李學(xué)成，謝陽光，張 舸，伊國興

(1.中海輝固地學(xué)服務(wù)(深圳)有限公司，廣東 深圳 518067；2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛行自動(dòng)控制研究所，西安 710065；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)空間控制與慣性技術(shù)研究中心，哈爾濱 150001)

0 引言

水下導(dǎo)航定位是海洋石油工程的基礎(chǔ)信息，如水下結(jié)構(gòu)物位姿測量[1-2]、遙控?zé)o人潛水器(Remote Operated Vehicle，ROV)巡檢高精度定位定向等[3-5]。離開水下導(dǎo)航定位將無法開展水下施工作業(yè)。當(dāng)前我國海洋石油工程水下定位裝備、技術(shù)支持、售后服務(wù)主要來源于西方海洋強(qiáng)國，核心關(guān)鍵裝備沒有實(shí)現(xiàn)全國產(chǎn)化。隨著中美貿(mào)易戰(zhàn)的持續(xù)進(jìn)行，關(guān)鍵水下定位裝備與技術(shù)受到禁運(yùn)，對(duì)我國海洋開發(fā)造成嚴(yán)重威脅。

當(dāng)前，我國在渤海、東海和南海陸續(xù)建成400多條海管,累計(jì)長度已超過7000km。已有管纜的準(zhǔn)確在位狀態(tài)檢測對(duì)于后續(xù)防護(hù)工程開展具有重大意義。深海ROV是水下作業(yè)利器，通過攜帶各種傳感器，可廣泛應(yīng)用于水下設(shè)施安裝、檢測維修等海洋開發(fā)作業(yè)。ROV在淺水區(qū)檢測定位傳感器采用超短基線定位系統(tǒng)(Ultra-Short Baseline，USBL)+水下羅經(jīng)；在深水區(qū)檢測定位傳感器采用USBL+水下羅經(jīng)+多普勒計(jì)程儀(Doppler Velocity Log，DVL)，數(shù)據(jù)融合在ROV母船進(jìn)行。該定位系統(tǒng)長期沒有高可靠的國產(chǎn)化設(shè)備及軟件支持，為海工裝備“卡脖子”的關(guān)鍵技術(shù)之一。

在水下導(dǎo)航方面，張濤等提出了基于聲學(xué)浮標(biāo)輔助慣導(dǎo)的水下定位方案[6]；Ma X.等提出了基于因子圖的多源信息融合算法[7]；M.Franchi等提出了一種基于自適應(yīng)無跡卡爾曼濾波器的DVL和前視聲納組合方案[8]；Li W.等提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的捷聯(lián)慣導(dǎo)和DVL組合導(dǎo)航方案[9]；S.Suresh等提出了基于多波束聲納的水下同時(shí)定位與建圖(Simultaneous Lo-calization and Mapping，SLAM)方案[10]。在數(shù)據(jù)回放仿真方面，梁云濤等提出了基于vieWTerra平臺(tái)構(gòu)建的船舶航行數(shù)據(jù)回放方案[11]；Jin X.等提出了基于真實(shí)回放信號(hào)的導(dǎo)航終端測試方案[12]；Yan F.等提出了岸基雷達(dá)的海上回波數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)[13]；C.Cristodaro等提出了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)的數(shù)據(jù)回放測試方案[14]。水下導(dǎo)航定位算法的多樣化為ROV水下作業(yè)提供了豐富的數(shù)據(jù)來源，與此同時(shí)將實(shí)測數(shù)據(jù)的回放仿真與水下組合導(dǎo)航算法相結(jié)合，可以極大程度提高算法調(diào)試效率。

本文針對(duì)ROV導(dǎo)航定位系統(tǒng)需求，通過對(duì)ROV導(dǎo)航定位需求進(jìn)行總結(jié)，構(gòu)建系統(tǒng)框架，研究融合算法，形成工程樣機(jī)，并在實(shí)際掃管作業(yè)中進(jìn)行驗(yàn)證，為實(shí)現(xiàn)全國產(chǎn)化ROV導(dǎo)航定位系統(tǒng)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 ROV對(duì)導(dǎo)航定位系統(tǒng)需求概述

