肖昌榮 蔣青吉 李鵬

【摘要】本文概述了HiPAP100水下定位系統(tǒng)的組成及其工作原理，并分別就其超短基線和長基線兩項功能介紹了其在海洋調(diào)查中的廣泛應用，說明其在相關(guān)海洋調(diào)查中的重要性。

【關(guān)鍵詞】HiPAP；超短基線；長基線

1.引言

近年來人類的探索、開發(fā)逐漸向深海發(fā)展，深海中蘊藏著豐富的自然資源，包括石油天然氣、鈷結(jié)核、熱液硫化物以及天然氣水合物等資源，要準確找到這些海底寶藏，就需要對水下勘探設(shè)備進行精準的定位，水下定位系統(tǒng)的加入讓我們可以精確地定位資源富集區(qū)。

HiPAP100水下定位系統(tǒng)由廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局于2010年從挪威Kongsberg公司引進，其固定安裝于“海洋六號”船上，是一種基于聲音在水中傳播原理的定位參考系統(tǒng)。引進至今，該系統(tǒng)已服務于多種水下設(shè)備，例如ROV水下機器人、海底攝像、磁力深拖、聲學深拖等，為我國南海調(diào)查以及大洋調(diào)查中的水下設(shè)備提供了高精度定位，特別是在大洋29航次海底攝像作業(yè)中，HiPAP 100為水下5500米深、距母船近8000米的攝像拖體提供了較穩(wěn)定的高精度定位。

“海洋六號”船上的HiPAP 100水下定位系統(tǒng)在我國是唯一的，因此對大多數(shù)人來說是陌生的。本文主要介紹HiPAP100水下定位系統(tǒng)的組成、工作原理和功能。

2.HiPAP家族

HiPAP是“高精度水聲學定位”的簡稱，是一種基于聲音在水中傳播原理的定位參考系統(tǒng)。HiPAP系統(tǒng)的主要功能是船舶與應答器的相對定位。該系統(tǒng)同樣可以用于監(jiān)測傳感器數(shù)值，如溫度、壓力（水深）、傾斜和航向等。HiPAP系統(tǒng)也可以遙測控制水下系統(tǒng)，比如水聲控制系統(tǒng)和水聲接口記錄器。

首先了解下HiPAP家族，其共有五種類型：HiPAP100、350、350P、450和500，它們擁有共同的軟件和硬件平臺，因而可以提供相同的額外功能和選項。

HiPAP100使用球型換能器，含31個換能器元件，覆蓋范圍為±60°，是一種低頻系統(tǒng)，其工作頻率是10-15.5kHz，適用于深水區(qū)域，其作用范圍為1-10000m，其余四種系統(tǒng)則都是中頻系統(tǒng)，工作頻率為21-31kHz；[1]

HiPAP350和350P都使用半球型換能器，含46個換能器元件，覆蓋范圍為±60°，作用范圍為1-3000m，其中HiPAP350是固定的船上系統(tǒng)，而HiPAP350P是一種便攜式系統(tǒng)；

HiPAP450使用球型換能器，為固定的船上系統(tǒng)，它具有與HiPAP350系統(tǒng)一樣的操作和技術(shù)性能，同時有著與HiPAP500一樣的換能器元件，雖然只有46個元件，覆蓋范圍為±60°，作用范圍為1-3000m，另外它可以升級為與HiPAP500一樣的性能；

HiPAP500使用球型換能器，含241個換能器元件，覆蓋范圍為±100°，作用范圍為1-4000m，為固定的船上系統(tǒng)。[2]

由于HiPAP100適用于深水區(qū)域，所以HiPAP100系統(tǒng)能更充分地滿足作業(yè)的要求。

3.HiPAP100系統(tǒng)組成及定位原理

3.1 HiPAP100系統(tǒng)組成

HiPAP 100是挪威Kongsberg公司生產(chǎn)的綜合長基線和超短基線功能的水下定位系統(tǒng)，為水下移動目標（ROV、AUV、拖拽體等）定位，亦可利用固定應答器為船舶定位，還可用作動力定位系統(tǒng)的第二參考系。

HiPAP 100分為兩部分：水面部分和水下部分，如圖1所示。水面部分包括：操作站、收發(fā)機、帶換能器的升降裝置、升降控制單元、遙控單元；水下部分包括：應答器、響應器和應答器陣，應答器由船舶發(fā)射的聲音脈沖信號觸發(fā)，且在正常時回應1、2或者3個應答脈沖，響應器通過電纜由電脈沖信號觸發(fā)，應答器陣由海底下的一組應答器組成，用于長基線定位。

