深海长基线定位系统现状及展望

1 长基线定位系统

1.1 基本原理

在长基线定位系统中，被测水下载体上的问答机向各应答器发出询问信号，并接收各应答器的应答信号，通过信号传播时延差，列出解算方程，最终确定被测载体的三维位置坐标。长基线定位系统解算方法具有多种解算模型，如利用距离信息的球面交汇模型和利用距离差信息的双曲面(双曲线)交汇模型。在实际应用中，一般较少利用双曲面(或双曲线)交汇模型，而常用球面交汇模型。

从原理上讲[12-13]，系统导航定位只需要2个海底应答器即可，但是这样会产生目标的偏离模糊问题，而且不能测量目标的水深；在已知应答器和问答机的深度或深度差时，则需要3个海底应答器即可唯一确定目标位置；在不知问答机换能器的深度时，是3个海底应答器对应的3个球面交汇，有双解，一个在应答器构成的平面之上，一个在平面之下。为得到唯一解，需用4个海底应答器。图1给出了长基线定位系统的工作原理示意图。

图1 长基线定位系统工作原理示意图

1.2 系统组成

长基线定位系统包括两部分：一部分是水下移动载体上的问答机(收发换能器)，另一部分是一系列已知位置的固定在海底的应答器，至少3个，并构成一定的几何形状。应答器之间的距离构成基线，基线长度在几百米到几千米，甚至几十千米之间。如果工作在同步模式，问答器和应答机上还需要分别配备高精度同步时钟。通常，问答器安装在水下载体的上部或下部，以避免遮挡。

1.3 布阵原则

长基线定位系统信标布放应遵循以下基本原则：

(1) 各信标必须实现对作业位置及其附近区域的有效覆盖，以保证该区域的定位精度。

(2) 各信标应尽可能构成有规则的几何形状。

(3) 各信标应尽可能避开水下载体的作业轨迹。

(4) 应根据潜标投放位置的深度设计潜标，使信标处于水下载体主要作业深度正负100 m以内。

2 深海长基线定位系统发展现状

目前国外长基线定位技术比较成熟，已经实现长基线定位系统的产品化、产业化、系列化。国际上主要的长基线定位系统生产厂商主要有法国iXblue、挪威Kongsberg、英国Sonardyne等公司(见表1)。

表1 典型深海长基线定位系统对比[14-16]

2.1 法国iXblue公司的RAMSES 6000

法国iXblue公司的RAMSES型产品属于新一代长基线定位系统，它分为中频型(20～30 kHz)和低频型(8～17.5 kHz)。其中低频型又称为RAMSES 6000(如图2所示)，其最大作业深度为6000 m，最大作用距离为8000 m，测距精度为0.05 m。得益于iXblue公司强大的技术基础和完整的研发团队，RAMSES 6000最大的特点是组合兼容性强，数据融合技术独特。RAMSES 6000可与iXblue公司的POSIDONIA II超短基线和PHINS惯导构成一套完整的模块化水下导航系统，提供稳健、高更新率的定位信息。

图2 法国iXblue公司的RAMSES 6000

RAMSES 6000既可以作为常规的长基线定位系统使用，也可以与iXblue公司惯导系统进行紧组合使用。当作为常规长基线使用，且水下载体的深度信息已知时，它至少需要在海底布放3个应答器；当水下载体的深度信息未知时，则最少需要4个海底应答器；当它与惯导系统进行紧组合时，RAMSES 6000则可以减少对海底应答器的依赖，最少需要1个即可实现常规长基线的定位精度。RAMSES 6000所采用的稀疏海底应答器定位方案，可以大大减轻布阵、测阵带来的高昂代价。基于即时定位与地图构建(SLAM)校准技术，RAMSES 6000支持更加灵活的海底应答器布阵，而且可以在短时间内(30 min)完成海底应答器阵型的校准。

得益于RAMSES 6000出色的深海定位性能，它已经成为法国海洋开发研究所(Ifremer)的Nautile号载人潜水器和VICTOR号 ROV等深海装备的主要定位工具。在国内，7000 m载人潜水器蛟龙号便是选用了该产品作为主要水下声学定位设备。

