琼州海峡500ｋＶ高压海底电缆输电系统是我国第一个超高压、长距离、大容量的跨海联网工程也是世界上继加拿大之后第二个同类工程工程以广东省湛江市500ｋＶ港城变电站为起点ꎬ终点到海南省澄迈县500ｋＶ福山变电站该系统工程对解决海南电网大机小网问题、提升海南省供电质量作用明显ꎬ结束了海南省电力孤岛的历史一期工程３条单根长约３２ｋｍ的海底电缆(另有二期４条海底电缆在建)为该系统的核心设备海底电缆的安全是该输电系统稳定运行的重中之重定期对海底电缆进行探测了解海底电缆本体状态及其运维环境并依据探测数据制定针对性运维策略是海底电缆运维的关键一环。

１声学定位系统

声学定位系统最初是在１９世纪６０年代的时候被开发出来用于支持水下调查研究从那时起这类系统便在为拖体ＲＯＶ等水下目标的定位中成为了重要角色声学定位系统能够在有限的区域内提供非常高的位置可重复精度甚至在远离海岸２０世纪５０－６０年代在国际上随着光、声、磁等技术的不断发展在大力开发海洋自然资源和海洋工程的进程中水下探测技术得到了较大发展相继开发了一系列先进的、高效能的水下探测设备:在各种水下检测的光、声、磁技术中由于水下光波衰减很快即使是波长最长、传播最远的红外光波在水中传播到了几米以后也衰减完了而声波和电磁波在水中有良好的传播性因而声呐、磁探和超短基线成为水下检测的有效方法。

在声学定位系统中有３种主要的技术[１] :长基线定位(ＬＢＬ)、短基线定位( ＳＢＬ)和超短基线定位(ＳＳＢＬ / ＵＳＢＬ)有些现代的定位系统能组合使用以上技术这三种不同方式的声学定位系统中长基线定位(ＬＢＬ)定位精度最高但是水底布设高精度定位已知点的施工难度大且费用较高一般使用在石油平台监测、水下考古打捞等需要高精度定位的工程短基线定位(ＳＢＬ)需要对船体进行改造才能放置换能器基阵对船只的要求使短基线的应用受一定的限制超短基线声学定位系统(ＵＳＢＬ) 的优势是很明显的只需要在船舶上安装一个换能器及其电子单元就可以提供高精度的声学定位。

几种常见声学定位系统的特点如表１所示

表１常见声学定位系统的特点

２项目案例

英国Sonardyne公司是世界上最著名的生产水下声学定位设备的供应商ꎬ该公司的声学定位系统设备包括:定位主机(换能器＋接收基阵)、应答器、接口电源单元、数据采集和处理单元(含软件)、编码测试单元程序器、ＲＦＩＤ设备等本项目中采用的是超短基线(ＵＳＢＬ):超短基线定位的船载换能器中ꎬ有至少３个接收基阵单元ꎬ应答器安装在需要定位的目标上换能器测量出到应答器的水平和垂直角度及斜距如图１所示。

图１超短基线定位系统换能器和应答器分布示意图

本项目具体实施过程中在安装水下机器人的同时将超短基线定位系统的发射换能器和接收基阵同时安装在了母船上ꎬ应答器固定在水下机器人上ꎬ并且把母船现有的两路ＧＰＳ信号接入具体如图２所示

图２超短基线定位系统原理简图

为达到更加精确的定位精度需要对该超短基线系统进行校正和设定超短基线定位系统定位精度受诸多因素影响具体如下:

(１)声波在不同水域中受密度和盐度的影响而传播速度不同

(２)换能器安装方式和位置的影响

(３)母船本身倾斜和摇动的影响

(４)ＧＰＳ卫星接收装置在母船上的实际位置和方向

(５)水下机器人上应答器实际垂直入水时的位置和方向

例如超短基线系统的一个细小姿态误差会造成最终需要定位的水下机器人位置(电缆坐标)偏差如图３所示

图３超短基线系统姿态偏差对最终定位数据影响示意图

换能器１°的姿态误差在２ｋｍ距离时会造成３５ｍ的位置偏差误差率是１. ７５％以琼州海峡最深处１００ｍ的水深估算会造成的最终目标位置误差是１. ７５ｍ实际施工工程中ꎬ船舶摇晃会造成换能器不止１°的姿态误差ꎬ如果超短基线系统安装后不做校正对于最终目标位置(电缆坐标)的定位影响颇大。

在完成安装、校正和设定后超短基线系统的数据采集和处理单元通过接收ＧＰＳ的信号获取母船实际位置数据ꎬ通过接收应答器信号得到水下机器人相对位置数据由水面信号处理单元的专业软件计算出水下机器人在实际位置数据用专业软件予以显示母船和水下机器人相对的距离、母船和水下机器人各自的首向、速度水下机器人携带的其它传感器相关信息也会同步显示。