定位的技術(shù)。根據(jù)接收基陣的基線長(zhǎng)度不同，聲學(xué)定位系統(tǒng)主要分為長(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)。其中超短基線 定位系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便利、測(cè)距精度高、成本低等 諸多優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用于深水工程勘察作業(yè)中。

1 超短基線系統(tǒng)的定位原理與組成

1.1 定位原理

      超短基線是通過(guò)安裝在船上的聲學(xué)換能器向水下發(fā) 射聲波信號(hào)，安裝在水下目標(biāo)上的聲學(xué)應(yīng)答器在接收到訊 問(wèn)信號(hào)后立即返回一個(gè)區(qū)別于訊問(wèn)信號(hào)的響應(yīng)信號(hào)回?fù)Q 能器[4]，從而來(lái)確定探測(cè)目標(biāo)相對(duì)于換能器基陣的距離和 角度。距離和角度的測(cè)量基于以下兩個(gè)原理：其一，通過(guò)精 確測(cè)定聲波在換能器與探測(cè)目標(biāo)之間的傳播時(shí)間，再用聲 速剖面修正波束線，確定目標(biāo)相對(duì)于換能器的距離；其二， 通過(guò)測(cè)量換能器基陣上不同接收單元接收回波信號(hào)的相位差，確定目標(biāo)相對(duì)于換能器的角度。系統(tǒng)根據(jù)換能器基陣坐標(biāo)系相對(duì)于船舶坐標(biāo)系的固定關(guān)系，結(jié)合羅經(jīng)、姿態(tài) 傳感器提供的實(shí)時(shí)的船舶姿態(tài)與艏向信息以及水面定位 系統(tǒng)提供的船舶地理坐標(biāo)，就可以實(shí)時(shí)解算出水下應(yīng)答器 所在位置的地理坐標(biāo)。

      常規(guī)超短基線的換能器內(nèi)含1個(gè)發(fā)射單元，3 個(gè)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(zhǎng)）的分布組成一個(gè)平面正交接收陣[5]。接 收單元之間的位置精確測(cè)定，組成聲基陣坐標(biāo)系。如圖 1 所示，H1、H、H3、H4 是四個(gè)正交排列的換能器接收單元，他 們到聲基陣坐標(biāo)系原點(diǎn) O 的距離均為 D/2。原點(diǎn) O 到 H1 方向指向船艏方向，為 X 軸方向，原點(diǎn) 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。

如圖2所示，假設(shè)P為水下應(yīng)答器位置，OP 與各坐標(biāo)軸之間的夾角分別為 茲x、茲y、茲z，P到聲基陣坐標(biāo)系原點(diǎn) O 的距離為S。設(shè) 駐漬x、駐漬y 為接收單元 H1 與 H2 以及 H3 與 H4 接收單元所接收信號(hào)之間的相位差，酌為聲波波長(zhǎng)，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(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于換能器到應(yīng)答器P點(diǎn)的距離S，因此可以認(rèn)為接收單元接收到的回波聲線是平行的。則OP與各坐標(biāo) 軸之間的夾角分別為茲x、茲y、茲z可以用如下公式表示：

圖 1 超短基線換能器聲基陣坐標(biāo)系示意圖

圖 2 超短基線定位原理圖

根據(jù)空間直線OP的長(zhǎng)度以及與各坐標(biāo)軸之間的夾角， 可以直接得出P點(diǎn)在換能器陣坐標(biāo)系中的坐標(biāo)（x，y，z）。

1.2 系統(tǒng)組成

      超短基線定位系統(tǒng)一般包括水下定位系統(tǒng)、輔助傳感 器和水面定位系統(tǒng)三個(gè)組成部分，如圖 3 所示。其中水下 定位系統(tǒng)由安裝在船體的聲學(xué)換能器和水下的聲學(xué)應(yīng)答 器組成；輔助傳感器含高精度光纖羅經(jīng)和姿態(tài)儀，用以準(zhǔn) 確測(cè)量船舶的升沉、橫搖、縱搖和艏向（heave/roll/pitch/ heave/Heading）；水面定位系統(tǒng)通常由全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) （GNSS）接收機(jī)組成，用以實(shí)時(shí)測(cè)定船舶的地理位置。

2 影響超短基線系統(tǒng)定位性能的因素

      超短基線定位系統(tǒng)可以直接測(cè)量出水下目標(biāo)相對(duì)于 換能器的距離和方位[6]，如果要進(jìn)一步得到水下目標(biāo)的絕對(duì)位置（地理坐標(biāo)），就需要精確測(cè)定換能器聲基陣坐標(biāo)系 與船舶坐標(biāo)系的相對(duì)關(guān)系，包括換能器在船舶坐標(biāo)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(biāo)、姿態(tài)傳感器提供的瞬時(shí)姿 態(tài)數(shù)據(jù)和羅經(jīng)提供的船舶艏向數(shù)據(jù)。因此，影響超短基線 定位系統(tǒng)精度的主要因素可以歸納為 3 類：測(cè)量設(shè)備自身 誤差、安裝角度偏差、聲速誤差。

