水下聲學定位技術經過數十年的發展已成為各種應用和領域解決水下定位和跟蹤最主要和最可靠的技術手段,從定位模式方面可分為USBL(超短基線)定位、SBL(短基線)定位、LBL(長基線)定位三種基本定位模式,和為滿足某些特殊定位要求的組合定位模式:LUBL(長超短基線)定位、SLUSBL(長短超短基線)定位等。以上定位模式簡單介紹如下:
USBL(超短基線)定位技術
超短基線定位技術由於其系統組成簡單、安裝簡易等特點成為應用最為廣泛的水下聲學定位手段,該技術主要應用與水下拖體定位跟蹤、ROV定位導航、DP船聲學定位參照、水下潛員跟蹤定位等等。顧名思義,該系統的測量極限非常之短,只有幾十公分,且組合於單個聲學換能器陣列,便於水面船安裝和使用。參考下圖:
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USBL系統所採用的技術為相控測量技術,即通過測時得到目標距;通過相位測量測得目標的水平幾垂直角度,進而確定目標的相對位置。由於USBL系統的基線非常短,因此其測量角度的解析度不可能很高,因此該技術系統所能提供的定位精度隨斜距的增加而降低。採用常規模擬聲學技術的系統測距精度通常為20-30厘米,只有Sonardyne公司的寬頻數字聲學技術可達到2-3厘米;定位精度通常為0.2-0.5%X斜距(必須經過高精度姿態改正和聲速改正)。
典型的系統組成和應用如下:
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典型應用:水下拖體定位跟蹤、ROV定位導航、DP船聲學定位參照、水下潛員跟蹤定位,AUV定位跟蹤、遙控,BOP遙控遙測,導管架角度遙測等。
SBL(短基線)定位技術
短基線定位系統組成較為簡單、安裝較為簡易,基線由安裝在船體的多個(通常4個)發射接收機組成基線,測量基線幾十米,參考下圖:
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SBL系統所採用的技術為測距定位技術,即通過測時得到目標距每個發射接收機的距離,進而確定目標的相對位置。該技術的定位精度較USBL高,單又遠遠低於LBL技術,系統的操作優勢不是很明顯,性價比偏低,因此應用遠比USBL 和LBL技術低。
LBL(長基線)定位技術
長基線定位技術是當前高精度定位的唯一可靠的技術手段,是為深海海洋工程施工、模塊安裝、管線鋪設和對接;高精度拖體定位跟蹤、ROV定位導航、DP船聲學定位參照、AUV定位跟蹤、遙控等等提供厘米級定位的技術方案。廣泛地應用與海洋石油和天然氣工業、軍事領域等。顧名思義,該系統的測量基線是最長的,通常為數百至數公里,參考下圖:
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LBL系統由分布於海底的發射應答器陣,組成水下長基線陣列,陣列經過校準後,任何在陣列中的目標和水面船的測距精度可以達到優於1 厘米,相對定位精度可高達5厘米以內,且不受任何水深的限制。系統定位的原理採用完全的測距定位技術。採用當前最新的數字聲學技術的SonardyneLBL系統除了能夠提供高精度定位外,它還具備數量更多的通道,對於大型的複雜的油田開發項目,能夠滿足多船、多ROV同時同地施工,而不會相互干擾,同時也是唯一能夠提供USBL兼容和高速數據遙測的聲學技術。關於寬頻數字聲學技術(WideBandAcoustic Technology)將在後章節獨立說明。
典型的系統組成和應用如下:
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LUBL(長超短基線)定位技術
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LUBL(長超短基線)技術是將LBL和USBL技術組合一體的綜合定位技術,系統能夠利用海底應答器陣列為水面船提供長基線高精度DP參考,並且可為水下目標(ROV)提供長基線定位及定位數據遙測。該技術通常被應用與對DP要求很高的深水鑽井船,並以分離雙系統備分配置,同時組合BOP遙測遙控功能,以組成長基線DP定位參考、長基線ROV支持定位、RiserAngle遙測、BOP遙測遙控功能的綜合聲學定位系統。
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SLUSBL(長短超短基線)定位技術
SLUSBL(長短超短基線)定位技術是將所有聲學定位技術組合在一起的超複雜、超贏餘的定位方式,系統組成非常複雜,至盡全球只有2條深水鑽井船裝備了該技術,並非被廣泛採用的系統,在此就不做進一步的技術說明和介紹了。
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文章來源:Sonardyne公司技術文件《水下綜合聲學定位技術簡介》。
水下定位系統(ROBO-ROV應用案例)
針對GPS信號在水下無法傳輸的問題,博雅工道(ROBOSEA)公司自主研發的有纜水下機器人ROBO-ROV選用超短基線進行水下定位(USBL)。
超短基線(USBL)分為收發機陣和應答器兩部分,應答器安裝在ROBO-ROV上,收發機陣從岸上或船上放入水下。收發機陣發射信號到應答器,並接收應答器的回饋信號,利用各個陣元之間的相位差(或者時延差)來測量目標的方位,從而計算出ROBO-ROV在水下相對收發機陣的位置。再結合ROBO-ROV內置的羅經和水面上的GPS等系統,即可獲得ROBO-ROV的絕對坐標位置。
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應用案例
水庫大壩檢測
經某水庫管理處批准,將水下無人潛航器用於水庫大壩檢測。當天水況較為良好,管理人員使用搭載超短基線定位系統的ROBO-ROV線控無人潛水器對水庫大壩進行檢測。全過程使用ROBO-ROV線控無人潛水器完成大壩中心處60米距離檢測,觀測視頻畫面清晰,潛水器定位準確,圓滿完成大壩檢測任務。
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Rob-Rov檢測準備
...USBL定位跟蹤
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