此套系統(tǒng)可以為中、深水海域（3000-6500米）進行的海底攝像、海底電視抓斗、ROV系統(tǒng)、各種拖曳系統(tǒng)和地質(zhì)取樣等海洋調(diào)查手段提供高精度定位。長基線標稱定位精度能達到亞米級；超短基線標稱定位精度能達到斜距的0.2%。

HiPAP 100水下定位系統(tǒng)是一種低頻水下聲學定位系統(tǒng)，其超短基線定位部分的工作頻率：13-15.75kHz（接收）；10-12.5kHz（發(fā)射）；12.125-12.875kHz（通訊），最大的測距長度為10000米，測量精度為測距長度的1.8‰，角度精度為0.1°。[3]

3.2 HiPAP100定位原理

（1）HiPAP100的斜距測量原理

當HiPAP系統(tǒng)測量斜距時，它先向水下發(fā)送一個聲波信號（詢問信號），并啟動“秒表”，當應答器接收到詢問（事實上是不同頻率的兩個脈沖）后，它將以自己的發(fā)射頻率作出回應?；貞悬c點延遲，即應答器的反應時間。當應答器的回應到達船舶的換能器，HiPAP系統(tǒng)將停止“秒表”。根據(jù)下面的公式，就能計算出斜距。

SR=[（t-TAD）/2]VoS{m}

其中：SR=斜距，t=秒表中時間，TAD=返回延遲，VoS=聲速。

（2）HiPAP100超短基線系統(tǒng)定位原理

HiPAP100超短基線的聲學單元有31個，集中安裝在一個收發(fā)器中，組成聲基陣，聲單元之間的位置精確測定，組成聲基陣坐標系，聲基陣坐標系與船坐標系的關(guān)系在安裝時精確測定，包括位置（X、Y、Z偏差）與姿態(tài)（橫搖、縱傾、水平旋轉(zhuǎn)）。[4]

系統(tǒng)通過測定聲單元的相位差來確定換能器到目標的方位（垂直和水平角度），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距離。

對于一個以上的SSBL應答器，一次只能向其中一個詢問。所有的應答器都有相同的TAD（時間延遲），但有各自的詢問頻率，全系統(tǒng)的應答器依次工作。測量時，船載系統(tǒng)（HiPAP 100水面部分）以寬波束尋找應答器，成功后即以窄波束聚焦定位。如圖2所示。

（3）HiPAP100長基線系統(tǒng)定位原理

當詢問長基線系統(tǒng)陣列時，我們使用同一個脈沖，每個應答器都有自己特殊的響應信號和時間延遲（TAD），也就是說換能器不會同時接收到應答器發(fā)出的信號。整個系統(tǒng)以平行的方式工作。海底應答器之間的距離，即基線范圍很大，一般在50～2000m范圍內(nèi)。在開始長基線定位前，需先校準基線。

HiPAP系統(tǒng)的測量范圍是自船上的發(fā)射器到海底的應答器。HiPAP知道應答器的位置。每個范圍測量顯示發(fā)射器位于以應答器為中心范圍允許內(nèi)的半徑的球面上。若要測量一個以上的范圍，發(fā)射器的位置必須在球面間的交叉點上。

通常已知換能器的深度。在這種情況下，每個范圍測量均顯示發(fā)射器位于應答器周圍球面與發(fā)射器水平面交叉橫截面所形成的圓圈內(nèi)。圖解見圖3。圓圈畫在應答器深度平面與3個球面的交集處。通常每個測量中都會有噪音?？梢姏]有讓3個圓交于一點，每個圓都有3個交集?？梢约俣ㄎ恢迷?個橫截面的交集三角中。

在對目標進行測量時，方向和范圍都會用于計算中。在淺水區(qū)，若用精確的HiPAP發(fā)射器，則方向測量可給出更精確的范圍。

通常測量的比必須的范圍多，彼此相近交叉電的數(shù)量會增加。位置的最佳推斷仍然在這些交差點之間的空間的某處。

程序使用加權(quán)最小平方誤差的運算法則來確定位置，該運算法則為反復式，誤差是所測量的范圍同相應的以船舶位置為基礎(chǔ)用畢達哥拉斯定律計算出來的范圍間的差值。[6]