2.1 測(cè)量設(shè)備自身誤差

      超短基線換能器聲基陣誤差會(huì)影響測(cè)量水下目標(biāo)的 相對(duì)位置，因此，在使用前需要對(duì)換能器聲基陣進(jìn)行標(biāo)定。 對(duì)于商用超短基線系統(tǒng)，在出廠前，生產(chǎn)廠家一般都會(huì)精 確標(biāo)定系統(tǒng)聲基陣誤差。超短基線系統(tǒng)計(jì)算水下目標(biāo)的絕 對(duì)位置，需要融合安裝在船舶上的 GNSS 提供的地理坐 標(biāo)、姿態(tài)傳感器提供的瞬時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)和羅經(jīng)提供的船舶艏 向數(shù)據(jù)。這些設(shè)備本身固有的誤差也會(huì)影響絕對(duì)坐標(biāo)的解 算精度，因此應(yīng)盡可能使用高精度設(shè)備，減少儀器本身可能帶來(lái)的誤差。

2.2 安裝角偏差

      在超短基線定位系統(tǒng)中, 由于輔助測(cè)量設(shè)備羅經(jīng)與姿 態(tài)傳感器和超短基線換能器通常是分離式安裝, 從而導(dǎo)致 換能器聲基陣坐標(biāo)系與船體坐標(biāo)系間存在旋轉(zhuǎn)角偏差[8]， 即航向偏差、橫搖偏和縱搖偏差。其中，航向誤差會(huì)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(duì)超短 基線水平和垂直定位精度均有影響。根據(jù)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，在 1毅 角度偏差下，水下目標(biāo)與換能器相距 2km 時(shí)，會(huì)產(chǎn)生 35m 的定位誤差。而當(dāng)角度偏差為 0.1毅時(shí)，同樣相距 2km，產(chǎn)生 的定位誤差在僅在 3m 左右。因此，在使用前，必須要對(duì)超 短基線系統(tǒng)進(jìn)行安裝角偏差校準(zhǔn)，尤其是在深水作業(yè)時(shí)， 需要在作業(yè)區(qū)域內(nèi)最大水深處進(jìn)行安裝偏差角校準(zhǔn)，盡可 能減小安裝角偏差對(duì)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(lái)源于聲速值的誤差和聲線彎曲。超 短基線定位系統(tǒng)測(cè)距是通過(guò)測(cè)量聲波信號(hào)在換能器和水 下目標(biāo)之間的旅行時(shí)間，結(jié)合聲波在水中的聲速?gòu)亩�確定 水下目標(biāo)與換能器之間的距離。聲速值的誤差將會(huì)直接影 響超短基線測(cè)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(jìn) 的，而是彎曲的。從超短基線定位公式可以發(fā)現(xiàn)，確定水下 目標(biāo)相對(duì)于換能器聲基陣的位置需要解算聲波返回?fù)Q能 器陣的到達(dá)角。水體中的聲速變化引起的折射會(huì)改變聲波 的路徑，聲波返回?fù)Q能器基陣的到達(dá)角并不能真實(shí)的反應(yīng) 水下目標(biāo)的實(shí)際方向。聲波的入射角越大，聲線彎曲越嚴(yán) 重，當(dāng)水下目標(biāo)位于換能器正下時(shí)，由于聲波垂直入射，聲 線沒有彎曲。因此在超短基線作業(yè)過(guò)程中，需要將入射角保 持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，減少聲線彎曲對(duì)定位精度的影響。

3 超短基線在深水工程勘察作業(yè)中的應(yīng)用

3.1 深水 AUV 調(diào)查作業(yè)中的應(yīng)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(gè)智能化的深水 潛航載體類似一艘無(wú)人潛水勘察船，可以搭載各種測(cè)量設(shè) 備如測(cè)深儀、地貌儀、淺地層剖面儀等進(jìn)行海底搜尋、地形 地貌探測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)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(yōu)越性能取代常規(guī)的 水面船載、拖曳式調(diào)查作業(yè)，是目前深海油氣勘探開發(fā)及 其重要的技術(shù)手段。中海油服于 2015 年從國(guó)外購(gòu)置了 Explorer 3000M AUV 用于深水工程勘察，至今已完成上萬(wàn) 公里的調(diào)查作業(yè)，為深水油氣田的勘探開發(fā)提供了大量的 高精度、高分辨率的調(diào)查數(shù)據(jù)。Explorer 3000M AUV 搭載 Kongsberg EM2040 型多波束測(cè)深系統(tǒng)、EdgeTech 2200M 型側(cè)掃聲吶和淺地層剖面系統(tǒng)等測(cè)量設(shè)備，能夠在 3000m 以淺海域進(jìn)行深水工程勘察作業(yè)，獲取海底高精度地形地 貌和淺地層剖面資料。

