水下导航定位技术在大洋科考调查中的应用

摘 要：水下声学定位、惯性导航定位、多普勒声纳以及组合导航定位是目前我国大洋科考调查工作中的几种主要水下导航定位技术。通过分析常规调查装备、ＲOV、AUV 和载人潜水器等 4 类主要水下科考设备的导航定位系统实测数据，给出不同水下导航定位模式的现场作业精度，为我国大洋科考调查工作中水下导航定位技术的选择与应用等工作提供参考。

关键词: 大洋科考调查; 水下导航定位技术; 水声定位系统; 惯性导航系统; 多普勒声纳系统; 组合导航定位系统

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水下导航定位技术在大洋科考调查中的应用

引言

水下导航定位技术是实现水下载体定位及导航等相关技术手段的统称。在大洋科考调查工作中，水下导航定位技术为调查船舶、水下探测装备和探测目标等提供准确的空间位置信息。现有水下导航定位技术中，水声定位系统、惯性导航系统、多普勒声纳系统以及组合导航定位系统是最主要的导航定位手段［1］。在水声定位系统中，超短基线定位系统更便携独立［2］，是大洋科考调查中应用最广泛的定位技术。惯性导航系统具有自主性和隐蔽性强的特点［3］，应用也非常广泛。多普勒声纳系统测速精度高［4］，能够得到水下航行器相对于海底较高精度的位移，也是航次中的常用技术。水下组合导航定位系统旨在融合多种水下导航定位系统的优点，是当前水下导航定位技术研究的热点。迄今比较成熟的水下组合导航系统主要以惯性导航为主，辅以水声定位、多普勒声纳、重力匹配导航等，来实现水下高精度导航定位，如美国海军提出的捷联惯导系统+多普勒声纳系统+GPS 的组合导航系统［5］、丹麦的MAＲPOS 组合导航系统［6］、我国“潜龙”AUV 组合导航系统［7］等。随着水下导航定位系统软硬件不断发展和完善，水下组合导航定位系统将成为国内外水下导航技术领域未来发展的主导方向［8］。

本文首先论述了大洋科考调查中不同水下导航定位技术的基本原理，然后结合大洋科考调查航次实测数据，探讨和分析了 4 类主要水下调查设备的导航定位系统技术特征和定位精度，最后对我国水下导航定位技术发展趋势和应用进行了展望。

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水下导航定位技术

2. 1 水声定位系统

水声定位是运用水声学原理进行水下目标定位的技术，通过测定声波信号在水下传播的时间或相位差，从而得到水下目标的位置［9］，见图 1。根据基线的长短，水声定位可分为长基线( long base line， LBL) 、短 基 线 ( short base line，SBL ) 、超 短 基 线( super/ultra short base line，SSBL /USBL) 3 种定位技术［10］，3 种水声定位技术各自特点及应用场景见表1，其对应的定位系统分别为长基线定位系统、短基线定位系统和超短基线定位系统［11］。

2. 2 惯性导航系统

惯性导航系统 ( inertial navigation system， INS) ［13］是一种自主式导航系统，不依赖于外部信息也不向外部辐射能量［14］，其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下进行工作［15］。其工作原理是在惯性参考系下测量载体的加速度，并对时间进行积分，且变换到导航坐标系中，得到所需的位置、速度及偏航角等信息［16］，见图 2。惯性导航系统的定位精度随时间的积累而降低，采用差分 GNSS 辅助则能达到亚米级。其优点是自主式、隐蔽性较高，可以全天候、全时间、全区域工作，能够提供多种连续性导航数据，短期精度高。而缺点是定位精度随时间积累而降低，初始对准时间长，无时间信息等［17］。

2. 3 多普勒声纳系统

多普勒声纳系统( doppler velocity log，DVL) 是利用发射波和反射波之间的多普勒频移测量得到航行器相对于海底的航速和累计航程［18］，见图 3。主要为航行器提供纵向和横向移动数据［19］。其优点是在很低的速度下仍有较高的测速精度，定位精度一般优于 1%×D，其中 D 为航行距离; 缺点是在海底需要采取较低频率才能跟踪较大深度，从而导致系统基阵尺寸过大［20］。

