一 、概述

      在实施水中消防作业、沉船打捞等救捞任务之前，首要的任务是要确切定位水下目标 、 了解水下情况 。对海底失事船艇及其他沉 没物的水下定位是一项关键且高难度的作业 ，水下定位一般是在概位搜索的基础上，利用声纳船 及单 (双 )船拖扫方法并经潜水员水下探 摸确定沉船的具体位置 。随着水下机器人技术的成熟．利用水下机器人进行水下定位作业也得到越来越广泛的应用。

      水下运载器 (UnderwaterVehicle) 能在水下游动、携带特定器具以执行、完成特定任务的各种用途的运载器的统称。远距离操作潜水器(RemotelyOperatedVehicle，简称ROV)，这类水下机器人的最大优点是母船可以为其源源不断地提供能源，因此 ，它能在水下长时间地工作，并且可以安装机械手等作业工具 ，因此应用广泛。

利用ROV进行水下定位目前通用的方法是利用水声传感器对ROV本体位置进行测量，并辅以其他的姿态传感器，组成组合导航系统，可以得到高精度的水下位置信息。本文以海军防救部队配备的OceanModulesV8Sii型ROV为对象，介绍水下定位的原理、特点，同时对使用过程中影响定位精度性能 的主要因素进行分析．从而提高对水下定位作业的认识 。

二、Ocean ModulesV8 Sil型ROV水下定位系统

      Ocean Modules V8 Sii(Search一搜寻 。 Identification一识别 。Intervention一干预 )是一款多用途、开放和采用模块化设计的水下遥控机器人。该型机器人可搭载多种传感器和设备。如各种固定安装摄像机、拱形透明罩安装摄像头、HD高清摄像头和静态摄像头、卤素灯、 LED照明灯、声纳、机械手和各种传感器，可根据用户工作 的需要配置成专业的、完美的水下工作载体。

      Ocean ModulesV8Sii可以配备在大、中型打捞救生船上，与其它装备配合执行300m以浅的援潜救生和打捞沉船 (艇 )、飞机 、导弹 、鱼雷和有经济、战略价值的沉物等重要任务；通过配置水下作业工具，可 进行多种援潜救生种水下作业；通过配置水下照相机、声纳等设备．可执行水下搜索、水下观察等作业 。

      水下定位利用超短基线定位系统 (USBL)。该型USBL采用的是Tfitech Micron Nav公司生产的，硬件部分由水下传感 器组件、 水面传感器组件以及信号接口箱组成，如图1所示。水下传感器组件中，主要部分是短基线定位声纳的应答器；此外，还包括倾角传感器，可以测量水下机器人本体的横倾和纵倾；电子罗盘 ，用来测定艏向角：压力传感器通过机器人所处位置的压力与水面压力差来确定其深度。 水面传感器组件主要部分是短基线定位声纳5个水听器，此外 ，还包括了倾角传感器、压力传感器和电子罗盘测量信号接收器等。信号接口箱的输入口直接与水面传感器组件相连，输出口可以通过RS232／Rs485总线与后台便携式计算机相连，通过软件处理进行水下准确定位， 并可通过GPS信号输入。实现水下导航、航线跟踪等功能，流程以及硬件结构框网如图2所示。该水下定位系统工作深度750m，典型水平跟踪距离500m，典型垂直距离150m，距离精度：±2m，方向精度：±3。，工作波束宽度：180。位置上传速率 ：0.5s一10s。

图 1超短 基线定位系统组件

图 2 ROV 水下定位系统结构框图

三、超短基线水下声学定位原理

      利用电磁波和光波可以观察遥远的星球， 但不能利用电磁波和光波遥测几十米深的海底， 因为海水对电磁波和光波有很强的吸收作用。 目前，对水中物体进行探测和定位的有效手段是声波。声学定位系统开发于19世纪6O年代， 主要用于支持水下调查研究。此后，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。

