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中海达GPS中海达iTrack系列水声定位系统的应用

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中海达GPS中海达iTrack系列水声定位系统的应用

发布日期:2017-06-22 作者: 点击:

中海达GPS中海达iTrack系列水声定位系统的应用

1. 前言

中海达GPS声音是在水中唯一能有效地远距离传递信息的物理场。水声技术是研究声波在水中的发射、传输、接收、处理的专门技术,在水下通信、导航和探测享有非常重要的地位,已成为人类认识、开发和利用海洋的重要手段。

水声定位系统指利用声学信号对水下目标进行定位的系统。水声定位系统主要用于局部区域的水下目标进行精确定位及导航。根据测量基线的长度不同,水声定位系统分为超短基线(USBL/SSBL)、短基线(SBL)和长基线(LBL)方式。

目前,国内市场上主要采用国外水声定位系统,主要的生产厂商主要有:法国IXSEA、挪威Kongsberg、英国Sonardyne、澳大利亚Nautronix、美国LinkQuest等。目前,国内有少数研究机构在进行水声定位技术的研究(如:哈尔滨工程大学、中科院声学所、杭州715所等),比较缺少市场化产品。

江苏中海达海洋公司在国内率先推出拥有自主知识产权的市场化水声定位产品:iTrack-UB系列超短基线水声定位系统和iTrack-LB系列长基线水声定位系统。

2.iTrack-UB/iTrack-LB系列水声定位系统

(1)iTrack-UB系列超短基线技术参数:

iTrack-UB系列超短基线是一种基于时间同步的便携式水下宽带扩频信标定位系统。该系统利用高精度时间同步技术对便携式声头和声信标进行时间同步。经过严格时间同步的声信标定时发射扩频水声信号。声头接收到扩频信号后,经过信号解算、斜距计算、高精度测向及位置解算得到声信标的位置。其技术参数如下:

应答器尺寸:直径65mm,长度400mm;

待机时间:应答器静态待机150天;

应答次数:应答5000次;

作用距离:1000m、3000m、8000m;

工作深度:500m、1000m、6000m;

定位精度:0.5% ~ 1.2%斜距;

最大允许相对运动速度达5节;

定位间隔:3s, 8s, 10s, 15s, 20s可调;

可对超过10000个应答器进行分组定位;

(2)iTrack-LB系列长基线技术参数:

iTrack-LB系列长基线是一种基于时间同步的大基阵水下宽带扩频信标定位系统。该系统使用多个浮标,或者船载声头进行大范围运动构成定位基阵。iTrack-LB系列长基线利用高精度时间同步技术对定位基阵浮标和声信标进行时间同步。经过严格时间同步的声信标定时发射扩频水声信号。定位浮标基阵接收到扩频信号后,经过信号解算、距离计算及位置解算得到声信标的位置。其技术参数如下:

应答器尺寸:直径65mm,长度400mm;

待机时间:应答器静态待机150天;

应答次数:应答5000次;

作用距离:1000m、3000m、8000m;

工作深度:500m、1000m、6000m;

定位精度:优于0.3%斜距;

最大允许相对运动速度达5节;

定位间隔:3s, 8s, 10s, 15s, 20s可调;

可对超过10000个应答器进行分组定位;

3. 技术特点

iTrack-UB/iTrack-LB系列水声定位系统具有以下技术特点:

(1)高精度时间同步技术

iTrack-UB/iTrack-LB系列水声定位系统利用GPS的PPS脉冲信号对定位基阵、声头和声信标进行高精度时间同步。经测试,该系统最大时间同步误差不高于1ms。声信标定时发射定位信号,避免了传统应答式水声定位系统声音双向传输带来的时间延迟,从而提高了系统反应时间。同时,降低了声信标计算复杂度,减少了功耗,具有明显的技术优势。

(2)宽带扩频信号

本系统利用宽带扩频信号进行声信标定位,通过对接收到的信号进行信号检测、测距、测向、位置解算、坐标转换等处理,能够较为精确地得到声信标的位置。此外在信号处理中宽带扩频信号能够有效地衰减系统中的非相关噪声,如水声环境噪声、系统电噪声等,抗多径干扰能力强,可以在复杂声学环境下完成对水下目标进行精确位置定位。

