肖家耀XIAO Jia-yao

（中海油田服务股份有限公司，天津 300459）

0 引言

海洋工程勘察是各类海洋工程建设项目的规划、设计、施工以及工程环境评价（生态保护、地址灾害防治等）所需基础资料的重要来源，是海洋工程建设不可或缺的环节[1]。传统的海洋工程勘察技术采用船载和拖曳的作业方式，随着水深增加，测深仪、地貌仪、浅地层剖面仪等声学设备发射和接收声波的距离增加，声波能量衰减迅速，导致探测的分辨率、精度和探测深度都大大降低，无法满足深水油气构筑物工程设计和施工的需要[2]。深水工程勘察作业中，通常采用水下载体（如深拖、AUV）搭载测深仪、地貌仪、浅地层剖面仪等调查设备在距离海底表面40-80m的高度进行高分辨勘察作业的方式。定位信息是海洋工程勘察成果的基础，所有调查成果只有被赋予正确的地理位置信息，才能被有效利用。因此，精确确定水下载体的位置是深水工程勘察作业的关键环节。尽管以BDS、GPS、GLONASS 和Galileo 为代表的全球卫星导航系统（GNSS，Global Navigation Satellite System）能够为全球用户提供全天候、全天时、高精度导航定位服务，但由于海水对电磁波能量的吸收作用很强，限制了其传播距离，使得以电磁波为传播载体的无线电导航和卫星导航技术手段无法直接用于水下目标定位。而声波以其在水中传播能量衰减小，传播距离远的优势，成为水下定位的主要选择[3]。

水下声学定位技术是通过测量声波在水体中传播时间、相位等信息实现水下高精度定位的技术。根据接收基阵的基线长度不同，声学定位系统主要分为长基线定位系统、短基线定位系统和超短基线定位系统。其中超短基线定位系统以其结构简单、操作便利、测距精度高、成本低等诸多优势而广泛应用于深水工程勘察作业中。

1 超短基线系统的定位原理与组成

1.1 定位原理

超短基线是通过安装在船上的声学换能器向水下发射声波信号，安装在水下目标上的声学应答器在接收到讯问信号后立即返回一个区别于讯问信号的响应信号回换能器[4]，从而来确定探测目标相对于换能器基阵的距离和角度。距离和角度的测量基于以下两个原理：其一，通过精确测定声波在换能器与探测目标之间的传播时间，再用声速剖面修正波束线，确定目标相对于换能器的距离；其二，通过测量换能器基阵上不同接收单元接收回波信号的相位差，确定目标相对于换能器的角度。系统根据换能器基阵坐标系相对于船舶坐标系的固定关系，结合罗经、姿态传感器提供的实时的船舶姿态与艏向信息以及水面定位系统提供的船舶地理坐标，就可以实时解算出水下应答器所在位置的地理坐标。

常规超短基线的换能器内含1 个发射单元，3 个以上性能完全相同的接收单元，这些接收单元垂直正交并且等间隔（小于半波长）的分布组成一个平面正交接收阵[5]。接收单元之间的位置精确测定，组成声基阵坐标系。如图1所示，H1、H、H3、H4是四个正交排列的换能器接收单元，他们到声基阵坐标系原点O 的距离均为D/2。原点O 到H1方向指向船艏方向，为X 轴方向，原点O 到H2方向垂直于船艏指向船舶右舷，为Y 轴方向，Z 轴垂直指向海底。

图1 超短基线换能器声基阵坐标系示意图

如图2 所示，假设P 为水下应答器位置，OP 与各坐标轴之间的夹角分别为θx、θy、θz，P 到声基阵坐标系原点O的距离为S。设Δφx、Δφy为接收单元H1与H2以及H3与H4接收单元所接收信号之间的相位差，γ 为声波波长，由于超短基线换能器接收基阵基线间距离很小，一般为厘米级，远远小于换能器到应答器P 点的距离S，因此可以认为接收单元接收到的回波声线是平行的。则OP 与各坐标轴之间的夹角分别为θx、θy、θz可以用如下公式表示：

