一 、概述

      在實施水中消防作業(yè)、沉船打撈等救撈任務(wù)之前，首要的任務(wù)是要確切定位水下目標(biāo) 、 了解水下情況 。對海底失事船艇及其他沉 沒物的水下定位是一項關(guān)鍵且高難度的作業(yè) ，水下定位一般是在概位搜索的基礎(chǔ)上，利用聲納船 及單 (雙 )船拖掃方法并經(jīng)潛水員水下探 摸確定沉船的具體位置 。隨著水下機器人技術(shù)的成熟．利用水下機器人進行水下定位作業(yè)也得到越來越廣泛的應(yīng)用。

      水下運載器 (UnderwaterVehicle) 能在水下游動、攜帶特定器具以執(zhí)行、完成特定任務(wù)的各種用途的運載器的統(tǒng)稱。遠距離操作潛水器(RemotelyOperatedVehicle，簡稱ROV)，這類水下機器人的最大優(yōu)點是母船可以為其源源不斷地提供能源，因此 ，它能在水下長時間地工作，并且可以安裝機械手等作業(yè)工具 ，因此應(yīng)用廣泛。

利用ROV進行水下定位目前通用的方法是利用水聲傳感器對ROV本體位置進行測量，并輔以其他的姿態(tài)傳感器，組成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，可以得到高精度的水下位置信息。本文以海軍防救部隊配備的OceanModulesV8Sii型ROV為對象，介紹水下定位的原理、特點，同時對使用過程中影響定位精度性能 的主要因素進行分析．從而提高對水下定位作業(yè)的認(rèn)識 。

二、Ocean ModulesV8 Sil型ROV水下定位系統(tǒng)

      Ocean Modules V8 Sii(Search一搜尋 。 Identification一識別 。Intervention一干預(yù) )是一款多用途、開放和采用模塊化設(shè)計的水下遙控機器人。該型機器人可搭載多種傳感器和設(shè)備。如各種固定安裝攝像機、拱形透明罩安裝攝像頭、HD高清攝像頭和靜態(tài)攝像頭、鹵素?zé)簟?LED照明燈、聲納、機械手和各種傳感器，可根據(jù)用戶工作 的需要配置成專業(yè)的、完美的水下工作載體。

      Ocean ModulesV8Sii可以配備在大、中型打撈救生船上，與其它裝備配合執(zhí)行300m以淺的援潛救生和打撈沉船 (艇 )、飛機 、導(dǎo)彈 、魚雷和有經(jīng)濟、戰(zhàn)略價值的沉物等重要任務(wù)；通過配置水下作業(yè)工具，可 進行多種援潛救生種水下作業(yè)；通過配置水下照相機、聲納等設(shè)備．可執(zhí)行水下搜索、水下觀察等作業(yè) 。

      水下定位利用超短基線定位系統(tǒng) (USBL)。該型USBL采用的是Tfitech Micron Nav公司生產(chǎn)的，硬件部分由水下傳感 器組件、 水面?zhèn)鞲衅鹘M件以及信號接口箱組成，如圖1所示。水下傳感器組件中，主要部分是短基線定位聲納的應(yīng)答器；此外，還包括傾角傳感器，可以測量水下機器人本體的橫傾和縱傾；電子羅盤 ，用來測定艏向角：壓力傳感器通過機器人所處位置的壓力與水面壓力差來確定其深度。 水面?zhèn)鞲衅鹘M件主要部分是短基線定位聲納5個水聽器，此外 ，還包括了傾角傳感器、壓力傳感器和電子羅盤測量信號接收器等。信號接口箱的輸入口直接與水面?zhèn)鞲衅鹘M件相連，輸出口可以通過RS232／Rs485總線與后臺便攜式計算機相連，通過軟件處理進行水下準(zhǔn)確定位， 并可通過GPS信號輸入。實現(xiàn)水下導(dǎo)航、航線跟蹤等功能，流程以及硬件結(jié)構(gòu)框網(wǎng)如圖2所示。該水下定位系統(tǒng)工作深度750m，典型水平跟蹤距離500m，典型垂直距離150m，距離精度：±2m，方向精度：±3。，工作波束寬度：180。位置上傳速率 ：0.5s一10s。

圖 1超短 基線定位系統(tǒng)組件

圖 2 ROV 水下定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

三、超短基線水下聲學(xué)定位原理

      利用電磁波和光波可以觀察遙遠的星球， 但不能利用電磁波和光波遙測幾十米深的海底， 因為海水對電磁波和光波有很強的吸收作用。 目前，對水中物體進行探測和定位的有效手段是聲波。聲學(xué)定位系統(tǒng)開發(fā)于19世紀(jì)6O年代， 主要用于支持水下調(diào)查研究。此后，這類系統(tǒng)便在為拖體。ROV等水下目標(biāo)的定位中成為了 重要角色。

      在聲學(xué)定位系統(tǒng)中，按 照接收基陣的尺度或應(yīng)答器基陣的基線長度來分類，水聲定位技術(shù)可以分為種：長基線定位 (LBL)，短基線定位 (SBL)和超短基線定位 (USBL)，有些現(xiàn)代 的定位系統(tǒng)能組合使用以上技術(shù)。