2.2 挪威Kongsberg公司的cPAP17

挪威Kongsberg公司专门为ROV或其他有缆载体/模块开发了cPAP系列高精度长基线定位系统。cPAP系列包括中频段cPAP34和低频段cPAP17。它们可以采用两种声学协议，即新Cymbal(PSK)协议和HiPAP/HPR(FSK)协议。Cymbal是一种用于通信和定位的全新声学协议，它采用基于相移键控的直序扩频技术(DSSS)，可以有效抑制多途干扰。

所有的cPAP系列长基线定位系统都拥有相同的软件和硬件平台。其中，cPAP17(如图3所示)的工作频带为10～16 kHz，其最大作业深度为7000 m，最大作用距离为8000 m，测距精度为0.02 m。cPAP17的水下收发机单元采用模块化设计，其换能器、收发机电路和端盖模块均可根据实际用途进行替换。此外，Kongsberg公司开发的声学定位操作站(APOS)可以采用批处理方式对长基线阵型进行快速校准。

2.3 英国Sonardyne公司的ROVNav 6

针对海洋油气资源开发中的大量ROV的使用，以及对高精度导航定位的需求，英国Sonardyne公司先后开发了一系列长基线定位系统，如Prospector系列、Dunker 6系列、Fusion 6G系列和ROVNav系列。ROVNav 6(如图4所示)是最新一代6G Wideband 2长基线问答机，是专门为作业级ROV设计的。针对作业级ROV嘈杂的背景噪声，ROVNav 6采用Sonardyne Wideband 2信号处理技术来提高其测距性能。ROVNav 6属于中频段，其工作频带为19～34 kHz，其最大作业深度为7000 m，测距精度为0.015 m。

图3 挪威Kongsberg公司的cPAP17

图4 英国Sonardyne公司的ROVNav 6

随着其宽带数字技术的不断成熟，Sonardyne推出了融合数字水声通信技术的Compatt系列长/超短基线信标。过去为测量邻居的信标，并将单次测距结果遥控传输给长基线问答机，需要在基线采集模式下启动每一个信标，导致一次只能测量一条基线。由于Compatt信标可以同时工作在多种模式下，而不需要每次都启动一种模式，使得Compatt信标可以同时对阵型中的其他Compatt信标进行测距，并存储测距结果，然后再遥控传输给长基线问答机。这种由单基线依次测量到多基线同时测量的改变，可以大大提高阵型测量的效率。例如，对于一个8元Compatt阵，过去需要90 min以上才能完成阵型测量，而现在需要不足15 min就可以完成测量。

当ROV处于应急状态时，ROVNav 6可以工作中超短基线模式，作为超短基线应答器，与Sonardyne超短基线配合完成定位。其内置锂离子充电电池可以保证ROV失去电力情况下的再定位。

2.4 国内发展现状

2004年，中国测绘科学研究院与中船重工710研究所联合研制了“水下DGPS高精度定位系统”，能够为水下航行器提供精确的定位和授时。哈尔滨工程大学多年来围绕长基线定位技术开展了大量研究，研制了国内第一套高帧率、大范围、无线电遥控浮标阵的GRAT长基线定位系统[15]。近年来，哈尔滨工程大学研发了深海高精度水声综合定位系统，将超短基线、长基线定位技术进行了深度融合，解决了海洋声速慢、平台运动带来的大时延异步高精度定位难题，成功支撑了“深海勇士号”载人潜水器首航试验。

3 深海远程长基线发展趋势

通过对国内外典型长基线定位系统的比较分析，以及参考其他一些系统，可以得出深海长基线定位系统的发展趋势是阵型快速标定、长基线与超短基线相结合、长基线与高速数字水声通信相结合、多AUV移动长基线和单信标辅助导航。

