海底观测网深水设备精准定点布放方法研究

王澍初，张 飞

（1. 海军装备部驻北京地区第六军代室，北京 100082；2. 中国科学院声学研究所 声场声信息国家重点实验室，

北京 100190）

海洋对全球环境和气候变化影响巨大，观测并理解海洋的运行机理是人类文明发展的关键[1]。海底观测网是利用海底光电复合缆和无线声通信方式，将一系列海洋观测仪器与陆基信息处理设备互联而成的开放式海洋综合观测系统，可实现对海底地壳深部、海底界面到海水水体大范围、全天候、综合性、长期、连续、实时观测。

随着海底观测网逐步建设到深海区域，深水设备的精准定位布放是海上施工的难点。加拿大CSSF（Canadian Scientific Submersible Facility） 公 司 的ROPOS （Remotely Operated Platform for Ocean Science）为世界领先的定制型水下机器人，通过自身运载能力，能够将水下设备从水面精准布放到海底[2]，先后实现了加拿大和美国的观测网设备的精确定位布放和回收。本文以“十二五”期间南海深海海底观测网试验系统设备布放为例，分析了国内深水设备精确布放存在的问题，提出了新方法原理，系统组成，实施步骤及应用效果，对其它同类工程具有重要的借鉴意义。

1 研究意义和手段

海底观测网是人类建立的第三种海洋科学观测平台[3]，摆脱了传统海洋研究方式的种种局限，使科学家可在岸上实验室里实时开展深海实验，远程监测海底风暴潮、火山喷发、地震、海啸、滑坡和赤潮等各种突发事件，从根本上改变了人类认识海洋的途径[4]。进入21 世纪以来，美国、日本、加拿大以及欧洲各国纷纷投入巨资开展观测网的建设，较大规模的观测网主要有加拿大西北太平洋时间序列观测网（North-East Pacific Time-Series Underwater networked Experiment，NEPTUNE）[5]、美国海洋观测计划（Ocean Observatories Initiative，OOI）[6]的区域网部分以及日本地震海啸密集海底网络系统（Dense Ocean -floor Network System for Earthquakes and Tsunamis，DONET）[7]。我国在“十一五”和“十二五”期间，陆续开展观测网试验节点关键技术的攻关，以及观测网试验系统的研究和建设工作。在《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012—2030年）》中，明确建设海底科学观测网在内的16 项重大科技基础设施，为资源与能源开发、环境监测和灾害预警预报、国家海洋安全等研究提供支撑。典型的观测网系统组成如图1 所示，通常由岸基站、海底光电复合缆、主节点、接驳盒及科学观测仪器等组成。

图1 海底观测网组成

观测网水下设备需要精准定点布放，主要有以下两点原因。首先，根据研究的科学问题及其观测目标，科学观测仪器一般布置在科学观测目标附近，特别是针对海底热液、冷泉等位置精度要求高的观测任务，必须将仪器及传感器布置于热液口及冷泉的活跃位置，才能达到近距离研究热液喷发及冷泉生物群落长期变化的目的，在施工图中须明确科学观测仪器等水下设备的经纬度坐标，施工安装时按图精准布放到指定位置。其次，为实现水下设备的灵活扩展，以及方便增减、升级与维护，主节点与接驳盒、接驳盒与科学观测仪器之间采用遥控无人潜水器（以下简称“ROV”）操作湿插拔延长缆的方式连接。目前各水下设备之间的信号是通过以太网通信方式传输，若不能保证水下设备间的精确相对距离，将无法完成湿插拔连接，进而无法完成观测网建设工作，所以必须对水下设备进行精准定点布放。

长基线定位系统虽然具有定位精度高的突出优点，但是由于其自身系统布阵、测阵与回收操作十分复杂、耗时，成本较高[8]，国外观测网建设中一般不采用长基线定位系统，而是通过专业定制ROV（如ROPOS）直接运载水下设备精准布放于预定位置。由于ROV 可以克服海底底流，动力悬停在某一点，通过母船安装的超短基线定位系统（以下简称“USBL”）可以获得较高的定位精度，一般为深度的0.2%。定制ROV 在其底盘上安装有专业布放装置，与水下设备通过机械、液压接口固定连接。水下设备布放时，首先通过ROV 其底盘的布放装置连接并固定水下设备，将其运送到近海底位置悬停，并通过USBL 实时获取位置信息。然后在USBL、声纳、视频等组合导航下操作ROV 调整其水平位置。待移动到目标位置后操作布放装置释放水下设备。该布放方式充分利用了ROV 自身的定位、导航及动力优势，能够获得较高的定位精度。