      長基線水聲定位系統(tǒng)的基陣長度在幾公里到幾十公里，長基線定位能在寬廣的區(qū)域內(nèi)提供高精度的位置。它需要至少3個應(yīng)答器組成的陣列部署在海底上的已知點上，水面上的目標(biāo)位置只安裝一個換能器。利用目標(biāo)發(fā)出的信號到達接收陣各個基元的的斜距，從而計算出目標(biāo)的坐標(biāo)位置。短基線水聲定位系統(tǒng)需要在水面需要定位的目標(biāo)單 元上安裝至少3個換能器陣，基陣長度一般在幾米到幾十米的量程，換能器之間的位置關(guān)系為已知。利用目標(biāo)發(fā)出的信號到達接收陣各個基元的時間差。從而計算出目標(biāo)的位置。超短基線水聲定位系統(tǒng)的基陣長度一般在幾個厘米到幾十厘米的量級，它是各個基元接收信號間的相位差來解算目標(biāo)的方位和距離。

      這三種不同方式的聲學(xué)定位系統(tǒng)中 。長基線定位 (LBL)定位精度最高，但是水底布設(shè)高精度定位已知點的施難度大且費用較高。 一般使用在石油平臺監(jiān)測、水下考古打撈等需要高精度定位的工程。短基線定位 (SBL)需要對船體進行改造 。才能放置換能器基陣，對船的要求使短基線的應(yīng)用受一定的限制。因此，超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng) (SSBL)的優(yōu)勢是很明顯的：只需要在船舶上安裝一個換能器及其電子單元。就可以提供高精度的聲學(xué)定位。

      應(yīng)用由三個水聽器組成的最簡單的超短基陣進行ROV動力定位的原理如圖3所示。其中。一只信標(biāo)安裝在ROV載體上，由水聲接收基陣發(fā)射聲詢問信號，信標(biāo)接收到詢問信號經(jīng)過一個固定的時間延時返回應(yīng)答信號。通過測量聲波在水中的傳播時間可以計算m ROV和母船間的斜距。同時測量接收器基陣各個接收換能器間的相位差。便可 以計算出水下機器人相對于母船的位置坐標(biāo)。

      采用直角三角形基陣，陣元間距為d，X軸指向母船船首方向，三個基元的坐標(biāo)為： (d， O，0)、 (0，0，0)、 (0，d，0)；目標(biāo)坐標(biāo)為 ：T (x，y，z)。以2號基元為基準(zhǔn)，可以得到其他兩個基元和的相位差 ：

坐標(biāo)原點和目標(biāo)之間的斜距r為 ：

注意到r≥d，用泰勒技術(shù)展開，

      式 (6，7)中 ，ψI2、ψ22分別為兩個水聽器接收到的的信號與參考基元間的相位差，這是可以測得的。為水中聲波波長。Z坐標(biāo)可以由深度傳感器測量得到，為此 ，利用上式 即可求出ROV水下位置 (X，Y，Z )。

      如果系統(tǒng)選配了GPS定位系統(tǒng)。對ROV還可以預(yù)設(shè)運動路線。實現(xiàn)無人自動例行檢測等功能。

四、超短基線水聲定位系統(tǒng)誤差分析

      水下定位的主要誤差來源，包括超短基線基陣測距誤差、超短基線基陣陣元相位差引起的誤差、聲傳播引起的誤差、聲學(xué)噪聲引起的誤差、水下工作環(huán)境引起的誤差、載體運動速度變化引起的誤差等。

      測距誤差主要是由測時誤差引起的，而測時誤差又與信噪比和聲速息息相關(guān)。聲波在水下傳播過程中，聲速、聲線彎曲、水面反射等都會影響測時準(zhǔn)確度，而聲波的擴散、吸收和環(huán)境中的噪聲會影響信噪比大小。因此測距誤差主要是由水聲學(xué)因素引起的，水下定位時的工作條件和工作方法直接影響定位精度。

      超短基線定位系統(tǒng)的定位精度是由被測載體到各個應(yīng)答器的距離和應(yīng)答器陣的幾何精度兩個方面的因素決定的。目標(biāo)到達基陣的斜距r是水中聲速C和詢問一應(yīng)答的時間￡的函數(shù)。而聲速c與基陣所在區(qū)域的海水的深度、 鹽度、溫度等有關(guān)，所以用聲波在水中傳播的平均速度來計算距離，將導(dǎo)致較大的誤差。為了準(zhǔn)確測出距離。必須根據(jù)工作區(qū)域的聲速剖面。計算聲線軌跡，得出載體和各個應(yīng)答器之間的幾何斜距與相位差準(zhǔn)確的關(guān)系式。

五、小結(jié)

     隨著無人機、無人戰(zhàn)車、機器士兵逐漸在戰(zhàn)場上顯示越來越大的威力，無人化戰(zhàn)爭的發(fā)展已經(jīng)呈現(xiàn)出相對清晰的藍圖。同樣，在水中消防作業(yè)、救撈工程等作業(yè)過程中。無人化水下作業(yè)也應(yīng)該成為一種潮流。 目前防救部隊配置的OceanModulesV8Sii型水下機器人已在各類水下作業(yè)過程中發(fā)揮出重要的作用，可以預(yù)見，不久的將來必將有更多的水下機器人發(fā)揮越來越重要的作用。