      在声学定位系统中，按 照接收基阵的尺度或应答器基阵的基线长度来分类，水声定位技术可以分为种：长基线定位 (LBL)，短基线定位 (SBL)和超短基线定位 (USBL)，有些现代 的定位系统能组合使用以上技术。

      长基线水声定位系统的基阵长度在几公里到几十公里，长基线定位能在宽广的区域内提供高精度的位置。它需要至少3个应答器组成的阵列部署在海底上的已知点上，水面上的目标位置只安装一个换能器。利用目标发出的信号到达接收阵各个基元的的斜距，从而计算出目标的坐标位置。短基线水声定位系统需要在水面需要定位的目标单 元上安装至少3个换能器阵，基阵长度一般在几米到几十米的量程，换能器之间的位置关系为已知。利用目标发出的信号到达接收阵各个基元的时间差。从而计算出目标的位置。超短基线水声定位系统的基阵长度一般在几个厘米到几十厘米的量级，它是各个基元接收信号间的相位差来解算目标的方位和距离。

      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，对船的要求使短基线的应用受一定的限制。因此，超短基线声学定位系统 (SSBL)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。

      应用由三个水听器组成的最简单的超短基阵进行ROV动力定位的原理如图3所示。其中。一只信标安装在ROV载体上，由水声接收基阵发射声询问信号，信标接收到询问信号经过一个固定的时间延时返回应答信号。通过测量声波在水中的传播时间可以计算m ROV和母船间的斜距。同时测量接收器基阵各个接收换能器间的相位差。便可 以计算出水下机器人相对于母船的位置坐标。

      采用直角三角形基阵，阵元间距为d，X轴指向母船船首方向，三个基元的坐标为： (d， O，0)、 (0，0，0)、 (0，d，0)；目标坐标为 ：T (x，y，z)。以2号基元为基准，可以得到其他两个基元和的相位差 ：

坐标原点和目标之间的斜距r为 ：

注意到r≥d，用泰勒技术展开，

      式 (6，7)中 ，ψI2、ψ22分别为两个水听器接收到的的信号与参考基元间的相位差，这是可以测得的。为水中声波波长。Z坐标可以由深度传感器测量得到，为此 ，利用上式 即可求出ROV水下位置 (X，Y，Z )。

      如果系统选配了GPS定位系统。对ROV还可以预设运动路线。实现无人自动例行检测等功能。

四、超短基线水声定位系统误差分析

      水下定位的主要误差来源，包括超短基线基阵测距误差、超短基线基阵阵元相位差引起的误差、声传播引起的误差、声学噪声引起的误差、水下工作环境引起的误差、载体运动速度变化引起的误差等。

      测距误差主要是由测时误差引起的，而测时误差又与信噪比和声速息息相关。声波在水下传播过程中，声速、声线弯曲、水面反射等都会影响测时准确度，而声波的扩散、吸收和环境中的噪声会影响信噪比大小。因此测距误差主要是由水声学因素引起的，水下定位时的工作条件和工作方法直接影响定位精度。

      超短基线定位系统的定位精度是由被测载体到各个应答器的距离和应答器阵的几何精度两个方面的因素决定的。目标到达基阵的斜距r是水中声速C和询问一应答的时间￡的函数。而声速c与基阵所在区域的海水的深度、 盐度、温度等有关，所以用声波在水中传播的平均速度来计算距离，将导致较大的误差。为了准确测出距离。必须根据工作区域的声速剖面。计算声线轨迹，得出载体和各个应答器之间的几何斜距与相位差准确的关系式。

五、小结

     随着无人机、无人战车、机器士兵逐渐在战场上显示越来越大的威力，无人化战争的发展已经呈现出相对清晰的蓝图。同样，在水中消防作业、救捞工程等作业过程中。无人化水下作业也应该成为一种潮流。 目前防救部队配置的OceanModulesV8Sii型水下机器人已在各类水下作业过程中发挥出重要的作用，可以预见，不久的将来必将有更多的水下机器人发挥越来越重要的作用。