      與絕大多數(shù) AUV 一樣，Explorer 3000M AUV 水下導(dǎo) 航系統(tǒng)采用了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和多普勒計(jì)程儀（DVL） 組合導(dǎo)航方式。在距離海底高度不超過(guò) 200m 航行時(shí)，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(jì)誤差[9]，但水下導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差仍會(huì)隨著工作 時(shí)間和航程的增長(zhǎng)而增大，使得 AUV 偏離了預(yù)設(shè)的調(diào)查 測(cè)線。因此，需要使用水下聲學(xué)定位技術(shù)來(lái)修正 AUV 水下 導(dǎo)航系統(tǒng)的累計(jì)誤差，使其回到預(yù)設(shè)的調(diào)查測(cè)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(xué)定位信標(biāo)，用于超短基線定 位。Explorer 3000M AUV 在水下航行作業(yè)期間，為了提升 超短基線定位精度，安裝了 作業(yè)母船始終保持在 AUV 正上方航行 IXBlue GAPS ，GAPS 超短基線系統(tǒng)的 跟蹤的水下 信標(biāo)準(zhǔn)確絕對(duì)位置通過(guò)聲學(xué)通訊系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸至 Explorer 3000M AUV 內(nèi)部慣導(dǎo)系統(tǒng) Phins 中，用以消除 INS+DVL 組合導(dǎo)航的精度漂移。Phins 是一套高精度閉環(huán) 光纖陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)，可提供載體的真方位角、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、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(guò)卡爾曼濾波，可以實(shí)時(shí)估算出 AUV 在水下的最優(yōu)位置。

3.2 深拖調(diào)查作業(yè)中的應(yīng)用

      深拖（Deep-Tow）調(diào)查是將一種或幾種海洋調(diào)查儀器 進(jìn)行組合安裝在一個(gè)深水拖魚（體）上，通過(guò)將拖體沉放到 預(yù)定深度來(lái)減少水體對(duì)儀器的影響，從而獲取高質(zhì)量多波 束、側(cè)掃聲吶和淺地層剖面等數(shù)據(jù)的一種深海工程勘察方 法。以 EdgeTech DT-1 深拖系統(tǒng)為例，深拖系統(tǒng)主要由水 下拖體及搭載設(shè)備、拖曳系統(tǒng)（含壓載器、拖纜、臍帶纜、絞車）、釋放回收系統(tǒng)、甲板通訊鏈及系統(tǒng)控制處理器等四大 部分組成。深拖系統(tǒng)一般搭載多波束測(cè)深系統(tǒng)、側(cè)掃聲納 系統(tǒng)、淺地層剖面儀，以及輔助傳感設(shè)備（光纖羅經(jīng)、運(yùn)動(dòng) 傳感器、實(shí)時(shí)聲速計(jì)、壓力傳感器、多普勒計(jì)程計(jì)、高度計(jì) 和水下聲學(xué)定位信標(biāo)等）。與 AUV 不同，深拖系統(tǒng)拖體是 不帶動(dòng)力裝置的，完全依靠作業(yè)母船拖曳航行。

      深拖系統(tǒng)定位多采用水下聲學(xué)導(dǎo)航定位,尤其是超短 基線定位系統(tǒng)因其具有成本低、操作簡(jiǎn)便、無(wú)需布設(shè)海底 應(yīng)答器、安裝靈活、測(cè)距精度高等諸多優(yōu)勢(shì),已成為深拖系 統(tǒng)定位的主流技術(shù)手段。在深拖作業(yè)中，按照深拖拖體后 拖的水平距離，深拖作業(yè)可以分為雙船定位作業(yè)和單船定 位作業(yè)模式[10]。根據(jù)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，在 700m 水深以淺作業(yè)時(shí)， 一般采用單船定位作業(yè)模式，700m 水深以深時(shí)采用雙船 定位作業(yè)模式。單船定位作業(yè)模式中，作業(yè)母船上安裝超 短基線換能器，同時(shí)負(fù)責(zé)深拖拖體的拖曳與定位跟蹤。而 在雙船定位作業(yè)模式，通常會(huì)配備一條追蹤定位船和一條 深拖拖曳船。深拖系統(tǒng)水下拖體的定位主要靠安裝在追蹤 定位船側(cè)舷的超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)結(jié)合 DGNSS 定位系 統(tǒng)的方式對(duì)水下拖體進(jìn)行定位。追蹤定位船上的導(dǎo)航系統(tǒng) 將 GNSS 天線接收到的位置信息，實(shí)時(shí)傳輸至 USBL 聲學(xué) 定位系統(tǒng)中，USBL 聲學(xué)定位系統(tǒng)軟件結(jié)合 USBL 收發(fā)探 頭與水下拖體的相對(duì)位置信息及 GNSS 天線與 USBL 收 發(fā)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(guò)無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給拖曳 船，通過(guò)時(shí)間匹配將位置信息整合到工程勘察采集資料中。

4 結(jié)語(yǔ)

      超短基線定位系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便利、成本低、 測(cè)距精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于深水工程勘察作業(yè) 中，未來(lái)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(fā)展與研究的重點(diǎn)，如將高精度姿態(tài)傳 感器與光纖羅經(jīng)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(shù)字信號(hào)代替?zhèn)鹘y(tǒng)音頻信號(hào)能夠有效降 低多路徑效應(yīng)和周圍環(huán)境噪聲的影響，提升測(cè)距精度等。

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