水声定位系统及其在海洋测绘中的应用
时间：2022-09-09 15:25:04 来源：千叶帆 本文已影响人
[摘 要]水声定位是建立在超声波传播技术基础之上的一种海上定位技术。水声定位技术在海洋环境观测、资源勘探、海洋测绘以及水下通信中发挥着重要作用，在海洋工程中具有广阔的应用前景。加强对水声定位技术的研究和运用，对于开发我国丰富的海洋资源有着重要的现实意义。本文阐述了水声定位系统及其在海洋测绘中的应用。
[关键词]水声定位；海洋工程；海洋测绘；应用
中图分类号：G623.58 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）13-0207-01
我国拥有1.8 万公里的海岸线和超过300 万平方公里的海域，蘊含着巨大而丰富的海洋资源，对于海洋油气和矿物等资源的开发至关重要。水声定位是建立在超声波传播技术基础之上的一种海上定位技术，在海洋环境观测、资源勘探、海洋测绘以及水下通信中发挥着重要作用，在海洋工程中具有广阔的应用前景。
1 水声定位技术概述
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，例如GPS系统、北斗系统以及伽利略系统等，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。在这种情况下，以声波作为信息载体的水声定位技术，不但能完成对目标的定位和导航，还能作为惯性定位导航技术的有效辅助校准手段。
水声定位是一种海上定位技术，建立在超声波传播技术基础之上。水声定位系统由水下声标、船上的声学接收以及发射设备组成。近几十年来，水声导航和定位系统在集成化、数字化和自动化方面，取得了快速的进展。现在国际上新兴的水声定位方法是匹配场声源定位，它充分利用海洋信道特点，来反演声源位置，可有效消除信道对定位的影响，定位精度远远高于传统的被动定位。
通常根据定位基线的长度，将水声定位系统分为长基线系统、短基线系统和超短基线系统三种。迄今为止，水声定位系统已经具有一百多年的发展历程。水声定位技术最先应用于军事，后来，由于海洋开发、勘探和资源开采的需求，逐步应用于各类商用和民用工程。它能够提供海底勘查设备如ROV 和 AUV等重要的定位、导航和通信支撑。通过在水面工作船只、水下移动平台和作业海区上，加装和布放声学定位设备，实现水面对水下目标位置的实时监控，完成水面与水下平台的信息交互，在海洋资源勘探、海洋科学考察、海洋资源开发，以及深海空间站建设等海洋工程中，得到了广泛的应用。
2 水声定位系统在海洋测绘中的应用
（1）应用于水下工程测量定位，精确度高。在水下工程建设过程中，测量定位至关重要。测量定位精确与否，直接影响水下工程的施工质量和效率。由于海水时刻处于运动状态，测量船摇摆不定，因而海洋测量定位的精度比陆地测量定位精度低得多。随着海洋开发逐步向远海发展，海洋资源勘测、海洋工程建设等对海洋测绘成果的精度要求也在日益提高。现代水下测量定位技术，通过与计算机技术相结合，在水下工程测量定位方面发挥了日益重要的作用，广泛应用在海洋工程领域中，其定位精确度远远超过了人工测量定位。其中全站仪和GPS等测量定位技术是现代测量定位技术的代表，应用它们进行水下工程的测量定位，不但定位速度快，而且有助于提高水下工程的施工质量。
（2）获取定位基线参考的大地绝对坐标。海底矿藏开采、海底勘探作业以及海洋油气开发等海洋工程，对水声定位系统都有着广泛的需求。水声定位可通过平台上定位系统，与被定位目标上安装的应答器之间问答，确定两者之间的相对关系；也可控制定位系统与应答器依据相同的时钟进行收发，从而完成定位。但是，在海洋勘探中，需要记录采集样本的大地绝对位置，以便为后期的矿产开发与采集提供参考，因此要求定位系统，将相对坐标下的定位信息转换到绝对坐标。在这种情况下，可在水声定位系统中引入GPS和罗经等设备，在其辅助下，可获取定位基线参考的大地绝对坐标。
