USBL水下定位系统拖体定位应用探讨

曾凡祥,胡家赋,宋来勇,易 锋

(广州海洋地质调查局，广东 广州 510760)

0 引 言

近年来,随着海洋测绘、海洋科学研究和海洋勘探开发活动对数据的精度要求越来越高,水下工作拖体(磁力拖鱼、声纳拖鱼、水下机器人等)的精确定位至关重要。水下拖体的定位方式一般有Layback方式[1]与超短基线定位。在浅水区域，通常采用前一种方式进行水下目标体的定位。但对于深水区声纳等物探调查，Layback方式[1]确定的拖鱼位置精度过低，无法满足海洋工程的需要，而需要采用超短基线定位系统来获取高精度水下的目标位置。

相对于国外对水下定位系统的研究和应用，我国仅处于起步阶段，目前国内对USBL 水下定位系统的使用主要集中在少数几家单位，且大多仅用于水下机器人(ROV)、深拖等姿态稳定的调查项目，尚未用于深水磁力调查、声纳调查。本文成功将USBL水下定位系统用于深水磁力调查，获取了磁力拖鱼的精确位置，工程实例表明：将USBL水下定位系统用于磁力等拖体的定位，能满足高精度海洋调查的需要。

1 USBL原理

USBL依据从目标到达各水听器的声波相位差来计算目标的俯仰角和方位角;通过测量声波的传播时间来计算目标的斜距,从而确定目标的位置[2]。以四个水听器组成的基阵为例,定位原理如图1所示。

图1 定位几何图

设目标位于S处,在"北东地"直角坐标系中的坐标为(x,y,z),目标径矢为OS,R为目标到基阵中心的距离,S′为S在xoy平面上的投影,它与x轴的夹角θ为目标水平方位角。α为径矢OS与x轴夹角,β为径矢OS与y轴夹角。记2 号水听器和1 号水听器所接收声波的相位差为φ21,4 号水听器和3 号水听器所接收声波的相位差为φ43,当目标位置满足远场条件,在平面波模型下,根据空间几何关系不难得出:

φ21=kdcosα,

(1a)

φ43=kdcosβ,

(1b)

式中:k为波数；d为基线长度(d≤R)。同时得到:

θ=arctan(y/x)=arctan(cosβ/cosα)

=arctan(φ21/φ34),

(2)

(3)

式中:θ为目标方位角;r为目标水平斜距。

式(1)～(3)为超短基线定位计算的基本公式,α、β和R为测量值,测得α和β值即可按上述诸式计算目标的位置参数。

(4a)

(4b)

因此,超短基线实际的测量值为φ21、φ43和R.R可通过回波测距测得,具有很高的精度,暂不考虑其测量误差对定位的影响。x和y的测量精度则主要取决于φ21和φ43的测量精度。而阵元间相位差常用自适应相位计来测量,有较高的精度[3]。

2 USBL组成

USBL系统由水下定位部分和水上定位组成，如图2所示，水上定位由GPS完成。而水下定位系统又包括声学定位系统和姿态传感系统。水下声学系统由发射接收单元、声学应答器(简称信标)组成。

超短基线定位声学系统可分为水下声学测量设备和水上数据采集处理设备两大部分组成，其中水下声学测量设备由安装在船体的声学换能器(发射/接收单元)和安装在水下移动载体的信标组成。信标是放置在海底或载体上的发射接收器，只有在收到询问信号时才回答，通常每一应答器对应一种频率，以加以区分不同的信标信号。

图2 USBL系统示意

水上数据采集与处理部分一般为集成于一体的主机，含控制单元与电脑主机。用于各种外接设备的连接与数据的数据输入/输出控制，同时控制声学信号的发射、所接收信号的处理和各设备位置的计算等。

3 USBL应用实例

在某井场预作业区域(水深约为690 m)，需确定作业区域内海底光缆的走向及位置。在工区水深且海底水流状况不明的情况下，磁力调查的作业钢缆过长，无法根据常规方式计算出磁力拖体的精确定位，进而进一步计算出光缆的位置及走向。为获取准确的光缆位置，决定使用Ranger Pro USBL超短基线水下定位系统(精度为斜距的0.2%)对磁力拖鱼进行定位。

3.1 姿态传感器校准

对于超短基线水下定位系统而言，纵倾、横摇、艏向和探头的位置信息至关重要，它们直接决定着目标定位的精度。为取得精确的传感器改正参数，必须进行校准试验[4-5]。

Ranger Pro USBL的校准需具备以下几个条件：

1)将DPT(校准信标)固定于海底；

2)拥有准确的声速剖面数据；

3)GPS接收机、光纤罗经等外部传感器正常工作；

4)船舶沿既定测线航行并时刻始终保持较小的偏航距。

选择了水深约为300 m，地势平坦的区域进行校准，校准步骤如下：

1)检查DPT信标。为确保DPT信标投放/回收的成功率，下水前仔细检查DPT声学释放器、通讯情况、电池电量，确保释放钩已合上、信标已打开；

2)投放DPT信标。用一条1.5 m左右的钢缆将信标和水泥重块相连，再用吊机将信标和重物放入水中；

3)设计测线。当DPT信标到达海底后，从水下定位系统中记录下具体位置。再以信标为中心点，设计6根长约500 m的测线；

4)记录校准数据。指挥船只按设计测线航行，测线在线上时启动水下定位系统的校准记录程序，将所有的外设及定位数据记录至系统中；

5)校准数据处理。利用Ranger Pro自带的处理软件进行校准数据的处理，如处理过之后的数据的定位误差太大，则需重新实施部分或全部测线的校准，校准精度高则可直接将校准结果输入至水下定位系统中，作为正式作业的补偿参数。

