水声定位系统在海洋工程中的应用

　　0 引言

　　历经人类数百年的开采，陆地油气、矿产资源在进入新世纪后日趋枯竭，而海洋则以其丰富的油气矿藏成为人类获取能源与资源的“新大陆”。据统计：世界石油可采储量3000亿吨，其中海底石油1350亿吨;世界天然气储量255~280亿立方米，海洋储量占140亿立方米[1,2];富含锰、铁、镍、钴、铜等几十种元素的多金属结核在3500~6000m深的洋底约有3万亿吨，其中锰含量可供世界用18000年，镍可用25000年;由海底裂谷喷出的高温岩浆冷却沉积形成的热液矿藏富含大量的金属硫化物，目前已发现30多处矿床，仅美国在加拉帕戈斯裂谷储量就达2500万吨[3]。因此各类以开采开发海洋资源为目的的海洋工程项目纷纷兴起。

　　目前对于水上目标的定位通常采用卫星技术为主的技术手段(GPS系统、伽利略系统、北斗系统等)，辅以惯性及其它定位技术。当目标处于水下时，由于水介质对无线电波的强烈吸收作用，限制了卫星定位的应用。此时，以声波作为信息载体的水声定位技术成为主要选择，不但能完成对目标的定位、导航，还能作为惯性定位导航技术的有效辅助校准手段。

　　水声定位技术最先应用于军事，后由于海洋开发、勘探、资源开采的需求逐步应用于各类商用、民用工程[4]。它能够提供海底勘查设备如ROV(Remotely Operated Vehicle) 和 AUV(AutonomousUnderwater Vehicle)等重要的定位、导航和通信支撑。通过在水面工作船只、水下移动平台以及作业海区上加装和布放声学定位设备，可实现水面对水下目标位置的实时监控、水面与水下平台的信息交互，是海洋科学考察、海洋资源勘探、海洋资源开发、深海空间站建设等工程的必备手段[5]。

　　1 水声定位系统分类

　　根据定位系统基线长度以及工作模式的差别，一般将其划分为长基线系统、短基线系统和超短基线系统，如表1所示。

　　长基线系统由收发机和海底应答器阵组成，如图1所示。其定位通过测量载体到相对/绝对位置已知的海底应答器的相对距离，利用距离交汇的方法解算目标坐标。长基线定位系统能实现独立于水深的高精度定位，但其布阵、测阵与回收操作十分复杂、耗时，导致成本较高[4,6,7]，通常用于局部区域的高精度定位。超短基线由三只以上换能器组成固定位置关系的小型水面基阵与被定位应答器组成(如图2所示)。其定位根据测量目标的方位角与斜距进行定位[4,6,7]。由于测量基阵载体存在运动摇摆，在实际使用中需要配合GPS与罗经等辅助设备。超短基线定位系统优点为短程定位精度高、尺寸小、重量轻、安装方便。其缺陷之处在于定位精度与斜距有关，距离越远定位精度越低[4,6,7]。