（3）提高海洋工程的施工精度。施工精度是海洋工程中的关键，在高精度定位的需求下，不但要求水声定位系统具备高精度的声学测向和测距水平，还要求对定位过程的系统误差进行高精度的标定与修正。管线对接和水下结构物的安装等高精度操作，往往要求亚米级的施工精度，对定位系统的定位精度要求极高，这种情况采用长基线定位系统提供服务。而海底管道路测量精度要求为几十米级，对定位精度要求较低，采用超短基线系统即可满足需求。
（4）对深海空间站潜器进行定位和监控。深海空间站是一个实验研究平台，主要研究如何准确勘探深海能源和如何有效地进行资源开采。由于深海环境比较恶劣，空间站要实现日常维护和科学考察等运作，就需要对空间站各潜器进行定位和监控。水声定位系统通过对各潜器进行定位和监控，也有利于空间站的安全。
（5）为作业人员提供沉船和飞机残骸的定位。水声定位系统不但在海洋工程中有着广泛的使用，在海底打捞工程中也有着广泛的应用。科学家对海洋生物和海底地质地貌进行研究时，水声定位系统可以运用到海底环境和地形的勘查中。在沉船和失事飞机和沉船的打捞工作中，水声定位系统可以为作业人员提供沉船和飞机残骸的定位。
3 水声定位系统的未来发展方向
（1）信号宽带化。海洋工程在进行建设时，施工背景比较嘈杂，与传统的单频信号相比，宽带信号有着更强的适应性，可以更好地抵抗噪音，提高系统数据的准确性。同时宽带信号抗多途性能优良，可分辨海底、海面反射的声信号，提高系统数据有效率。宽带信号还提供了更多的接入地址，增加系统同时定位目标的个数，减弱系统之间的声学干扰，为海洋工程建设提供更好的技术支持。
（2）功能集成化。现代海洋工程作业中，不但需要准确的定位，还需要传感器测量环境参数，并利用数据传输手段，完成数据或指令的交互。目前水声定位系统呈现出提供定位服务的同时，附带了多种传感器设备，并将释放器、数据传输功能集成化、一体化的趋势。在海洋工程中选用一套功能集成化的定位设备，即可同时满足定位与数据传输的需求，并可避免选用不同设备时的声兼容问题，扩大了系统的应用场合。
（3）操作便捷化。传统的水声定位系统，流程烦琐，复杂，耗时较多，在使用前需要进行校准，对人力、物力和财力都造成极大的浪费。为解决这个问题，应不断简化操作流程，提高系统的实用性能，使操作更加便捷，减低操作成本。USBL采用的免校准，LBL采用的相对阵型测量技术，都可使操作便捷化。
（4）系统组合化。水声定位系统包含长基线系统、短基线系统和超短基线系统三种基本系统，三种系统各有优缺点。在实际海洋工程建设中，单一系统的应用具有很多的局限性，为解决这一问题，出现了将三种水声定位系统进行组合的定位系统，克服了单一系统的局限性。例如USBL/LBL综合定位系统，不但保留了超短基线定位系统操作便捷的优势，同时又有着长基线定位系统高精度定位的特点。
综上所述，随着国家对海洋资源开发的需求越来越高，水声定位系统的市场需求也在日益增加，加上军方和海洋测量船、考察船的应用，水声定位系统具有很好的市场发展前景。目前我国对水声定位技术的研究和运用都与国外有一定差距，因此加强对水声定位技术的研究，对于开发我国丰富的海洋资源，具有重要的现实意义。
参考文献
[1]陈波；长基线水声定位系统DSP平台的设计与实现[D]；电子科技大学；2015年.
[2]刘昊搏；在海洋工程中水声定位系统的运用研究[J]；中国战略新兴产业；2017年12期.
[3]李文娟.船舶动力定位系统中的非线性状态估计及推力分配研究[D]；武汉理工大学；2014年. 相关热词搜索：测绘，定位系统，水声，海洋，