图2 超短基线定位原理图

根据空间直线OP 的长度以及与各坐标轴之间的夹角，可以直接得出P 点在换能器阵坐标系中的坐标（x，y，z）。

1.2 系统组成

超短基线定位系统一般包括水下定位系统、辅助传感器和水面定位系统三个组成部分，如图3 所示。其中水下定位系统由安装在船体的声学换能器和水下的声学应答器组成；辅助传感器含高精度光纤罗经和姿态仪，用以准确测量船舶的升沉、横摇、纵摇和艏向（heave/roll/pitch/heave/Heading）；水面定位系统通常由全球导航卫星系统（GNSS）接收机组成，用以实时测定船舶的地理位置。

图3 超短基线系统组成

2 影响超短基线系统定位性能的因素

超短基线定位系统可以直接测量出水下目标相对于换能器的距离和方位[6]，如果要进一步得到水下目标的绝对位置（地理坐标），就需要精确测定换能器声基阵坐标系与船舶坐标系的相对关系，包括换能器在船舶坐标系的位置和声基阵的安装角度偏差（横摇、纵摇和艏向偏差）[7]，融合船舶GNSS 提供的地理坐标、姿态传感器提供的瞬时姿态数据和罗经提供的船舶艏向数据。因此，影响超短基线定位系统精度的主要因素可以归纳为3 类：测量设备自身误差、安装角度偏差、声速误差。

2.1 测量设备自身误差

超短基线换能器声基阵误差会影响测量水下目标的相对位置，因此，在使用前需要对换能器声基阵进行标定。对于商用超短基线系统，在出厂前，生产厂家一般都会精确标定系统声基阵误差。超短基线系统计算水下目标的绝对位置，需要融合安装在船舶上的GNSS 提供的地理坐标、姿态传感器提供的瞬时姿态数据和罗经提供的船舶艏向数据。这些设备本身固有的误差也会影响绝对坐标的解算精度，因此应尽可能使用高精度设备，减少仪器本身可能带来的误差。

2.2 安装角偏差

在超短基线定位系统中, 由于辅助测量设备罗经与姿态传感器和超短基线换能器通常是分离式安装, 从而导致换能器声基阵坐标系与船体坐标系间存在旋转角偏差[8]，即航向偏差、横摇偏和纵摇偏差。其中，航向误差会主要影响超短基线的水平定位精度.而横摇偏和纵摇偏差对超短基线水平和垂直定位精度均有影响。根据作业经验，在1°角度偏差下，水下目标与换能器相距2km 时，会产生35m的定位误差。而当角度偏差为0.1°时，同样相距2km，产生的定位误差在仅在3m 左右。因此，在使用前，必须要对超短基线系统进行安装角偏差校准，尤其是在深水作业时，需要在作业区域内最大水深处进行安装偏差角校准，尽可能减小安装角偏差对超短基线定位精度的影响。

2.3 声速误差

声速的影响主要来源于声速值的误差和声线弯曲。超短基线定位系统测距是通过测量声波信号在换能器和水下目标之间的旅行时间，结合声波在水中的声速从而确定水下目标与换能器之间的距离。声速值的误差将会直接影响超短基线测距精度。海水中不同位置、不同深度的温度、盐度不同造成海水密度不同，声速值是随密度变化的。由于声速的不同造成了声波在水体中的传播不是直线前进的，而是弯曲的。从超短基线定位公式可以发现，确定水下目标相对于换能器声基阵的位置需要解算声波返回换能器阵的到达角。水体中的声速变化引起的折射会改变声波的路径，声波返回换能器基阵的到达角并不能真实的反应水下目标的实际方向。声波的入射角越大，声线弯曲越严重，当水下目标位于换能器正下时，由于声波垂直入射，声线没有弯曲。因此在超短基线作业过程中，需要将入射角保持在一个较小的范围内，减少声线弯曲对定位精度的影响。

3 超短基线在深水工程勘察作业中的应用

3.1 深水AUV 调查作业中的应用

自主水下航行器（AUV，Autonomous Underwater Vehicle）是一种水下智能潜航器，作为一个智能化的深水潜航载体类似一艘无人潜水勘察船，可以搭载各种测量设备如测深仪、地貌仪、浅地层剖面仪等进行海底搜寻、地形地貌探测、地质灾害调查等勘察工作，AUV 在深水工程勘察中以高精度、高分辨率、高效率的优越性能取代常规的水面船载、拖曳式调查作业，是目前深海油气勘探开发及其重要的技术手段。中海油服于2015 年从国外购置了Explorer 3000M AUV 用于深水工程勘察，至今已完成上万公里的调查作业，为深水油气田的勘探开发提供了大量的高精度、高分辨率的调查数据。Explorer 3000M AUV 搭载Kongsberg EM2040 型多波束测深系统、EdgeTech 2200M型侧扫声呐和浅地层剖面系统等测量设备，能够在3000m以浅海域进行深水工程勘察作业，获取海底高精度地形地貌和浅地层剖面资料。