国内的观测网建设起步较晚，没有形成针对观测网施工安装的上述专业定制型ROV 及操作团队。而国内能够开展深水安装作业的施工单位很少，故难以采用国外观测网的定位布放手段。目前国内通常是采用钢丝绳吊放水下设备到海底进行释放的粗放式施工方案。在深海作业条件下，采用钢丝绳吊放方案，钢丝绳长度可达数千米。当吊放设备近海底时，由于涌浪及海流的共同作用，吊放状态水下设备的摆动幅度可达十多米，无法完成精准定点布放作业；即便在水下吊点处安装USBL 信标，因吊放状态水下设备的复合运动，导致USBL 出现无法跟踪目标，短暂定位失效，定位数据不连续、更新不及时等问题[9]，定位精度不可控。所以钢丝绳吊放工艺不能直接获取水下设备的精准位置，也无法完成水下设备的定点释放动作，或释放后严重偏离设计位置。

针对钢丝绳吊放方案中无法直接获取水下设备精准绝对位置的问题，研究通过间接测量水下设备相对位置的方法来实现绝对位置的精准定位，为观测网深水设备的精准定点布放提供了可行的施工方法，有效保障了水下安装作业的实施。

2 观测网深水设备精准定点布放方法研究

2.1 精准定点布放方法的基本原理

因国内施工船配置的观察型ROV 虽然无法按照国外的作业模式，运载水下设备到指定位置完成精准定点布放，但可以通过近海底的ROV 建立绝对位置基准，进而获取基准与水下设备之间的相对位置关系。为此本文提出：首先依托ROV 自身定位、导航和动力优势，悬停于海底附近，通过船载USBL 获得其实时的精准位置信息，为水下设备定位和调整提供固定的测量基准。然后，ROV 通过成像声呐可以精确测量其与水下设备间的相对位置关系，为水下设备的定位和调整提供精准的测量手段，进而计算出其在大地坐标系（WGS84）中的绝对位置。最后，精确调整水下设备位置并实施布放，在调整过程中，保持ROV 测量基准位置不变，通过施工船动力定位系统调整船位，改变水下设备与ROV的相对位置，实现其在大地坐标系中的绝对位置的调整；当水下设备绝对位置调整到设计位置时进行释放，以实现对其精准定位和布放。下文详细论述精准定点布放系统组成、具体方法步骤及实际应用的数据分析结果。

2.2 精准定点布放系统的组成

水下设备精准定点布放方法的核心是建立一个精准定点布放测量系统，准确测量水下设备与ROV 的相对位置。系统包括水面施工船及船载USBL 收发器、GPS、姿态补偿仪和电罗经，水下ROV 及搭载的成像声纳、视频摄像机、姿态补偿仪和电罗经等，系统组成如图2 所示。ROV 由施工船舷侧吊机布放，水下设备由船尾吊机布放。船载GPS、USBL、姿态补偿仪和电罗经实时获得ROV 在大地坐标系中的经纬度。ROV 成像声纳扫描获得声呐图像，建立海底平面坐标系，对水下设备的相对位置进行实时精准测量，视频摄像机负责辅助观察。

图2 精准定点布放系统组成

2.3 观测网试验系统水下设备精准定点布放

（1）主节点布放

第一步：ROV 与主节点抵近海底就位，如图3所示。施工船在主节点布放位置开启动力定位（DP）模式，通过船尾吊钢丝绳连接释放器，吊放与海缆连接的主节点到海底；ROV 开启摄像头与主节点同步下潜以监视水下吊放状态。待主节点离海底高度约5 m 时，停止释放钢丝绳。利用USBL 完成悬停状态ROV 的定位，通过船载姿态补偿仪和电罗经来修正定位误差。利用船载GPS 信息和USBL 定位信息推导出ROV 在大地坐标系中的绝对位置经纬度。并在大地坐标系中显示ROV 和水下设备设计布放点经纬度信息。调整ROV 的艏向与主节点设计布放点方位角一致后定点悬停，并获得ROV 与设计布放点之间距离值A1。

