非动力定位母船海缆检测水下机器人定位系统应用研究

张维佳，黄小卫，芦 海，李晓骏，蔡 驰，吴 聪

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广州 510405）

0 引言

水下定位系统是ROV（水下机器人）作业中的关键装备之一，是保障ROV 水下高精度位置、姿态控制的重要环节，在ROV 通过TSS350 型电缆检测系统、水下可见光检测设备及前置声纳等系统定位海底电缆进行检测的作业过程中发挥至关重要的作用。通常情况下，ROV 的水下定位系统基于定位精确度高的动力定位母船，以保证水下作业定位误差在可接受范围内。但由于动力定位母船作业成本高昂，且动遣时间较长，因此对于ROV 水下作业有较大的限制[1]。

本研究拟基于非动力定位母船的ROV 作业条件，探索降低ROV 水下作业定位系统误差的实施方法，突破动力定位母船的作业条件限制。本文在比较各种水下导航定位方法的基础上，分析USBL（超短基线）应用于非动力定位母船产生的定位误差，并从误差产生的原因着手，针对性地提出了误差处理策略并进行定位校准，大大提高了非动力定位平台水下定位系统的精确度，并通过工程现场实际应用进行了验证。

1 水下定位设备选型

水下定位系统按照基线长度可分为LBL（长基线）、SBL（短基线）和USBL 三类。LBL 的基线长度为100～6 000 m，利用测量声源到各基阵基点距离解算方位和距离短基线的基线长度为1～100 m，利用信号到基阵基点的时间差解算方位和距离；USBL 的基线长度为1～100 cm，利用信号间相位差解算方位和距离[2]。

采用非动力定位船舶作为ROV 的母船，由于它在海洋上航行或停泊都会因海流产生横摇或纵摇，并且会伴随船头方向无规则转动，船舶的摇摆将大大影响船舶相对ROV 的空间定位。因此选择良好的ROV 定位系统是海底电缆检测正常开展至关重要的保障。

表1 所列为目前水下导航定位系统的优缺点对比[3-4]。

表1 水下定位系统对比

通过对比分析，LBL 定位精度最高但价格昂贵，适合于大面积、深海区域的海洋调查定位；SBL 定位因为基元距离较大以及船的尾流对基元的扰动影响，对船的要求较高，并且基阵多需要在船坞安装、校准；USBL 仪器设备体积小，易于安装，价格便宜，定位精度较高，对船只没有过高要求，完全满足ROV 在海底电缆检测时定位的需要[5]，因此本文选择USBL 系统进行ROV 水下定位。

2 非动力定位母船应用USBL 定位的误差解决方式

2.1 USBL 定位原理

USBL 系统声学基阵多为同平面内的四个声学基阵，多布置成“十”字方位，同轴阵元间距多为10～40 cm，这四个声学基阵相当于定位系统的换能器，一般安装在船底，安装后，需要罗经设备配合对发射单元进行安装、校准才能进行水下定位[6-7]。如图1 所示。

根据USBL 定位原理（图2）可通过公式（1）计算信标相对换能器位置。

图1 USBL 系统中信号传播示意

图2 USBL 定位原理

式中：D 为测量斜距，D=1/2vt（v 为声波速度、t 为测的声波发射到返回的时间）；Φ，θ 两角是通过USBL 换能器基元的相位差计算取得。

2.2 USBL 定位误差分析

2.2.1 USBL 定位误差产生原因

超短基线定位精度受水平角、仰角、测距等测量结果以及姿态传感器、罗经、GPS 等仪器影响，当搭载在非动力定位船舶进行海底电缆检测时，在海洋的洋流作用下会发生横摇或纵摇，由于非动力定位船舶的摇摆，会导致安装在船舶处的换能器也随之晃动，更容易影响到水下信标的定位精度，导致无法开展海底电缆检测作业[8-9]。

通常情况下不考虑USBL 定位各误差源之间的关联，认为他们是相互独立的，则USBL 定位整个系统的误差可表达为：

式中：σU为超短基线的总误差；σθ为超短基线水平角测量误差；σΦ为超短基线仰角测量误差；σM为MRU（姿态传感器）测角误差；σO为GYRO（电罗经）测量误差；σG为水面船只GPS 测量误差；σD为超短基线测距误差[10]；σF为声波频率误差。

2.2.2 USBL 定位误差处理策略

为了保证检测效果，提高定位精度，下文从误差产生的各个因素来分析讨论USBL 定位误差处理策略。

（1）安装位置测量误差

USBL 安装位置对水平角的测量误差σθ和USBL 仰角测量误差σΦ产生直接影响。

USBL 各组成设备安装在船体的不同位置，将它们归算至同一坐标系下，需要测量各组成设备的位置安装改正数[11]，但测量中也存在一定的误差。

因此误差处理策略为：采取钢尺多次测量取平均值以减少测量误差。

（2）MRU 测角误差

母船在作业时会带动USBL 换能器摇摆，而摇摆的换能器在收发声波之间就会产生较大测角误差σM，因此需要加装MRU 进行误差补偿，但由于不同型号的MRU 误差不同，且MRU 安装位置和USBL 换能器杆的固定情况都会影响误差。

因此误差处理策略为：选取误差较小型号的MRU；MRU 安装位置尽量选在船舶重心，垂直甲板处；USBL 换能器杆要加强固定，使其运动姿态与船舶姿态完全吻合，不会产生自振动。

（3）船舶摇摆导致电子罗经误差

在进行USBL 水下定位时，由于波浪、水流和海风的影响，船体会受到俯仰、滚转等姿态的影响。需要提供罗经方向数据，并且罗经的方位角测量中的误差σO导致相应的定位误差。

