水声定位在动力定位系统中的应用和试验方案

景年顺　饶展　贺乐

摘 要：本文简述了动力定位系统（DP-2）的基本组成和工作原理，着重分析了本型船舶的特色装备——高精度水声定位系统（HIPAP）及其辅助系统声速剖面修正系统（svp）在动力定位中的应用及试验方案。

关键词：高精度水声定位系统；动力定位系统；声速剖面修正系统；试验方案

中图分类号：U666.7 文献标识码：A

1 引言

围绕海洋权益的国际争端不断增加，其中尤以争夺海洋资源问题最为突出，海上权益已成为各国的关注焦点。随着我国国力的日益强大及海洋开发技术的发展，海洋平台建造以及海底资源开发将逐渐增多。为此，我司打造了一型基于动力定位系统（DP-2）的高科技工程船舶。同时为了满足DP-2双冗余双备份的技术要求，本船除了配备标准的DGPS位置参考系统外还配备了高精度水声定位系统（HIPAP）以及声速剖面修正系统（SVP），以实现定位方式的备份和提高定位的可靠性。

2 动力定位（DP-2）控制系统

DP就是我们常说的动力定位系统，它涉及船位测量技术、船舶水动力和操纵性、现代控制理论和智能控制、实时控制计算机系统、海洋环境力测量、动力装置和推力器性能以及仿真技术等，其作用是在风、浪、流、涌的干扰情况下，不借助锚泊系统，通过位置参考系统（如DGPS，HIPAP）、航向参考系统（如电罗经）、运动参考系统（MRU2＼MRU5）、环境参考系统（如风速风向仪），将各种传感器所收集的数据送到处理单元进行计算，并将计算结果与模型中的预定数据做比较后，通过调节自身的推力器系统（如全回转推进器，首侧推等）使船舶实现对纵荡、横荡、 首摇三个自由度的控制，从而保持船在设定的位置和首向，或者使船按设定运动轨迹运行的闭环控制系统，基于此来完成各种复杂的水面和水下作业；（DP-2）中的2表示Class2，是DNV等船级社规范里的等级，简单的理解就是具备两套各自独立的控制器、环境传感器以及不间断电源（UPS），并配备两套母联的智能电站工作的系统，它们相互备份，即冗余系统。由于本型船在作业时经常需要按预定轨迹低速航行或保持位置，可见DP-2系统实为该型船舶的必备及核心装备。

本船的基本配置（由康斯伯格公司提供）如下：两套冗余控制器、两套操作站，两套差分GPS、两套卫通差分（SPOTBEAM）、两套地面台差分（IALA）、两套罗经、三套运动传感器、两套风速风向仪、两套不间断电源、一套简易控制站、一套数据记录仪以及一台报警打印机。

3 高精度水声定位系统（HIPAP）

高精度水声定位系统（HIPAP）由操作站、收发机、携带换能器的升降机构（可伸出船体下5m）、升降机构操作台、升降机构遥控操作面板、海底阀以及水声应答器组成。 当海底阀打开，换能器被升降机构伸出置于船体下部，应答器被布置到海底后，换能器便可以发出询问信号。应答器时刻监听询问信号，当应答器接收到询问信号后其以自身频率进行应答。换能器接收到应答信号后便可以测定其到应答器的距离和方向。这种方式通过利用海底应答器可以确定船舶的位置，是独立于DGPS位置参考系统的第二类位置参考系统。实际使用时根据所匹配的换能器个数与水声应答器的个数的不同，又可以分为LBL（长基线水声定位）、SBL（短基线水声定位）和SSBL（超短基线水声定位）三种定位方式，目前我船的配备为换能器一个（Hipap 350型）、SPT319/R应答器（大型带释放机构）两个和MST319/N应答器（小型悬浮式）4个，主要用于实现SSBL定位，即超短基线水声定位，如图1所示。

4 声速剖面修正系统（SVP）

声速剖面修正系统（SVP）实际是一个水声定位系统的辅助系统。根据声学原理，声音在水中的传播速度依赖于盐度和温度，声速随水温增加而增快，随水温降低而减慢，随盐度增加而增快，随盐度降低而减慢。从海面到海底根据深度不同有很多个盐度层与温度层。当声波通过不同的温度层和盐度层时，声线方向会发生弯曲。当从水面到水底的速度增大（盐度/或温度更高）时，声信号路径将向上弯曲。当从水面到水底的速度减小（盐度/或温度更低）时，声信号路径将向下弯曲，如图2所示。