3.1 阵型快速标定

长基线定位系统的主要缺点是需要投放信标阵列，并进行阵型标定，往往需要花费大量的时间和精力。这是由于传统的长基线通常采用逐次标定的方式造成的。当采用水面船舶超短基线对信标进行绝对位置测量时，往往需要船舶围绕信标航行一个圆形轨迹，通过多次多角度测量的方式提高测量精度。如果能够在信标上增加数据传输功能，采用批处理的方式对信标间基线的相互测量，完成相对阵型标定，实现长基线阵型的快速标定。在这方面，挪威Kongsberg公司和英国Sonardyne公司是先行者，它们的长基线定位系统均具备快速阵型标定能力。

3.2 长基线与超短基线相结合

长基线的优点是定位精度高，且与深度无关，缺点是需要投放信标阵列，设备和时间成本较高。超短基线声学换能器阵安装在船底/侧舷，其优点是机动灵活，便于大范围机动作业。如果将长基线与超短基线相结合，开发长/超短基线组合定位系统，既可以保证定位精度独立于工作水深，又兼具超短基线机动灵活的特点，实现对水下载体的连续高精度导航定位。在这方面，英国Sonardyne公司是先行者，已推出LUSBL组合定位系统。

3.3 长基线与高速数字水声通信相结合

长基线定位系统可以实现水下目标的高精度定位跟踪，数字水声通信则是水下无线信息获取、传输和控制的首要技术手段。除有缆水下装备(如ROV、深拖等)，大多数海洋调查装备都需要数字水声通信进行数据传输，或指令交互。如果能够将长基线和高速数字水声通信相结合，在长基线问答机和应答器(信标)上增加数字通信功能，则可实现长基线问答机和水面船舶、长基线应答器之间，以及问答机与应答器之间的数字通信传输。在这方面，英国Sonardyne公司是先行者，其推出的长基线定位系统和Compatt信标都具备高速数字水声通信功能。

3.4 多AUV移动长基线

传统的长基线往往需要单独在海底或海面布放多个信标，以构成数千米的定位基线，这也导致了工作量大、仅能在覆盖区域进行定位等缺点。现在随着AUV向集群化、协同化发展，如果将应答器布设在多个协同作业的AUV上，主AUV内部装配高精度导航设备，从AUV内部装配低精度导航设备，通过测量AUV之间的相对位置关系，构建多AUV移动长基线，可以实时获取从AUV的位置信息。

3.5 单信标辅助导航

长基线阵型的快速标定可以大大提高标定效率，但是多个信标的布放和回收仍需要耗费大量时间和精力。如果只利用海底固定的单只信标提供测距信息，并结合水下载体上的惯导系统(或姿态传感器+多普勒计程仪构成航位推算系统)，通过对航行路径的合理规划，则可实现高精度导航定位，有效抑制惯导系统/航位推算随时间漂移的问题。在这方面，法国iXblue公司是先行者，得益于该公司在姿态传感器和惯性导航设备方面的强大研究实力，当RAMSES 6000与其惯导系统紧组合时，它采用稀疏海底应答器定位方案。

4 总结

随着深海开发技术的不断完善，人们越来越深入地探索着海洋底部无穷无尽的资源，所采用的研究手段也越来越多，如载人潜水器、ROV、AUV、水下滑翔机、深拖系统、电视抓斗及其他探测设备。虽然大多数潜水器主要采用惯性导航与多普勒计程仪的组合导航定位模式，但是作为水声定位技术中精度最高的长基线定位系统能够为各类深海探测装备直接提供绝对位置信息，被广泛应用于深海探测的导航定位中，为水下目标探测、定位跟踪、海底地形勘探和水下遥控作业等各种高精度作业提供技术支持，使得它在海洋资源调查和科学研究领域发挥着越来越重要的作用。

虽然世界上有多家公司和科研院所可以提供成熟的系列化长基线定位系统，但是随着科学与技术的不断进步，人类对深海水下定位技术也提出了越来越高的要求。通过对国内外典型深海长基线定位系统的比较分析，并结合深海调查的实际需求，可以得出深海长基线定位系统的发展趋势为：①阵型快速标定；②长基线与超短基线相结合；③长基线与高速数字水声通信相结合；④多AUV移动长基线；⑤单信标辅助导航。