2. 4 组合导航定位系统

组合导航定位系统是以惯导为主，借助水声导航、多普勒导航、海洋地磁导航、地形匹配导航、重力导航等其中 1 个或多个系统进行辅助的系统［21］。组合导航定位系统将多种导航定位系统的优点组合在一起，利用多传感器信息融合［22］，互相补充，可以大大提高导航定位的可靠性和准确度。

水下导航定位在大洋科考调查中的应用

在大洋科考调查中，会涉及到诸多的学科研究，所用到的装备种类繁多。需要用到水下导航定位技术的调查装备主要包括电视抓斗、深海钻机、深海光学拖体、单拖体电法探测仪、水下缆控潜水器( remote operated vehicle，ＲOV) 、自 主 潜 水 器 ( autonomous underwater vehicle，AUV) 、载人潜水器等。这些装备作业原理、调查目的和使用方式不同，所用到的水下导航定位技术也不同。因此，选择哪一种水下导航定位技术，主要取决于水下调查设备的作业方式和所要求的定位精度。本文以大洋科考调查中四类主要的水下作业设备为例，介绍其水下导航定位方式，并对其所能达到的定位精度进行详细分析。

3. 1 常规调查装备

在大洋科考调查中，电视抓斗、深海钻机、深海光学拖体、单拖体电法探测仪通称为常规调查装备。主要借助水声定位系统中的超短基线系统进行定位，以确定该装备的坐标位置。电视抓斗和深海钻机属于定点取样装备，在装备本体上加挂水下声学信标，通过船载超短基线定位系统对其进行精确定位，以确定采样点的精确坐标位置。深海光学拖体和单拖体电法探测仪属于拖曳作业装备，在深海水下拖曳系统作业时，由于拖体离母船距离较远，超短基线定位系统的作用尤为重要，不仅可以提供精确的水下位置信息，同时对调查装备的水下作业安全也起到重要保障作用。

某大洋科考调查航次中采用超短基线定位系统确定的深海光学拖体平面位移轨迹如图 4 红色线所示。通过对深海光学拖体的定位结果进行评估，并结合 Layback 改正计算［23］，可得到其最大定位误差Mmax为 18. 75 m，能够较准确地确定光拖设备的坐标位置，为深海作业提供精确位置参考信息。

3. 2 水下缆控潜水器 ＲOV

水下缆控潜水器系统组成一般包括: ＲOV 本 体，水面监控动力站，水面吊放系统，固定搭载取样工具和可拆卸取样工具等［24］。水下缆控潜水器功能多种多样，除用于大洋科考调查外，还被广泛应用于国防安全和国民经济的各个领域［25］。

目前在我国的大洋科考调查中会用到诸多的ＲOV，例如装载在“大洋一号”科考船上的 6 000 m级的“海龙 3”ＲOV 和装载在“科学号”科考船上的4 500 m级的“发现”号 ＲOV。

“海龙 3”ＲOV 搭载有超短基线定位系统水下信标、组合惯性导航系统( INS－DVL) 和深度计等导航设备。其中“海龙 3”ＲOV 搭载的超短基线定位系统 水 下 信 标 与“大 洋 一 号”科考船上安装的Posidonia 6000－USBL 配套使用。

依据 ＲOV 作业流程，不同作业阶段采用不同导航组合模式，见表 2。

在近底作业时，惯导系统提供加速度和角速度信息，USBL 提 供 位 置 信 息，DVL 提 供 速 度 信 息， GNSS 进行参考位置补偿，通过多源信息融合即可输出连续平滑的导航与运动信息。

在某航次作业中“海龙 3”ＲOV 的定位结果见图 5。

对上述定位结果进行精度分析，可得其定位精度，见表 3。

从表 3 中的定位精度能够得到，采 用 惯 导 + USBL+DVL+深度计的组合导航模式，能够为“海龙3”ＲOV 的精细化操作和采样提供精确位置信息，同时验证了系统控制精度的有效性。