6)DPT信标回收。在USBL控制单元中发出释放指令，指令发出后时刻关注DPT信标的位置及水深，并根据信标出水前的距离和方位数据进行信标的回收。

处理后的校准结果离散图如图3所示。

图3 校准结果3D离散图

校准结果如表1和表2所示。

表1 信标校准结果

表2 姿态校准结果

校准结果计算出来后，将其输入至系统即可在今后调查中对相应的参数进行改正。

从表1和表2可以得出以下结论，在水深300 m的区域，进行参数校准之后的DPT信标东/北坐标的中误差均在1 m以内，精度高，完全能满足磁力拖鱼定位的需要。

3.2 信标的安装

因磁力拖鱼附近的磁场的变化会干扰所测得的磁场数据，影响调查资料的质量及其可靠性，不能将水下定位信标固定在拖鱼附近，只能将信标固定在远处。

磁力拖鱼的前方为凯弗拉软缆，长15 m，不能固定信标。软缆与钢缆相连，加工卡环固定信标，但在水深690 m的磁力调查中，所放的钢缆可能有2 300 m，而水下定位信标一端为高精密水听器，不能碰撞。但作业情况复杂，钢缆与磁力拖鱼在水中的具体形状也无法确定，为防拖鱼触底时信标的安全，将信标固定在距拖鱼65 m的位置。

水下定位信标为圆柱体，为避免伤害钢缆，设计了信标专用的不锈钢夹板，夹板的一端为环状，用于卡信标，另一端可上螺丝、已预留凹槽的平面夹板，用于卡住钢缆。为减小挤压力，在平面夹板内侧安置薄铜片。

3.3 定位实施过程及结果分析

船到达指定位置、信标下水，实时观察USBL定位状况。当磁力拖鱼到达预计高度后，在RANGER PRO水下定位系统与综合导航系统中分别记录相应的GPS天线、水下定位信标的位置。实际作业过程中，因钢缆长、船速过快等原因，水下定位信标常无应答，当船速减至3节左右时，水下定位信标与换能器通讯正常，定位数据连续稳定，极少数据跳点出现。

调查工作结束即可开始计算光缆的位置。传统的水下拖拽式目标定位方法中，常采用Layback方式，即根据GPS天线、绞车、船艘向、缆长的相互关系来计算拖鱼的位置。

但磁力钢缆的长度、海况的好坏、海水的流向流速均会影响传统目标定位的精度。而USBL能很好的解决这一难题。为便于比较Layback方式与USBL，截取少量调查数据进行信标位置的计算：

从表3中可看出，采用传统方式计算的信标位置与水下定位信标的观测值相差较大，最大达246 m；从图4、图5可以得出，当船艏向与信标-换 能器的方位角差值较大时，Layback计算出的点位误差较大，从图4可看出，该差值最大超过8°，如受海况差、水流急或船舶驾驶不熟练等的影响，方位角差值将更大，这意味着传统方式计算的点位误差会更大，无法满足光缆调查等项目的精度要求。

表3 定位信标结果比较

图4 船艏向与信标-换能器方位的差值

图5 Layback计算值误差

影响计算点位误差的另一个重要因素为钢缆长度误差。在所有的磁力或声纳调查中，钢缆的长度都是通过感应器感应滑轮转动的圈数来计算长度的，但钢缆的粗细、收/放钢缆速度、海浪起伏等都能影响滑轮的受力状况，从而导致计数器短时失灵，得到错误的钢缆长度值，加大计算点位的误差。

基于上述原因，在深水区域，传统方式计算的磁力拖鱼的位置精度低、不稳定。而USBL系统只要校准结果精度高，即可精确定位，进而根据信标与钢缆的相对位置得出磁力拖体的准确位置，实现海底障碍物、通讯光缆等的精确定位，为水下工程提供可靠的勘察资料。

4 结束语

本文在深水磁力调查中引入USBL进行磁力拖鱼的定位，通过分析水下定位系统实测值与传统Layback方式的计算值、传统方式的误差因素与USBL的定位优势。实测结果表明:USBL水下定位系统应用于深水拖体定位，能获得可靠稳定的高精度水下目标位置，可满足高精度水下作业工程的需要。

[1]隋海琛,刘彦祥,姜晓晖.海洋调查中水下目标位置的确定[J].海洋测绘,2004,24(3):32-34.

[2]蔡 平,梁国龙,惠俊英,等.采用自适应相位计的超短基线水声跟踪系统[J].应用声学,1993,12(3):19-23.

[3]喻 敏,惠俊英,冯海泓,等.超短基线系统定位精度改进方法[J].海洋工程,2006,24(1).

[4]赵建虎.现代海洋测绘[M].武汉:武汉大学出版社,2007.

[5]刘文勇,江 林.超短基线水下定位校准方法的探讨与分析[J].测绘通报，2011(1)：82-84.