因此误差处理策略一是选择合适的位置（船舶重心的垂直位置）安装罗经，减少外部干扰因素对罗经测量结果的影响；使用更准确的测量级光纤罗经。二是在非动力定位船上加装减摇鳍（图3），它安装在船的两侧，具有翼形，也称为侧舵[12]。通过转动鳍片，横摆力矩减小，摇摆减小，以减少船体侧倾。三是选择合适的海况出海作业，减少船体横摇。

（4）母船GPS 定位误差

母船GPS 是水面定位的基础，其定位精度直接影响水下设备的定位精度，任何GPS 都会存在测量误差σG。

因此误差处理策略为：选择具有高定位精度的母船GPS 定位装置，如星站差分GPS；GPS 天线与USBL 换能器相对位置测量应尽量准确。

（5）声速误差的影响

USBL 水下定位主要是通过测量换能器到信标的距离及方位来计算，声速直接影响到USBL的测距误差σD。声速改正主要通过声速剖面仪测量声速，然后将测量区测量的实际声速值输入USBL 主机，将信标转换为换能器距离。声速测量的准确性直接影响定位精度。由于不同深度的水体温度对声速有不同影响，导致发生折射效应，如图4 所示。

图4 声波折射效应示意

因此误差处理策略为：对于USBL，随着开角变大，声速曲线折射严重的情况，可安装声速剖面修正系统。根据声学原理，声波在水中的传播速度与盐度和温度有关。当声波由于盐度和温度分层而沿着换能器和信标之间的路径从海面到海床行进时，将发生计算错误。该误差随着深度的增加而增加，并且该误差由于往返而倍增或甚至增大一个数量级[13]。声速剖面修正系统的作用是使用绞盘垂直释放剖面仪，入水后不断释放声波测量声速，通过压力传感器测量所处的深度，通过采集依据深度排序的水层剖面声速并记录在其内部的存储器上，回收后导出到配套的数据分析软件中，经过分析处理之后形成随深度增加的声速曲线，这时只要将该表导入到水声定位系统中，定位结果将依据声速表进行校正，从而提高定位精度。当温度变化较大（如早晨、中午、傍晚）或水深变化较大时，都需要重新测量声速剖面值[14]，以提高声速剖面值的实效性，从而提高定位精度。如图5 所示，为2017 年7 月13 日琼州海峡中央深水区（85 m）投放的声速剖面曲线。

图5 声速剖面曲线

（6）其他误差影响及处理策略

USBL 换能器在不同水深条件下发射声波频率对定位精度有不同的影响[15]，以ROV 检测海南联网交流500 kV 充油海底电缆为例，该海缆横跨最深100 m 的琼州海峡，如图6 所示，为100 m 水深处分别使用22 kHz 和33 kHz 进行应答信号效果模拟，图6（b）的精确值范围远高于图6（a）。因此应用在浅海处的USBL 系统换能器发射频率应尽量高，方可减小声波频率误差σF。

2.3 USBL 校准方案的选择

USBL 换能器首次安装在船底或采用临时支架固定时必须进行CASIUS 数据校准，采用正确的校准方案可有效保证误差的降低。由于动力定位船舶具有高稳定性，船舶本身可以自转的特点，校准方案路线较容易，可采用静态数据采集，如图7 所示。

图6 应答信号效果对比

图7 静态数据采集模式

非动力定位船无法定点自转，其数据采集方案与动力定位船不同，校准方案较复杂，需采用动态数据采集，如图8 所示。

选择正确的校准方案有助于减少误差。动态数据采集模式与静态数据采集模式不同的是，因船速原因，控制收集数据点的数量更加困难[16-17]。船长应降低船速，尽可能减小动态数据采集误差。

3 USBL 的应用

海南联网系统500 kV 福港线海底电缆位于琼州海峡，最深处为100 m，海缆受琼州海峡高流速冲刷，迫切需要对海缆进行检测，以便了解其运行情况，针对可能的风险点提供保护。

图8 动态数据采集模式

海底电缆检测项目结合非动力定位船（华鲲号），ROV（SMD ATOM08），TSS350，USBL（UM-8245）等设备，通过对海底电缆埋深及其路由检测，确定海缆风险点现状，为海南联网可靠运行提供保障。

检测项目水下定位方案采用Sonardyne 公司的UM-8245 型USBL 搭载非动力定位船舶，载体为南方电网公司与SMD 公司共同研发的100匹马力液压动力作业级ROV。作业前采用CASIUS数据采集模式的路径进行USBL 校准，并采用33 kHz 频率，母船采用高精度DGPS 并配备侧推进器，使用作业指挥系统开展作业，现场应用情况如图9 所示。

图9 现场应用情况

以2018 年12 月13 日20:42 的检测数据为例，检测范围是海缆C 相KP24.388-24.421，对比2016 年相同段检测值及曲线拐点（由于海床变化，埋深值会有变化，但整体曲线在短期内不会变化），证明采用本文所提方法在非动力定位船舶上应用USBL 可实现精准定位，如图10 所示。

图10 2016 年，2018 年同KP 段对比

通过USBL 与船舶DGPS 定位系统结合的作业指挥系统可以实时展示船舶与ROV 的相对位置，该系统使船长和ROV 驾驶员更直观、更便捷地相互配合，开展作业，如图11 所示。

图11 作业指挥系统

4 结语

本文通过对水下定位系统的原理分析和对比研究，选择适合在非动力定位船舶使用ROV 的USBL 定位系统。根据非动力定位船舶的航行特点及USBL 的定位特点进行误差分析，从安装测量、仪器选型、精度校准、辅助系统四个方面提出基于非动力定位船舶的海底电缆检测ROV 减小定位误差的解决方法并通过实际工程应用验证了方法的有效性。