声波沿着一条因盐度和温度分层的、从海面到海底而往返于换能器与应答器之间的路径，就产生了误差，这个误差随深度的增加而增大，例如在本船设计的300 m深的水下进行高精度作业时，声波往返的总行程就达到了600 m，这个误差被成倍甚至是成数量级的放大，这在高精度的水下作业时是不允许存在的。声速剖面修正系统（SVP）的作用，就是利用绞车在作业海域垂直释放一个声速测量拖曳（释放的深度由作业的深度决定），该拖曳在入水后不断释放声速测量声波，同时拖曳自身配备有压力传感器，可以通过实时的压强测量来判定当前所处的深度，只要在入水前对其设定一个固定层深（单个剖面的厚度），那么在入水后它就能在垂直面上将作业海域分成一个个有固定厚度的水层，通过下潜采集到一组依据深度排序的水层的剖面声速并记录在其内部的存储器上，回收拖曳后再将存储器上的数据导出到仪器配套的数据分析软件中，经过软件分析处理之后形成随深度增加的声速变化表，这时只要将该表导入到水声定位系统中，定位数据的测量值就能依据表格数据自动获得实时的深度声速校正，从而大大提高了水声定位系统的定位精度。

5 水声定位系统及声速剖面修正系统试验

由于高精度水声定位系统（HIPAP）的定位验证试验，需要向水下投放声学应答器，而我们之前从未有过类似经验可以借鉴，所以其专项试验是复杂且具有挑战性。

5.1 试验条件

根据试验项目要求必须做三次水平移动且首次水平位移时必须保持安全距离20 m，因此，我们设定水平移动最远距离≥80 m（考虑了船宽约18 m和运动惯性），同时换能器有+-60°的开角的性能限制；另一方面又要保证船离开应答器达到水平最远距离时还能接收到信号，依据公式：

即算得了最小水深46.2 m的理论值，另外再加上应答器自身的长度1.47 m以及本船的吃水深度甚至换能器伸入水面下的长度，我们将试验海区的深度锁定在50 m水深处。

定位试验还要求能抵抗3级海况，考虑到安全问题，选择较好的天气及较好的能见度的海域，同时水面无移动船只。最后根据各方人员的经验，综合安全性、经济性、可行性与未来天气状况，选定在50 m深、半径200 m的较少船只经过的万山海域进行试验。

5.2 试验方法

试验位置选好后，我们着手考虑应答器的回收、本船推进器对其产生的噪声影响以及推进器会将应答器吸入（由于MST319/N是小型非固定式悬浮应答器）的情况，同时考虑海流、风这些影响本船与应答器相对位置的因素。特别是在还未获得应答器的水下位置回应时，我们必须设置信标估算应答器的位置。因此在投放前我们必须对投放位置及方法做全面的分析。

投放方式上，我们采取绳作为回收与控制的索具，底部拴住应答器并联接铁块做重物，绳长每10m结一绳结做记号，根据水深50 m只放45 m（不能沉海底，防止拖曳时卡住，同时应答器沉底倒置后也不利于信号接收）左右处结橙色救生圈一个，做悬浮位置标记，以判断我船与其相对位置，同时提供浮力，使应答器在重物的拉力下于水中悬浮。当然这是小型的MST319/N，面对长达1.47 m、重达25 kg（另有570mm×375mm的携带浮子）的SPT319/R我们专门制定了另外一套方案：浮筒一个，提供35 kg的浮力，通过计算应答器加浮筒重量和浮筒所提供的浮力，由厂里制作25 kg水泥块数个（备用）以铁链连接其底部可远程控制脱钩的锁具作为压载重物，从而让应答器保持悬浮于水下的状态，应答器顶部扣环依旧连接绳索作为回收用，于45 m处系橙色救生圈一个当位置标示，而后根据位置布放示意图抛放至水下，如图3示。

5.3 试验方案改进

我们参考了厂家的资料做出以上的方案，试验后总结出两个弊端并作了改进：

（1）小型应答器即便系着重物压铁，但依然会被强海流带走，太重的重物又造成了不易回收的局面。对于实测50 m的海底，我们必须投放60 m左右的绳（多出的绳用于拖曳时的操作），海面标系物也要结到50 m处为合适，否则会被拉入水面下，造成无法估计应答器位置，这时贸然操船会将绳卷入主推或侧推桨叶中，这是非常危险的情况；