以某型ROV進(jìn)行南海某水深300～1200m石油管線巡線調(diào)查為背景，巡線調(diào)查主要載體與設(shè)備系統(tǒng)資源有DP定位工作母船、深水工作級(jí)ROV、水面定位導(dǎo)航系統(tǒng)、水下定位導(dǎo)航系統(tǒng)、事件記錄系統(tǒng)、視頻記錄系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。巡線調(diào)查的目的為查清管線在位狀態(tài)、路由位置、水深、障礙物及管線損傷情況、管線附屬結(jié)構(gòu)基本信息等。主要設(shè)備系統(tǒng)與應(yīng)用方式如圖1所示。

圖1 ROV作業(yè)場景及配置示意圖

該任務(wù)場景對(duì)水下導(dǎo)航定位需求如下：定位精度優(yōu)于1m；定向精度不低于2°；姿態(tài)精度不低于0.2°；定位數(shù)據(jù)平滑無噪聲；數(shù)據(jù)輸出頻率不小于1Hz。

基于聲學(xué)定位系統(tǒng)良好的工作性能，USBL與長基線(Long Baseline，LBL)定位系統(tǒng)在水下工程作業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，但獨(dú)立的LBL與USBL均無法滿足本任務(wù)場景需要。LBL定位精度高，精度不受水深影響,但定位控制范圍有限，適合工程安裝作業(yè)而不適合長距離定位導(dǎo)航作業(yè)。USBL應(yīng)用方便，可快速部署到作業(yè)地點(diǎn)，但精度隨水深增加而降低。經(jīng)評(píng)估，本作業(yè)場景下，USBL獨(dú)立定位精度為1.5～6m，數(shù)據(jù)輸出頻率1～2Hz，無法滿足巡檢導(dǎo)航定位需求。

為滿足水下定位導(dǎo)航要求，本文研究了USBL輔助下的組合慣導(dǎo)定位系統(tǒng),為ROV管線巡檢提供基礎(chǔ)位置數(shù)據(jù)信息，研究涉及ROV搭載的傳感器主要有USBL信標(biāo)、水下測量羅經(jīng)、DVL及深度計(jì)。上述傳感器原始測量數(shù)據(jù)通過ROV臍帶纜傳輸至DP母船，導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合終端在母船實(shí)現(xiàn)。

2 ROV導(dǎo)航定位框架設(shè)計(jì)

如圖2所示，導(dǎo)航定位系統(tǒng)框架主要包含嵌入式運(yùn)行模式、仿真運(yùn)行模式和數(shù)據(jù)分析模塊三部分。

圖2 實(shí)測數(shù)據(jù)回放導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 嵌入式運(yùn)行模式

嵌入式運(yùn)行模式是在ROV的嵌入式導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中的工作模式。在該模式下，導(dǎo)航系統(tǒng)工作在真實(shí)的水下環(huán)境中，主要進(jìn)行導(dǎo)航信息解算和原始信息存儲(chǔ)兩項(xiàng)任務(wù)，如圖3所示。

圖3 嵌入式運(yùn)行模式示意圖

該模式下，系統(tǒng)輸入主要為傳感器數(shù)據(jù)、上位機(jī)指令和導(dǎo)航算法參數(shù)三大類。羅經(jīng)、DVL、USBL和深度計(jì)是ROV接入的傳感器，分別為ROV提供量測的姿態(tài)角信息、對(duì)地速度信息、位置信息和深度信息；上位機(jī)指令是水下試驗(yàn)過程中,上位機(jī)發(fā)出的包括算法復(fù)位、模式切換、參數(shù)賦值等在內(nèi)的指令，是ROV工作環(huán)境的一部分；導(dǎo)航算法參數(shù)是包括量測噪聲、過程噪聲、狀態(tài)變量和協(xié)方差陣初始值等在內(nèi),會(huì)一定程度上影響算法穩(wěn)定性、快速性和精度的參數(shù)。

傳感器數(shù)據(jù)和上位機(jī)指令以用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議(User Datagram Protocol，UDP)接入系統(tǒng)，以系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘為基準(zhǔn)對(duì)以上信息進(jìn)行時(shí)標(biāo)配置，同時(shí)根據(jù)各傳感器協(xié)議進(jìn)行解包。導(dǎo)航算法以初始參數(shù)和傳感器數(shù)據(jù)為輸入，實(shí)時(shí)解算ROV的定位信息并輸出。傳感器原始數(shù)據(jù)和解算的導(dǎo)航數(shù)據(jù)均被導(dǎo)航系統(tǒng)合并保存，以UDP輸出至存儲(chǔ)板形成實(shí)測數(shù)據(jù)文件。

