海南聯(lián)網(wǎng)海底電纜綜合檢測水下定位方式研究

宮厚誠

摘 要：海南聯(lián)網(wǎng)海底電纜在運行過程中受到海流沖刷、船只拋錨等多種外界風(fēng)險影響，因此需要對海纜進行綜合檢測。使用ROV搭載檢測設(shè)備檢測時，需要給ROV和探測設(shè)備提供精確的水下定位，以保證檢測精度。主要分析了三種水下定位系統(tǒng)（長基線定位系統(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)能夠滿足海南聯(lián)網(wǎng)綜合檢測水下精確定位的需求。

關(guān)鍵詞：海底電纜；綜合檢測；水下定位；超短基線定位

中圖分類號：P715.5 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.009

海南聯(lián)網(wǎng)工程是我國第一個500 kV超高壓、長距離、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，穿越瓊州海峽到達南登錄端海南澄邁林詩島附近的玉包角，海底電纜長度約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)定性和可靠性對海南社會經(jīng)濟的發(fā)展有著重要作用。

在海纜運行過程中，隨著時間的推移和海流的作用，海纜覆蓋層會受到?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)會給海纜的正常運行帶來極大的風(fēng)險。因此，對海底電纜進行定期的綜合檢測顯得非常有必要。其中，海纜埋深檢測、拋石石壩狀況及厚度檢測、海纜鑄鐵套管狀況檢測是非常重要的內(nèi)容。為了獲取更加準確、詳細的海纜現(xiàn)狀細部資料，綜合檢測采用水下機器人搭載埋深探測設(shè)備（TSS系列）和錄像設(shè)備的方式進行，檢測過程中需要給ROV提供精確的定位信息，即需要進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)答器基陣的基線長短劃分為三種聲學(xué)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，分別是長基線定位系統(tǒng)、短基線定位系統(tǒng)和超短基線定位系統(tǒng)。

1.1 長基線定位系統(tǒng)

長基線定位是通過測量水下目標(biāo)聲源到各個基元的時間差，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收發(fā)應(yīng)答器組成的定位基陣。

采用3個以上的應(yīng)答器對安裝在測量船或水下機器人上的收發(fā)器進行定位，用（x，y，z）來表示水下機器人的三維坐標(biāo)，用（xi，yi，zi）（i=1，2，3）來表示水下應(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所示為長基線定位系統(tǒng)。

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

R22=（x-x2）2+（y-y2）2+（z-z2）2. （1）

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

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個以上的基元構(gòu)成，其基線長度一般超過10 m，通常工作在船底或布置在船舷上，利用聲信號在基元與目標(biāo)之間的傳播時間差來計算，進而得到測量目標(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為水聽器，O為換能器（它也是船體空間直角坐標(biāo)系的中心）。水聽器成正交布設(shè)，Hl和H2之間的基線長度為b，指向船首，即X軸方向。H2和 H3之間的基線長度為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接收的聲信號的時間差（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)安裝在一個收發(fā)器中，組成聲基陣。精確測定聲單元之間的距離，組成聲基陣坐標(biāo)系。在安裝時，要精確測定聲基陣坐標(biāo)系與船體坐標(biāo)系之間的關(guān)系，即需測定相對船體坐標(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)通過測定聲單元的相位差來確定換能器的方位（垂直和水平角度）。換能器與目標(biāo)的距離通過測定聲波傳播的時間，再用聲速剖面修正波束線來確定。

以4陣元組成的水聽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1，2，3，4代表基陣的4個陣元，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，可通過陣元傳播時延確定。

待測目標(biāo)物各角度的方向余弦為：

. （3）

. （4）

方向角測定的基本公式為：

. （5）

式（5）中：φx為陣元間的相位差，由陣列測定。

由定位公式可得：

y=Rcosθy. （6）

其中，θx，θy，θz滿足基本條件：cos2θx+cos2θy+cos2θz=1.

2 水下定位系統(tǒng)優(yōu)缺點分析

通過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)備和安裝校準方法，得出這三種水下定位系統(tǒng)的優(yōu)缺點和適用性。

表1 三種水下定位系統(tǒng)的優(yōu)缺點

系統(tǒng) 優(yōu)點 缺點

長基線

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

短基線

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

超短基線

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

3 結(jié)束語

結(jié)合海南聯(lián)網(wǎng)海底電纜綜合檢測水下機器人定位的實際需要，通過分析三種水下定位系統(tǒng)的原理、優(yōu)缺點和適用性得出，長基線定位系統(tǒng)定位精度最高，但價格昂貴，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)由于基元距離較遠以及船的尾流對基元的擾動影響，對船的要求較高，并且需要在船塢安裝、校準；超短基線定位系統(tǒng)儀器設(shè)備體積小，易于安裝，價格便宜，定位精度較高，對船只沒有較高的要求，完全滿足海南聯(lián)網(wǎng)海底電纜檢測水下機器人定位的需要。因此，在500 kV海南聯(lián)網(wǎng)海底電纜綜合檢測項目中使用超短基線定位系統(tǒng)進行水下定位。

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〔編輯：劉曉芳〕