（2）大型应答器的遥控锁扣的扣缝相当窄，在遥控脱扣后有时重物并未能与应答器分离，造成了应答器无法回收，为了避免此风险，施工人员利用浮标绳索强行收回了应答器，避免了损失。事后分析，在脱扣时的瞬时作用力让原本竖直受力的铁环震动，形成一个倾斜于扣逢的角度横在了扣缝中，而扣缝本身狭小，使扣具没有足够的空间弹开，于是在浮筒拉力的影响下就扣死在了一起，无法分离。该问题经我们研究后采取短绳替代，该短绳在选取时应做承力计算和试验。

5.4 试验部署

首先，在进行动力定位试验前，必须再次确认所有设备都进行过完整的功能试验，并运转正常，允许转换到DP操作状态。

整个试验部署如下：

（1）甲板区域：由于需要甲板吊机的配合收放大型应答器SPT319/R，所以该区域要安排一名起重工负责起重；安排一名有丰富航海经验的水手携带对讲机作观察瞭望，负责实时监控应答器相对于本船的位置及海面状况，在突发情况时指挥船舶转入手动操舵；安排应答器回收水手若干，该部分人员由于需要在舷边工作，必须穿戴救生衣。收放命令由驾驶室指挥。

（2）工作艇区域：安排经验丰富的舵手随艇操船并由水手释放应答器。为确保安全，要求携带一名配备对讲机的报务人员随船作通讯兼应急调配；工作艇释放机构安排专业水手操作，并安排安全监督员一名。全员必须穿着救生衣，听驾驶室指挥命令改变船位与收放小型应答器MST319/N。

（3）水声声呐舱：安排船员和钳工各一名在现场负责海底阀门的开关，以及换能器收放的本地监控（试验时换能器收放在驾驶室遥控控制），现场人员应该有应对突发状况的经验，并对可能出现的下列三种突发情况，提前做好应对策略：

第一，海底阀漏水。先手动回收换能器，再进行阀门的关断操作；

第二，遥控未完全回收。一定要观察换能器是否完全回收完毕，防止换能器因限位开关故障造成未完全收回即关断海底阀，导致换能器的损坏；

第三遥控失控。立即转为手动操作，务必防止盲目操作而损坏换能器。

该处所有通讯借助直通驾驶室的声力电话完成。

（4）船首甲板：安排操作绞车的水手与声速剖面仪（SVP）服务工程师配合完成该系统的水下声速剖面数据的采集，由服务工程师携带对讲机与驾驶室试验指挥者沟通。该处情况可由驾驶室窗口直接观察到。

（5）DP操作区域：由具有DP操作资格的海员操作，服务商与我厂技术人员在一旁职守，直接接受试验命令。

（6）驾驶室：由船长把控本船所有动向，试验指挥者在征询船长同意后方可开始试验，舵手时刻在操舵台待命，随时准备接受船长下达的操舵指令，接过船舶操纵权；机舱实时监测所有动力系统与电站的运行状态；所有视频监视系统的摄像头交予驾驶室遥控，并将视频投送到驾驶室显示屏显示，借助此系统可以了解甲板、工作艇及舷边海面的情况；试验总指挥利用对讲机向每个区域的负责人下达试验指令，区域负责人根据现场情况指挥专业人员实施，安全监督员确保所有操作均符合安全操作规定的要求，机舱及声呐舱部分的通讯借助船上的声力电话完成，以保障一切试验安全、有序的进行。

此外，一定要保障广播系统工作正常，用作应急时的指挥手段。

6 结束语

在理论方面，通过对水声定位系统的分析，加深了我们对此系统的理解，熟悉了系统的性能及其在动力定位系统中的应用，有助于其专项试验的实施与掌控。在试验方面，通过对试验过程的摸索与实践，我们不断对原始的方案进行修改与完善，最后总结出了一套高效而经济的试验方案，为日后类似系统的船舶试验提供了借鉴。

参考文献

[1] 耿焘. IMO动力定位系统规范介绍[J]. 中国造船， 2008， 49（11）， 增刊2.

[2] 郑忠伟.超短基线定位系统在ROV动力定位中应用的可行性研究[J]. 机器人， 2002.

[3] 王泽民. 水下高精度立体定位导航系统[J]. 声学与电子工程， 2005.