2.2 仿真運(yùn)行模式

仿真運(yùn)行模式是在仿真計(jì)算機(jī)中的工作模式。在該模式下，導(dǎo)航系統(tǒng)工作在以回放數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的模擬環(huán)境中，主要進(jìn)行水下試驗(yàn)的數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)和導(dǎo)航算法的調(diào)試更新仿真兩項(xiàng)任務(wù)，如圖4所示。

圖4 仿真運(yùn)行模式示意圖

該模式下，系統(tǒng)輸入為導(dǎo)航算法參數(shù)和嵌入式運(yùn)行模式中輸出的實(shí)測數(shù)據(jù)文件。實(shí)測數(shù)據(jù)文件中主要包括原始傳感器數(shù)據(jù)、上位機(jī)指令以及嵌入式運(yùn)行模式下的系統(tǒng)狀態(tài)及導(dǎo)航輸出等內(nèi)容。

仿真導(dǎo)航系統(tǒng)具備與嵌入式導(dǎo)航系統(tǒng)相同的時(shí)鐘基準(zhǔn)，并以該基準(zhǔn)對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)文件進(jìn)行回放數(shù)據(jù)解析，將同步于當(dāng)前時(shí)鐘的實(shí)測數(shù)據(jù)釋放，還原相應(yīng)的傳感器原始數(shù)據(jù)以及嵌入式運(yùn)行模式下的導(dǎo)航輸出數(shù)據(jù)。仿真導(dǎo)航系統(tǒng)與嵌入式導(dǎo)航系統(tǒng)的核心部分完全一致，共用相同的傳感器數(shù)據(jù)解包模塊和導(dǎo)航算法模塊，保證了仿真復(fù)現(xiàn)精度。

與嵌入式運(yùn)行模式不同的是，仿真運(yùn)行模式?jīng)]有進(jìn)行基于時(shí)標(biāo)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，而是輸出一系列基于原始數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的文件，這些文件包含以系統(tǒng)時(shí)鐘為基準(zhǔn)的各個(gè)時(shí)刻的傳感器數(shù)據(jù)、航位推算數(shù)據(jù)、組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)和導(dǎo)航算法狀態(tài)變量等信息，為數(shù)據(jù)分析模塊提供豐富的數(shù)據(jù)來源。

2.3 數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊是運(yùn)行在數(shù)據(jù)分析計(jì)算機(jī)上的軟件，為仿真運(yùn)行模式下輸出的一系列數(shù)據(jù)文件提供可視化分析結(jié)果。

圖5所示為數(shù)據(jù)分析模塊的界面截圖。根據(jù)功能的不同，主要分為數(shù)據(jù)模式選擇、傳感器數(shù)據(jù)顯示和導(dǎo)航算法分析三部分。數(shù)據(jù)模式分為原始數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)，分別對(duì)應(yīng)仿真運(yùn)行模式下輸出的原始數(shù)據(jù)文件和仿真數(shù)據(jù)文件，反映了嵌入式導(dǎo)航系統(tǒng)和仿真導(dǎo)航系統(tǒng)下的導(dǎo)航結(jié)果。傳感器數(shù)據(jù)顯示區(qū)的不同按鈕可以繪制羅經(jīng)、DVL、USBL和深度計(jì)的數(shù)據(jù)曲線，同時(shí)USBL按鈕還能夠繪制ROV平面運(yùn)行軌跡。導(dǎo)航算法分析區(qū)可以繪制航位推算和基于卡爾曼濾波的組合導(dǎo)航的位置圖像和平面運(yùn)行軌跡，并以USBL為基準(zhǔn)進(jìn)行算法的誤差解算，同時(shí)能夠顯示狀態(tài)變量和協(xié)方差陣主對(duì)角線元素在濾波過程中的迭代情況，為算法調(diào)整和參數(shù)優(yōu)化提供參考信息。

圖5 數(shù)據(jù)分析模塊界面截圖

3 ROV組合導(dǎo)航算法研究

3.1 航位推算

(1)

通過DVL獲得ROV在機(jī)體坐標(biāo)系下的三軸線速度Vb，考慮速度量測噪聲WDVL是均值為0的高斯白噪聲，可以計(jì)算得到ROV在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的速度Vn，如式(2)所示

(2)