LBL定位更難操作，因為它比SSBL需要更多的應答器，但在更深的區(qū)域可給出更精確的數(shù)值。

4.HiPAP100系統(tǒng)的特點

水是一種傳播聲音的復雜介質(zhì)，有很多不同的物理因素影響聲音信號的傳播。HiPAP100系統(tǒng)利用各種方式減少外界因素對的水聲傳播的影響。

（1）噪聲是影響水聲信號的一個因素。噪聲源于船舶自身（設(shè)備，電機，推進器等），也可能來自附近的設(shè)備裝置，船舶，ROV，地震活動，還可能來自波浪。另外，船在水中運動形成氣泡，換能器無法在被空氣阻隔的條件下發(fā)送、接收聲音信號。

HiPAP依靠升降系統(tǒng)降低換能器深度，使換能器遠離船只產(chǎn)生的氣泡和其他噪聲源。

（2）水面、海底和水下結(jié)構(gòu)會反射聲波，對正常的水聲信號加以影響使其失真。因此在設(shè)計HiPAP系統(tǒng)時，已通過軟硬件信號檢測、濾波技術(shù)來消除這種影響。

（3）從海面到海底，不同溫度、鹽度的水體分為很多層，每層的聲波傳播速度都不同，故稱這些水層為聲速層。當聲波穿過不同聲速層，就產(chǎn)生了折射。從水面至水底，聲速增大時，聲波射線向上彎曲，反之聲波射線向下彎曲。 垂直射線沒有彎曲。

把聲速剖面輸送到HiPAP系統(tǒng)，用來計算聲波射線彎曲的偏角，補償聲波射線彎曲造成的影響，得到更準確的定位計算。

（4）由于HiPAP100系統(tǒng)換能器的覆蓋范圍為±60°，應答器的覆蓋范圍為±30°，在作業(yè)準備過程中需要根據(jù)作業(yè)深度調(diào)整應答器在水下設(shè)備上的安裝角度，以達到最佳的效果。

5.HiPAP100的應用與展望

隨著海洋的探索與開發(fā)往深海發(fā)展，水下的精準定位越來越重要，HiPAP100水下定位系統(tǒng)在海洋調(diào)查中的作用越來越明顯。自引進以來，“海洋六號”上的HiPAP100系統(tǒng)主要是使用其超短基線功能，主要運用于ROV水下機器人、海底攝像、磁力深拖、聲學深拖等水下設(shè)備的精確定位。

相對于廣海局現(xiàn)有的其他兩套水下定位系統(tǒng)而言，HiPAP100系統(tǒng)具有明顯的作業(yè)深度和作業(yè)范圍的優(yōu)勢，但在實際應用中，它的不足也日益明顯，例如長時間水下定位工作面臨的應答器電池使用時間問題，還有長基線功能僅適用于母船，不能為水下設(shè)備做精準定位，這就意味著長基線功能只能作為動力定位的第二參考系，其應用價值就不如為水下設(shè)備定位了。針對HiPAP100系統(tǒng)應用中出現(xiàn)的應答器電池問題，提出了應答器電源改造的方案，改造正在進行中，相信改造后可以滿足水下設(shè)備長時間工作的需求。

至于長基線功能，寄希望于日后可以實現(xiàn)對水下設(shè)備進行定位的功能，今年“潛龍一號”AUV的水下定位使用的就是長基線功能，雖然它需要前期長時間的準備工作，例如布陣、校準基線等，但是其定位精度更高，在特定定位區(qū)域內(nèi)可以提供高精度的定位數(shù)據(jù)，對于精準定位海底資源的位置來說是意義重大的。

參考文獻

[1]Kongsberg Maritime AS公司.HiPAP system instruction manual，2007，3.

[2]Kongsberg Maritime AS公司.HiPAP Family，2007.

[3]蔣青吉.HiPAP 100 水下定位系統(tǒng)在海底攝像中的應用，2013.

[4]Kongsberg Maritime AS公司.HiPAP system instruction manual，2007.

[5]Kongsberg Maritime AS公司.HiPAP system instruction manual，2007.

[6]Kongsberg Maritime AS公司.APOS_LBL_and_MULBL_Course，2010.

作者簡介：肖昌榮（1985—），男，助理工程師 ，研究方向：導航系統(tǒng)。