(3)系统编码能力强

本系统声信标利用伪随机GOLD码对定位信号进行扩频调制。声信标经过严格时间同步后,定时发射宽带扩频水声信号,用于定位和导航。GOLD码阶数为11阶,目标分组可达2049组;同时系统处理能力强,每个分组可对多达10个目标进行同时定位。

(4)兼容性好

iTrack-UB/iTrack-LB系列水声定位系统具有良好兼容性,USBL系统与LBL系统应答器可实现互换,便于用户使用和维护。

4、主要应用领域

iTrack-UB/iTrack-LB系列水声定位系统可以广泛应用于海洋勘探、海洋开发和军事等领域。其主要应用领域如下:

(1)海洋勘探

随着陆上油气资源逐步变得紧张,海洋油气勘探日益成为国内外油气开发的重点领域。拖缆和海底电缆(以下简称OBC)地震勘探技术是海洋油气勘探最重要的技术手段。

拖缆和海底电缆广泛使用水声定位技术定位水听器位置,提高勘探数据质量。OBC地震勘探技术利用安装有水听器的海底电缆或者拖缆接收地震波数据。在实际施工中,由于受到海流、潮汐等因素影响,水听器实际位置相对水面实测位置将发生较大位移,最大位移将达30m以上。海底地震勘探电缆漂移产生的时差,严重降低地震资料的成像精度,因此OBC地震勘探必须对沉入海底位置相对稳定的水听器进行精确定位。水声定位方法以高速度、高精度、低成本成为OBC地震勘探水听器二次定位的重要手段。


图1 水声定位系统在海底电缆上的应用

iTrack-UB/iTrack-LB系列水声定位系统可以对海量的水听器进行定位,应答器分组可达2049组,每个分组可对多达10个目标进行同时定位,适用于OBC地震勘探水听器二次定位的需要。

(2)海洋开发

ROV/AUV 等水下潜器被广泛应用于生物、矿石的采样、海底环境信息采集与地形扫面勘探之中,海底沉船、失事飞机残骸的搜索打捞作业中必须动用ROV或AUV对失事区域进行大范围搜索,同样需要水声定位系统,水声定位系统可监测引导ROV/AUV 的行进路线。



图2 水声定位系统在蛟龙号上的应用

对于远程操作潜水器(ROV)和蛟龙号为代表的载人潜水器,更需要利用水声定位系统进行精确定位和导航,从而引导这些作业工具安全到达指定位置,完成作业。如我国“蛟龙”号载人潜水器的水下定位主要靠两套水声定位系统:超短基线和长基线定位系统。

水声定位系统主要用于海底电缆操作指导以及海底电缆定位。在钻井船和浮式平台等海洋工程装备中得到广泛应用,比如南海油气田的开发。

深海海洋石油开采分为移动平台钻井、海底管线与海底开采平台安放施工、系统开采油气作业、停止开采封井四个阶段。海底管线与开采平台系统安放施工主要包含三类作业:管线铺放、水下结构物的沉放、跨接管长度的测量与安装。深水区域的管线测量一般使用水面支持船搭载超短基线(USBL)对沿管线行进的ROV实时定位。

(3)军事

由于潜艇和深海探测技术的发展,水下目标的精确定位就显得额外的重要,潜艇、水面舰艇的调遣、作战航行离不开导航定位。特别对潜艇来说,仅仅依靠无线电、GPS、惯性导航是不够的,需要采用多种组合导航定位技术。在某些预定海域布放水声定位系统,潜艇到达该海域后,即可使用水声定位系统对潜艇进行精确定位。利用水声定位结果对惯性导航和多普勒测速和计程声呐进行校准,可以在保证潜艇下潜的情况下,大大提高导航精度,提高潜艇作战效能。

利用水声定位及惯性导航的组合定位系统可对水下各类有人及无人潜器进行水下定位及导航,配合多波束声呐、侧扫声呐、合成孔径声呐等可探测敌方水下军事基地的三维地图和精确位置。组合导航无人潜器搭载探测及干扰声呐还可完成收集舰艇声呐数据、探测港口军事部署、中海达GPS监控舰艇运行状态和进行声呐电子对抗等多种作业。


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