根據(jù)導(dǎo)航坐標(biāo)系下的速度可以計(jì)算得到經(jīng)緯度變化率，如式(3)所示

(3)

因此，經(jīng)緯度迭代過程如式(4)所示

(4)

3.2 組合導(dǎo)航

圖6所示為基于卡爾曼濾波的組合導(dǎo)航原理圖，羅經(jīng)和DVL進(jìn)行航位推算迭代，航位推算的位置與USBL和深度計(jì)的位置作為卡爾曼濾波器的輸入進(jìn)行組合導(dǎo)航，解算其位置誤差并以該誤差對(duì)航位推算結(jié)果進(jìn)行校正,進(jìn)而作為組合導(dǎo)航位置進(jìn)行輸出。

圖6 組合導(dǎo)航原理圖

以緯度、經(jīng)度和高度誤差作為狀態(tài)變量，則組合導(dǎo)航的系統(tǒng)方程為

(5)

(6)

以USBL與航位推算的經(jīng)緯度之差和深度計(jì)與航位推算的高度之差作為觀測量，則量測方程可以表示為

(7)

根據(jù)卡爾曼濾波的計(jì)算公式進(jìn)行迭代并實(shí)時(shí)進(jìn)行航位校準(zhǔn)，則可以計(jì)算得到組合導(dǎo)航位置。

4 測試驗(yàn)證

基于上述系統(tǒng)框架及算法研究，研制了ROV導(dǎo)航定位系統(tǒng)工程樣機(jī)，如圖7和圖8所示，包含導(dǎo)航融合終端軟件及全國產(chǎn)化的光纖羅經(jīng)。

圖7 ROV導(dǎo)航傳感器配置

圖8 導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合終端

4.1 海試驗(yàn)證

2021年11月，在南海某海域利用某型ROV進(jìn)行導(dǎo)航定位系統(tǒng)測試驗(yàn)證試驗(yàn)，現(xiàn)場配置狀態(tài)如圖7所示?，F(xiàn)場用于試驗(yàn)的配套系統(tǒng)與傳感器主要有USBL(Sonardyne Range2 HPT5000)、DVL(RDI 1200kHz navigator )及深度計(jì)(Tretech Seaking Bathy)。

以其中一例掃管試驗(yàn)為分析對(duì)象，實(shí)測數(shù)據(jù)輸出如圖9～圖12所示通過圖12組合輸出結(jié)果可以看出，相比USBL輸出，組合導(dǎo)航輸出結(jié)果更加平滑。通過曲線擬合方式，去除趨勢項(xiàng)后，USBL剩余噪聲方差為5m，組合導(dǎo)航剩余噪聲方差為0.8m，通過組合壓制了80%定位噪聲。

圖9 羅經(jīng)航向角數(shù)據(jù)

圖10 DVL三軸速度數(shù)據(jù)

圖11 USBL定位數(shù)據(jù)

圖12 組合導(dǎo)航輸出結(jié)果

試驗(yàn)測試過程中1000s時(shí)間段內(nèi)，ROV坐底觀察，USBL輸出大量野值，組合系統(tǒng)輸出穩(wěn)定，表明系統(tǒng)能夠有效應(yīng)對(duì)USBL輸出異常。

4.2 成圖驗(yàn)證

為檢驗(yàn)本導(dǎo)航系統(tǒng)的有效性，通過商用綜合導(dǎo)航系統(tǒng)Starfix.NG分別記錄ROV載體USBL數(shù)據(jù)和本組合導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的位置數(shù)據(jù)，并在多波束數(shù)據(jù)處理時(shí)分別應(yīng)用兩組數(shù)據(jù)作為對(duì)比。

實(shí)測數(shù)據(jù)表明，本組合導(dǎo)航系統(tǒng)可以在保證數(shù)據(jù)平滑的基礎(chǔ)上，獲得較高的定位精度，組合系統(tǒng)能夠有效平滑USBL量測噪聲，并能夠有效去除USBL受到遮擋及干擾時(shí)輸出的野值點(diǎn)，數(shù)據(jù)輸出頻率達(dá)10Hz，如圖13所示。同時(shí)，將本組合導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的位置數(shù)據(jù)應(yīng)用于多波束數(shù)據(jù)處理也獲得了更細(xì)膩的細(xì)節(jié)表達(dá)，如圖14所示，調(diào)查所得數(shù)字地形模型能夠更真實(shí)地反映管線在位狀態(tài)及海底地形，對(duì)水下高精度調(diào)查具有巨大提升作用。

