宮厚誠(chéng)

摘 要：海南聯(lián)網(wǎng)海底電纜在運(yùn)行過(guò)程中受到海流沖刷、船只拋錨等多種外界風(fēng)險(xiǎn)影響，因此需要對(duì)海纜進(jìn)行綜合檢測(cè)。使用ROV搭載檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)時(shí)，需要給ROV和探測(cè)設(shè)備提供精確的水下定位，以保證檢測(cè)精度。主要分析了三種水下定位系統(tǒng)（長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)、短基線定位系統(tǒng)、超短基線系統(tǒng)）的原理、優(yōu)缺點(diǎn)和適用性。由分析結(jié)果可知，使用超短基線定位系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足海南聯(lián)網(wǎng)綜合檢測(cè)水下精確定位的需求。

關(guān)鍵詞：海底電纜；綜合檢測(cè)；水下定位；超短基線定位

中圖分類(lèi)號(hào)：P715.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.009

海南聯(lián)網(wǎng)工程是我國(guó)第一個(gè)500 kV超高壓、長(zhǎng)距離、大容量的跨海電網(wǎng)工程。聯(lián)網(wǎng)工程海纜部分北登錄端為廣東湛江徐聞南嶺村，穿越瓊州海峽到達(dá)南登錄端海南澄邁林詩(shī)島附近的玉包角，海底電纜長(zhǎng)度約32 km/根，共3根，走廊寬度約2 km。海南聯(lián)網(wǎng)工程提升了海南電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和供電質(zhì)量，海底電纜的穩(wěn)定性和可靠性對(duì)海南社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要作用。

在海纜運(yùn)行過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移和海流的作用，海纜覆蓋層會(huì)受到?jīng)_刷，致使海纜裸露于海底，甚至在海底懸空；海纜附近的海洋作業(yè)會(huì)給海纜的正常運(yùn)行帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)海底電纜進(jìn)行定期的綜合檢測(cè)顯得非常有必要。其中，海纜埋深檢測(cè)、拋石石壩狀況及厚度檢測(cè)、海纜鑄鐵套管狀況檢測(cè)是非常重要的內(nèi)容。為了獲取更加準(zhǔn)確、詳細(xì)的海纜現(xiàn)狀細(xì)部資料，綜合檢測(cè)采用水下機(jī)器人搭載埋深探測(cè)設(shè)備（TSS系列）和錄像設(shè)備的方式進(jìn)行，檢測(cè)過(guò)程中需要給ROV提供精確的定位信息，即需要進(jìn)行較高精度的水下定位。

1 水下定位方法及原理分析

目前，水下導(dǎo)航定位技術(shù)以聲學(xué)導(dǎo)航定位技術(shù)為基礎(chǔ)，按照應(yīng)答器基陣的基線長(zhǎng)短劃分為三種聲學(xué)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，分別是長(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)。

1.1 長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)

長(zhǎng)基線定位是通過(guò)測(cè)量水下目標(biāo)聲源到各個(gè)基元的時(shí)間差，解算目標(biāo)的方位和距離，最終得出目標(biāo)精確的三維位置，為水下施工、調(diào)查等工作提供精確的定位服務(wù)。長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)一般包括三部分，即船舶上的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、安裝在定位目標(biāo)或船舶上的聲學(xué)收發(fā)器、布放在海底且由多個(gè)收發(fā)應(yīng)答器組成的定位基陣。

采用3個(gè)以上的應(yīng)答器對(duì)安裝在測(cè)量船或水下機(jī)器人上的收發(fā)器進(jìn)行定位，用（x，y，z）來(lái)表示水下機(jī)器人的三維坐標(biāo)，用（xi，yi，zi）（i=1，2，3）來(lái)表示水下應(yīng)答器的坐標(biāo)Ti的坐標(biāo)，Ri（i=1，2，3）為跟蹤目標(biāo)與水下應(yīng)答器的距離。圖1所示為長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)。

由收發(fā)器（水下機(jī)器人）和應(yīng)答器的空間交會(huì)距離可以得出下式：

R22=（x-x2）2+（y-y2）2+（z-z2）2. （1）

求解方程組即可得到水下機(jī)器人的三維坐標(biāo)。根據(jù)測(cè)量平差原理，在實(shí)際應(yīng)用中，需接收4個(gè)以上海底應(yīng)答器的信號(hào)，產(chǎn)生多余觀測(cè)，從而滿(mǎn)足最小二乘平差原理，提高測(cè)量精度。

1.2 短基線定位系統(tǒng)

短基線定位系統(tǒng)因基陣尺寸較小而得名，包括3個(gè)以上的基元構(gòu)成，其基線長(zhǎng)度一般超過(guò)10 m，通常工作在船底或布置在船舷上，利用聲信號(hào)在基元與目標(biāo)之間的傳播時(shí)間差來(lái)計(jì)算，進(jìn)而得到測(cè)量目標(biāo)的方位和距離信息，推算出目標(biāo)的坐標(biāo)。

圖2所示為短基線定位系統(tǒng)的配置。在圖2中，H1，H2和H3為水聽(tīng)器，O為換能器（它也是船體空間直角坐標(biāo)系的中心）。水聽(tīng)器成正交布設(shè)，Hl和H2之間的基線長(zhǎng)度為b，指向船首，即X軸方向。H2和 H3之間的基線長(zhǎng)度為by，平行于指向船右的Y軸，Z軸指向海底。設(shè)聲線與三個(gè)坐標(biāo)軸之間的夾角分別為θmx，θmy和θm z，而△t1、△t2分別為H1和H2以及H2和H3接收的聲信號(hào)的時(shí)間差（圖中僅以H1和H2為例）。

