水下导航定位系统在水下作业中的应用

水下导航定位系统在水下作业中的应用

【摘要】水下导航定位技术是一种集成了导航测姿、水声定位、GPS定位的综合性技术，可广泛应用于水下作业中，如引导潜水员进行打捞、对水下目标进行精确定位等等。介绍了水下导航定位系统的组成结构，以及在水下作业中的应用。

【关键词】超短基线；水声定位；导航测姿；水下作业

1.引言

由于深水区域往往能见度较低，且水下周围一般没有参照物，因此潜水员在进行打捞、救助等水下作业活动时，常常会无法准确辨别自身所处位置，无法获知与工作船、打捞目标之间的相对位置关系，给水下作业带来一定困难。为提高水下搜索作业效率，实现指挥员对潜水员的实时监控，需要配备水下导航定位系统，对潜水员的绝对位置进行精确定位，并引导潜水员进行水下作业。

2.水下导航定位系统的组成

水下导航定位系统一般主要由超短基线水声定位系统（USBL）、导航测姿系统、GPS系统以及潜水导航系统组成。如图1所示。

图1 水下导航定位系统组成

2.1 超短基线水声定位系统

超短基线水声定位系统主要由超短基线声基阵、声信标以及水声定位处理计算机组成。超短基线声基阵向水下发送询问信号，声信标接收到询问信号后，向超短基线声基阵发送应答信号，水声定位处理计算机根据超短基线各基元接收到的应答信号的延时，来解算声信标的相对距离和方位，从而对声信标进行定位[1]。声信标一般安装在待定位设备上或者由潜水员随身携带。

图2 法国iXSea公司研制的GAPS

图2是法国iXSea公司研制的GAPS（Global Acoustic Positioning System）超短基线水声定位系统，该系统主要由超短基线水声定位基阵、GPS定位系统以及Octans光纤罗经。

GAPS系统的精度较高，且无需对导航测姿系统以及GPS定位系统进行校准，但其造价昂贵，用于一般水下作业性价比较低。

图3 Scout+超短基线水声定位系统

图3是英国Sonardyne公司研制的Scout+超短基线水声定位系统，其基阵内部带有5个声基阵基元，以及1个磁罗盘和1个MRU姿态传感器，若对水下目标定位的精度要求较高，则需要水声定位处理计算机外接高精度导航测姿系统和GPS系统，以替代超短基线声基阵内部的磁罗盘和MRU姿态传感器。

2.2 导航测姿系统

由于水声定位处理计算机在解算声信标的相对位置时，需要获得超短基线声基阵的姿态、艏向，因此一般声基阵内部集成有磁罗盘或者测姿传感器，但测量精度较差，要想获得对水下目标（声信标）的高精度定位，则需要在超短基线基阵附近安装精度较高的导航测姿系统，如光纤罗经等替代声基阵内部集成的测姿传感器，导航测姿系统将其测得的艏向角、横滚角、俯仰角信息实时发送至水声定位处理计算机，以便水声定位处理计算机实时精确解算声信标的位置。

导航测姿设备安装完毕后，应对导航测姿设备与超短基线声基阵的相对安装偏差进行校准[2]，将导航测姿设备的固定安装偏差输入水声定位处理计算机，以提高水声定位的精度。图4是法国iXSea公司研制的Octans光纤罗经，具备GPS秒脉冲同步、脉冲触发等功能，可用于精确测量艏向、横滚和俯仰角度，为水声定位处理计算机提供精确定位所需的声基阵的姿态信息。

图4 Octans光纤罗经

2.3 GPS定位系统

水声定位系统仅能解算出声信标与超短基线基阵的相对位置，为了准确计算声信标的绝对位置坐标，需要配备GPS定位系统，并将GPS天线安装于超短基线基阵附近。

在GPS定位系统安装完毕后，同样需要对其安装偏差进行校准[3]，将GPS 天线的固定安装偏差输入水声定位处理计算机，以提高计算声信标绝对位置的精度。

为获得较高的定位精度，可配备RTK定位系统，即在岸边设置GPS基准站与发射电台，在工作船上设置GPS移动站与接收电台，将移动站的GPS天线安装于水声定位基阵附近，通过移动电台接收基准站发送的差分修正信息，可精确解算出声基阵的安装位置[4]，其定位精度可达5cm+1ppm，有利于对水下目标的精确定位。

RTK定位系统虽然精度较高，但由于需要在岸边设置基准站与电台，受电台的发射功率限制，只能在近岸20km以内使用，在远海区域作业时，为了获得高精度的GPS定位信息，可使用DGPS星际差分定位系统，不需要电台，通过GPS处理机内部的信标板接收不同卫星的定位信息进行差分，也可获得较高的定位精度[5]，其定位精度可达0.15m。但此种GPS信息获取方法需要向运营商支付一定金额的服务费，且有使用时间限制。

2.4 潜水导航系统

潜水导航系统主要用于潜水员在水下作业时对行进方向、水下目标的判别。常用的潜水导航设备主要有水下导航仪、水下指南针、水下电话以及手持声纳。

水下导航仪可接收来自水声定位系统的信息，使得潜水员能在水下看清自己和船以及目标的相对位置；水下指南针主要为潜水员水下作业提供方向判别；水下电话用于潜水员与工作船进行联系，对指挥员的方向控制进行响应；手持声纳一般用于潜水员对水下目标进行搜索时使用。手持声纳上配备简易导航系统，潜水员可根据指挥员的信息，向指定方向进行探测。手持声纳如图5所示。

图5 手持声纳

3.水下导航定位系统的应用

3.1 引导潜水员进行水下作业

在潜水员进行水下作业时，为了准确获得潜水员的工作位置，需配备水声定位系统与声信标，超短基线水声定位系统、潜水员供气系统安装在工作船上，潜水员身上除了潜水装备外，还挂接一个声信标，对水声定位基阵的询问信号进行应答，通过水声定位处理计算机可实时解算声信标的位置，掌握潜水员的水下运动情况。如图6、7、8所示。