圖13 實(shí)測水下組合慣導(dǎo)與USBL位置對(duì)比

(a)應(yīng)用USBL時(shí)三維視圖 (b)應(yīng)用組合慣導(dǎo)時(shí)三維視圖

5 結(jié)論

針對(duì)ROV水下生產(chǎn)作業(yè)對(duì)導(dǎo)航定位系統(tǒng)的需求，研制了包含導(dǎo)航融合終端軟件及全國產(chǎn)化光纖羅經(jīng)在內(nèi)的ROV導(dǎo)航定位系統(tǒng)工程樣機(jī)，并進(jìn)行了海上工程應(yīng)用驗(yàn)證，結(jié)果表明：

1)構(gòu)建的包含嵌入式運(yùn)行模式、仿真運(yùn)行模式和數(shù)據(jù)分析模塊三部分的水下導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合開發(fā)系統(tǒng)框架可靠有效，解決了水下導(dǎo)航算法研究過程中算法優(yōu)化對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性要求和水下試驗(yàn)成本高、難度大、機(jī)會(huì)少的問題，極大地提高了水下導(dǎo)航算法研究的工作效率。

2)系統(tǒng)工程樣機(jī)設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)能夠根據(jù)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)確記錄并回放ROV的工作環(huán)境、系統(tǒng)狀態(tài)和導(dǎo)航輸出，為ROV的故障分析提供數(shù)據(jù)支持；能夠根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)的回放進(jìn)行調(diào)試仿真，在保證外部環(huán)境一致的前提下，調(diào)試導(dǎo)航算法參數(shù)，為水下導(dǎo)航算法優(yōu)化提供便捷的途徑；此外，能夠根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)的復(fù)現(xiàn)和調(diào)試仿真的輸出進(jìn)行可視化結(jié)果分析，直觀地顯示試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)以及導(dǎo)航算法的調(diào)試效果，為水下導(dǎo)航系統(tǒng)提供高效的交互方式。

3)基于USBL、水下羅經(jīng)、深度計(jì)和DVL的組合導(dǎo)航是提高ROV水下作業(yè)定位精度的有效手段，能有效克服狀態(tài)發(fā)散，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間高精度的水下導(dǎo)航定位。工程樣機(jī)實(shí)測中，對(duì)USBL噪聲實(shí)現(xiàn)80%抑制，并輔助多波束實(shí)現(xiàn)高清成圖，表明該工程樣機(jī)初步滿足設(shè)計(jì)要求，具備海上商業(yè)化運(yùn)營條件。該系統(tǒng)的應(yīng)用可顯著提高水下定位精度，拓寬ROV調(diào)查作業(yè)水深范圍，同時(shí)大大改善ROV水下安全作業(yè)條件，輔助ROV應(yīng)對(duì)復(fù)雜的水下作業(yè)環(huán)境。

本研究投入小、成本可控、效益高，具有廣闊的應(yīng)用前景，可廣泛應(yīng)用于海上鋪管預(yù)調(diào)查、鋪管后調(diào)查、管線挖溝后調(diào)查、管線掩埋調(diào)查及海上設(shè)施安裝等ROV水下生產(chǎn)作業(yè)。但同時(shí)也應(yīng)看到，水下環(huán)境復(fù)雜以及施工方式多變，系統(tǒng)存在待優(yōu)化空間，主要為：

1)聲學(xué)導(dǎo)航設(shè)備極易受到干擾，提升聲學(xué)導(dǎo)航數(shù)據(jù)預(yù)處理能力，抑制噪聲，剔除野值是提升系統(tǒng)性能的最有效手段；

2)DVL對(duì)地速度數(shù)據(jù)是組合導(dǎo)航的重要組成部分，DVL的安裝角度誤差與比例因子的獲取是提高導(dǎo)航精度的關(guān)鍵；

3)當(dāng)前ROV作業(yè)導(dǎo)航定位系統(tǒng)信息直接提供給成像設(shè)備進(jìn)行輔助成圖，信息單向流動(dòng)，如導(dǎo)航定位系統(tǒng)與成像傳感器構(gòu)成SLAM系統(tǒng)，將能夠極大提升ROV作業(yè)性能。

基于上述認(rèn)識(shí)，未來在系統(tǒng)性能提升方面可從以上三方面實(shí)施。