根據(jù)方位-距離法，由圖3可直接得出目標(biāo)物坐標(biāo)的計(jì)算公式：

y=S·cosθm. （2）

1.3 超短基線定位系統(tǒng)

超短基線定位系統(tǒng)安裝在一個(gè)收發(fā)器中，組成聲基陣。精確測(cè)定聲單元之間的距離，組成聲基陣坐標(biāo)系。在安裝時(shí)，要精確測(cè)定聲基陣坐標(biāo)系與船體坐標(biāo)系之間的關(guān)系，即需測(cè)定相對(duì)船體坐標(biāo)系的位置偏差和聲基陣的安裝偏差角度（橫搖角、縱搖角和水平旋轉(zhuǎn)角）。系統(tǒng)通過(guò)測(cè)定聲單元的相位差來(lái)確定換能器的方位（垂直和水平角度）。換能器與目標(biāo)的距離通過(guò)測(cè)定聲波傳播的時(shí)間，再用聲速剖面修正波束線來(lái)確定。

以4陣元組成的水聽(tīng)器基陣的超短基線定位系統(tǒng)為例，其陣列布置如圖4所示。

圖4中，標(biāo)號(hào)1，2，3，4代表基陣的4個(gè)陣元，x軸為1至2方向，y軸為4至3方向，兩軸相交于陣元中心，過(guò)陣元中心垂直向上為z軸方向。T為目標(biāo)，與陣元中心的距離為R，陣元1，2間距和3，4間距相同，即陣元間距為d.T在坐標(biāo)系中的方向角為θx，θy，θz，可通過(guò)陣元傳播時(shí)延確定。

待測(cè)目標(biāo)物各角度的方向余弦為：

. （3）

. （4）

方向角測(cè)定的基本公式為：

. （5）

式（5）中：φx為陣元間的相位差，由陣列測(cè)定。

由定位公式可得：

y=Rcosθy. （6）

其中，θx，θy，θz滿(mǎn)足基本條件：cos2θx+cos2θy+cos2θz=1.

2 水下定位系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)分析

通過(guò)分析三種水下定位系統(tǒng)的原理，結(jié)合各種定位系統(tǒng)的配套設(shè)備和安裝校準(zhǔn)方法，得出這三種水下定位系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性。

表1 三種水下定位系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)

長(zhǎng)基線

定位系統(tǒng) 無(wú)需做大量的校準(zhǔn)工作，在較大范圍內(nèi)可以達(dá)到較高的定位精度，作用距離較長(zhǎng)，定位精度與水深無(wú)關(guān) 系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、聲基線陣龐大，費(fèi)用較高，大量的水下或海底設(shè)備造成其布放、回收、使用和維護(hù)具有一定的難度

短基線

定位系統(tǒng) 系統(tǒng)集成的價(jià)格大大低于長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)，操作比長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)簡(jiǎn)單，較方便靈活。測(cè)量范圍包含基陣水下所有能接收到信號(hào)的區(qū)域，作業(yè)范圍比超短基線定位系統(tǒng)廣，淺水區(qū)域測(cè)量精度較高 基元安裝位置可能會(huì)受到船螺旋槳尾流的擾動(dòng)影響，對(duì)船的要求較高，需要較大的船只。系統(tǒng)安裝時(shí)，需要在船底穩(wěn)定固定各基元，并準(zhǔn)確量測(cè)各基元間的相互位置關(guān)系，測(cè)量難度較大，一般需要將船開(kāi)至船塢準(zhǔn)確量測(cè)、校準(zhǔn)

超短基線

定位系統(tǒng) 系統(tǒng)基陣尺寸小，安裝使用方便，價(jià)格相對(duì)較低，測(cè)距精度高。結(jié)合GPS與羅經(jīng)設(shè)備配合使用，大大減弱了潮流、潮時(shí)等因素對(duì)水下調(diào)查設(shè)備位置測(cè)量精度的影響 使用前需要進(jìn)行安裝校準(zhǔn)，遠(yuǎn)距離誤差發(fā)散快，超短基線作用距離不遠(yuǎn)，遠(yuǎn)距離定位精度不高，但考慮到瓊州海峽水深在100 m以?xún)?nèi)，水深較淺，USBL水下定位系統(tǒng)的精度較高

3 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合海南聯(lián)網(wǎng)海底電纜綜合檢測(cè)水下機(jī)器人定位的實(shí)際需要，通過(guò)分析三種水下定位系統(tǒng)的原理、優(yōu)缺點(diǎn)和適用性得出，長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)定位精度最高，但價(jià)格昂貴，適合于大面積、深海區(qū)域的海洋調(diào)查定位；短基線定位系統(tǒng)由于基元距離較遠(yuǎn)以及船的尾流對(duì)基元的擾動(dòng)影響，對(duì)船的要求較高，并且需要在船塢安裝、校準(zhǔn)；超短基線定位系統(tǒng)儀器設(shè)備體積小，易于安裝，價(jià)格便宜，定位精度較高，對(duì)船只沒(méi)有較高的要求，完全滿(mǎn)足海南聯(lián)網(wǎng)海底電纜檢測(cè)水下機(jī)器人定位的需要。因此，在500 kV海南聯(lián)網(wǎng)海底電纜綜合檢測(cè)項(xiàng)目中使用超短基線定位系統(tǒng)進(jìn)行水下定位。

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〔編輯：劉曉芳〕