3. 3 自主潜水器 AUV

自主潜水器，是全新一代水下机器人，具备作业区域大、机动性好等特点，能够完成多种水下调查任务［26］。

目前在“大洋一号”船上执行大洋科考任务的是国产 AUV———“潜龙三号”AUV，在“大洋号”船上则装载了最新的国产 AUV———“潜龙四号”AUV。通过各项试验和多航段的科考作业，“潜龙三号” AUV 形成了一套实用化的、具备热液异常探测功能的 4 500 m 级深海探测装备( AUV) ，可以应用于多金属硫化物资源调查作业。

“潜龙三号”AUV 搭载有超短基线定位系统水下信标、惯 性 导 航 系 统 ( INS) 、多普勒声纳系统( DVL) 等导航设备。其中“潜龙三号”AUV 搭载的超短基线信标也是与“大洋一号”科考船上安装的Posidonia 6000－USBL 配套使用。

“潜龙三号”AUV 在近底作业时，采用了惯导+多普勒声纳系统组合导航模式，同时融合了超短基线定位信息和深度信息。运用该组合导航模式， “潜龙三号”AUV 能沿设定测线进行航行作业，取得所需要的科学调查内容。图 6 为“潜龙三号”AUV某潜次作业的航迹及验证点图。

3. 4 载人潜水器

载人潜水器是可搭载科考人员进行水下科考和作业的潜水装置，主要用来执行水下科学考察、海底管路检测，深海矿产资源勘探等任务［27］。在我国科考调查中主要的载人潜水器有 7 000 m 级的“蛟龙号”载人潜水器、4 500 m 级的“深海勇士号”载人潜水器和万米的“奋斗者号”载人潜水器。

“蛟龙号”载人潜水器上搭载的水下导航设备有: 超短基线定位系统水下信标、航位推算导航和多普勒声纳系统。航位推算导航是运用多普勒声纳系统和罗经解算确定初始位置坐标，再依据时间和航向，推算出下一时刻位置坐标，工作原理与惯性导航系统相类似［28］。

“蛟龙号”载人潜水器母船“向阳红 09”船上装有两套超短基线系统，为法国 IXBLUE 的 Posidonia － USBL 系统和哈尔滨工程大学的 HEU－USBL 6000 系 统，而其新母船“深海一号”船上装载了法国 IXBLUE 的 PosidoniaⅡ－USBL 系统，都是与“蛟龙号”载人潜水器搭载的超短基线定位系统水下信标配套使用。

“蛟龙号”载人潜水器在近底作业时，采用的是USBL、航位推算导航和多普勒声纳系统进行导航定位。图 7 是“蛟龙号”载人潜水器第 137 潜次的定位结果，清楚地描绘出了潜水器的轨迹。其中定位数据共 3 163 个，误差距离大于 100 m 的跳点 170 个，有效数据率 94. 6%，具有较高的有效数据率，能够满足潜水器定位需要。

结束语

本文以几种典型大洋科考调查设备的水下定位模式为例，探讨了不同水下导航定位技术的基本特征及其所能达到的定位精度。本文研究表明:

1）USBL 在信标运动( 水下拖曳) 状态下的最大定位误差为 18. 75 m，能够准确描述深海光学拖体的位置信息;

2）“惯导+USBL+DVL+深度计”的组合导航模式，自动定向精度达 0. 42 deg，自动定深精度达0. 063 m，自动定高精度达 0. 240 m，可以满足 ＲOV近底精细化操作和采样的位置精度需求;

3）“惯导+多普勒声纳系统组合，并融合 USBL和深度信息”的组合导航模式，定位精度优于 3‰× D，其导航与定位精度可满足 AUV 近底精细化地形扫测的需求;

4）“USBL+航位推算导航+多普勒声纳”的水下组合导航定位系统，位置信息有效数据率达到 94. 6%，能够满足“蛟龙号”等载人潜水器的定位需要。

目前，我国大洋科考调查工作中的水下导航定位设备仍严重依赖进口，相关定位技术仍与国际先进水平存在显著差距。因此，我国亟待进一步加强对高精度水下导航定位技术的研究投入，重点围绕水下高精度动态定位、多传感器融合导航及水上水下无缝导航等关键技术进行攻坚，以形成国家自主多源传感器导航定位装备与数据处理平台。

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