图3 主节点布放

第二步：建立海底平面坐标系，如图4 所示。以ROV 为参考点，开启成像声纳扫描图像建立海底平面坐标系。并实时测量吊放状态的主节点与ROV的相对位置，包括距离A2 及方位角α。

图4 海底平面坐标系及测量

第三步：调整主节点位置，如图5 所示。通过施工船动力定位系统实时微调船位，首先将主节点方位角α 值调整为0，使主节点位置移动到ROV 艏向上。然后根据A2 与A1 的差值调整直线距离至A3，当A2＞A1 时，微调船位使主节点吊点靠近ROV，反之远离ROV。

图5 主节点位置调整

第四步：精准定位后释放主节点，如图6 所示。当α=0，A3=A1 时，表明主节点已调整到设计布放位置，施工船逐步释放钢丝绳至主节点着床，并操作声学释放器脱钩，完成主节点的精准定点布放作业。（2）接驳盒及科学观测仪器的布放

图6 主节点精准定点

主节点布放完成后，ROV 移动到主节点附近进行悬停，重复主节点布放的第一步至第四步完成接驳盒及科学观测仪器的布放。

2.4 精准定点布放精度分析与应用效果

（1）水下相对定位精度

ROV 成像声呐的主要技术参数如表1 所示。在高频模式下探测距离0.4～100 m，低频模式下探测距离0.4～300 m，距离精度15 mm，扫描扇区360°（可调）。

表1 成像声呐主要参数

成像声纳扫描扇区为（0～90°，270°～360°），成像视角为以声呐为圆心的半圆。在调整远距离水下设备的位置时，开启低频模式扫描，声呐图像网格间距较大。在目标位置调整到距圆心30 m 左右时，开启高频模式扫描，声呐图像网格间距调至最小值1 m，即直径方向的刻度为1 m，并以30°角为角刻度将半圆分为6 个扇区。在该模式下，测量距离分辨率为1 m，角度分辨率30°。当水下设备吊放进入海底平面坐标系后，可直接测量出相对距离和角度。基于成像声呐15 mm 的测量精度和海底平面坐标系1 m 测量分辨率，系统水下相对定位精度可达到1 m。

（2）系统绝对定位精度

影响精准定点布放系统的绝对定位精度的因素有两个方面，包括水下ROV 参考点绝对位置精度和成像声呐的测量精度。其中水下ROV 的绝对位置精度为USBL 的定位精度，一般为深度的0.2%。而成像声呐的测量精度为15 mm，可忽略不计。所以，系统的绝对定位精度即为ROV 的定位精度，这样便间接达到了国外通过ROV 运载设备布放工艺相同的定位精度。

（3）观测网海试应用效果

2016 年8 月，在南海深海海底观测网的海试中，通过深水设备精准定点方法成功完成深水设备的精准定点布放。图7（a）所示为ROV 悬停于主节点旁边对次接驳盒进行精准定位的声呐图像，成像声呐建立的平面坐标系能够精准测量水下设备间的相对位置，测量精度达到1 m。在水下设备精准定点布放的基础上，ROV 进行主节点、接驳盒、科学观测仪器之间湿插拔延长缆的解缆、移动、接插等操作，实现深海海底观测网水下设备的湿插拔连接，湿插拔连接如图7（b）所示，圆满完成了海上建设任务。

图7 深水设备精确定位布放及湿插拔连接

3 结语

针对海底观测网深水设备精准定点布放作业需求，深入研究了基于ROV 成像声纳图像构建海底平面坐标系的深水设备精准定点布放方法，并应用到海底观测网试验系统深水设备精准定位布放作业中，实现了水下设备在海底平面坐标系中的实时位置测量和1 m 的相对定位精度，间接实现了国外通过ROV 运载设备定点布放工艺相同的绝对定位精度，完成了水下设备精准定点和布放任务，达到了设计要求。对深海海底观测网等深水工程中设备的精准定点布放和安装作业，具有重要的参考和借鉴意义。