与绝大多数AUV 一样，Explorer 3000M AUV 水下导航系统采用了惯性导航系统（INS）和多普勒计程仪（DVL）组合导航方式。在距离海底高度不超过200m 航行时，虽然DVL 提供的高精度速度信息虽然可以很好的抑制INS的累计误差[9]，但水下导航系统的定位误差仍会随着工作时间和航程的增长而增大，使得AUV 偏离了预设的调查测线。因此，需要使用水下声学定位技术来修正AUV 水下导航系统的累计误差，使其回到预设的调查测线。以Explorer 3000M AUV 为例，在其靠近尾部上方位置固定安装了IXblue MT9 型水下声学定位信标，用于超短基线定位。Explorer 3000M AUV 在水下航行作业期间，为了提升超短基线定位精度，安装了IXBlue GAPS 超短基线系统的作业母船始终保持在AUV 正上方航行，GAPS 跟踪的水下信标准确绝对位置通过声学通讯系统实时传输至Explorer 3000M AUV 内部惯导系统Phins 中，用以消除INS+DVL 组合导航的精度漂移。Phins 是一套高精度闭环光纤陀螺导航系统，可提供载体的真方位角、运动姿态、速度、升沉及三维位置信息。Phins 综合DVL 提供的高精度速度信息、超短基线定位信息以及AUV 深度和高度信息，通过卡尔曼滤波，可以实时估算出AUV 在水下的最优位置。

3.2 深拖调查作业中的应用

深拖（Deep-Tow）调查是将一种或几种海洋调查仪器进行组合安装在一个深水拖鱼（体）上，通过将拖体沉放到预定深度来减少水体对仪器的影响，从而获取高质量多波束、侧扫声呐和浅地层剖面等数据的一种深海工程勘察方法。以EdgeTech DT-1 深拖系统为例，深拖系统主要由水下拖体及搭载设备、拖曳系统（含压载器、拖缆、脐带缆、绞车）、释放回收系统、甲板通讯链及系统控制处理器等四大部分组成。深拖系统一般搭载多波束测深系统、侧扫声纳系统、浅地层剖面仪，以及辅助传感设备（光纤罗经、运动传感器、实时声速计、压力传感器、多普勒计程计、高度计和水下声学定位信标等）。与AUV 不同，深拖系统拖体是不带动力装置的，完全依靠作业母船拖曳航行。

深拖系统定位多采用水下声学导航定位,尤其是超短基线定位系统因其具有成本低、操作简便、无需布设海底应答器、安装灵活、测距精度高等诸多优势,已成为深拖系统定位的主流技术手段。在深拖作业中，按照深拖拖体后拖的水平距离，深拖作业可以分为双船定位作业和单船定位作业模式[10]。根据作业经验，在700m 水深以浅作业时，一般采用单船定位作业模式，700m 水深以深时采用双船定位作业模式。单船定位作业模式中，作业母船上安装超短基线换能器，同时负责深拖拖体的拖曳与定位跟踪。而在双船定位作业模式，通常会配备一条追踪定位船和一条深拖拖曳船。深拖系统水下拖体的定位主要靠安装在追踪定位船侧舷的超短基线声学定位系统结合DGNSS 定位系统的方式对水下拖体进行定位。追踪定位船上的导航系统将GNSS 天线接收到的位置信息，实时传输至USBL 声学定位系统中，USBL 声学定位系统软件结合USBL 收发探头与水下拖体的相对位置信息及GNSS 天线与USBL 收发探头之间的偏移距推算出水下拖体的位置信息。追踪定位船再将拖体的位置信息通过无线电数据链发送给拖曳船，通过时间匹配将位置信息整合到工程勘察采集资料中。

4 结语

超短基线定位系统以其结构简单、操作便利、成本低、测距精度高等诸多优点而广泛应用于深水工程勘察作业中，未来仍将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线发展与研究的重点，如将高精度姿态传感器与光纤罗经集成到超短基线换能器可以削弱角度偏差的影响，使用宽带数字信号代替传统音频信号能够有效降低多路径效应和周围环境噪声的影响，提升测距精度等。