HiPAP 100 水下定位系统及应用

肖昌荣 蒋青吉 李鹏

【摘要】本文概述了HiPAP100水下定位系统的组成及其工作原理，并分别就其超短基线和长基线两项功能介绍了其在海洋调查中的广泛应用，说明其在相关海洋调查中的重要性。

【关键词】HiPAP；超短基线；长基线

1.引言

近年来人类的探索、开发逐渐向深海发展，深海中蕴藏着丰富的自然资源，包括石油天然气、钴结核、热液硫化物以及天然气水合物等资源，要准确找到这些海底宝藏，就需要对水下勘探设备进行精准的定位，水下定位系统的加入让我们可以精确地定位资源富集区。

HiPAP100水下定位系统由广州海洋地质调查局于2010年从挪威Kongsberg公司引进，其固定安装于“海洋六号”船上，是一种基于声音在水中传播原理的定位参考系统。引进至今，该系统已服务于多种水下设备，例如ROV水下机器人、海底摄像、磁力深拖、声学深拖等，为我国南海调查以及大洋调查中的水下设备提供了高精度定位，特别是在大洋29航次海底摄像作业中，HiPAP 100为水下5500米深、距母船近8000米的摄像拖体提供了较稳定的高精度定位。

“海洋六号”船上的HiPAP 100水下定位系统在我国是唯一的，因此对大多数人来说是陌生的。本文主要介绍HiPAP100水下定位系统的组成、工作原理和功能。

2.HiPAP家族

HiPAP是“高精度水声学定位”的简称，是一种基于声音在水中传播原理的定位参考系统。HiPAP系统的主要功能是船舶与应答器的相对定位。该系统同样可以用于监测传感器数值，如温度、压力（水深）、倾斜和航向等。HiPAP系统也可以遥测控制水下系统，比如水声控制系統和水声接口记录器。

首先了解下HiPAP家族，其共有五种类型：HiPAP100、350、350P、450和500，它们拥有共同的软件和硬件平台，因而可以提供相同的额外功能和选项。

HiPAP100使用球型换能器，含31个换能器元件，覆盖范围为±60°，是一种低频系统，其工作频率是10-15.5kHz，适用于深水区域，其作用范围为1-10000m，其余四种系统则都是中频系统，工作频率为21-31kHz；[1]

HiPAP350和350P都使用半球型换能器，含46个换能器元件，覆盖范围为±60°，作用范围为1-3000m，其中HiPAP350是固定的船上系统，而HiPAP350P是一种便携式系统；

HiPAP450使用球型换能器，为固定的船上系统，它具有与HiPAP350系统一样的操作和技术性能，同时有着与HiPAP500一样的换能器元件，虽然只有46个元件，覆盖范围为±60°，作用范围为1-3000m，另外它可以升级为与HiPAP500一样的性能；

HiPAP500使用球型换能器，含241个换能器元件，覆盖范围为±100°，作用范围为1-4000m，为固定的船上系统。[2]

由于HiPAP100适用于深水区域，所以HiPAP100系统能更充分地满足作业的要求。

3.HiPAP100系统组成及定位原理

3.1 HiPAP100系统组成

HiPAP 100是挪威Kongsberg公司生产的综合长基线和超短基线功能的水下定位系统，为水下移动目标（ROV、AUV、拖拽体等）定位，亦可利用固定应答器为船舶定位，还可用作动力定位系统的第二参考系。

HiPAP 100分为两部分：水面部分和水下部分，如图1所示。水面部分包括：操作站、收发机、带换能器的升降装置、升降控制单元、遥控单元；水下部分包括：应答器、响应器和应答器阵，应答器由船舶发射的声音脉冲信号触发，且在正常时回应1、2或者3个应答脉冲，响应器通过电缆由电脉冲信号触发，应答器阵由海底下的一组应答器组成，用于长基线定位。

此套系统可以为中、深水海域（3000-6500米）进行的海底摄像、海底电视抓斗、ROV系统、各种拖曳系统和地质取样等海洋调查手段提供高精度定位。长基线标称定位精度能达到亚米级；超短基线标称定位精度能达到斜距的0.2%。

HiPAP 100水下定位系统是一种低频水下声学定位系统，其超短基线定位部分的工作频率：13-15.75kHz（接收）；10-12.5kHz（发射）；12.125-12.875kHz（通讯），最大的测距长度为10000米，测量精度为测距长度的1.8‰，角度精度为0.1°。[3]

3.2 HiPAP100定位原理

（1）HiPAP100的斜距测量原理

当HiPAP系统测量斜距时，它先向水下发送一个声波信号（询问信号），并启动“秒表”，当应答器接收到询问（事实上是不同频率的两个脉冲）后，它将以自己的发射频率作出回应。回应有点点延迟，即应答器的反应时间。当应答器的回应到达船舶的换能器，HiPAP系统将停止“秒表”。根据下面的公式，就能计算出斜距。

SR=[（t-TAD）/2]VoS{m}

其中：SR=斜距，t=秒表中时间，TAD=返回延迟，VoS=声速。

（2）HiPAP100超短基线系统定位原理

HiPAP100超短基线的声学单元有31个，集中安装在一个收发器中，组成声基阵，声单元之间的位置精确测定，组成声基阵坐标系，声基阵坐标系与船坐标系的关系在安装时精确测定，包括位置（X、Y、Z偏差）与姿态（横摇、纵倾、水平旋转）。[4]

系统通过测定声单元的相位差来确定换能器到目标的方位（垂直和水平角度），通过测定声波传播的时间，再用声速剖面修正波束线来确定距离。

对于一个以上的SSBL应答器，一次只能向其中一个询问。所有的应答器都有相同的TAD（时间延迟），但有各自的询问频率，全系统的应答器依次工作。测量时，船载系统（HiPAP 100水面部分）以宽波束寻找应答器，成功后即以窄波束聚焦定位。如图2所示。

（3）HiPAP100长基线系统定位原理

当询问长基线系统阵列时，我们使用同一个脉冲，每个应答器都有自己特殊的响应信号和时间延迟（TAD），也就是说换能器不会同时接收到应答器发出的信号。整个系统以平行的方式工作。海底应答器之间的距离，即基线范围很大，一般在50～2000m范围内。在开始长基线定位前，需先校准基线。

HiPAP系统的测量范围是自船上的发射器到海底的应答器。HiPAP知道应答器的位置。每个范围测量显示发射器位于以应答器为中心范围允许内的半径的球面上。若要测量一个以上的范围，发射器的位置必须在球面间的交叉点上。

通常已知换能器的深度。在这种情况下，每个范围测量均显示发射器位于应答器周围球面与发射器水平面交叉横截面所形成的圆圈内。图解见图3。圆圈画在应答器深度平面与3个球面的交集处。通常每个测量中都会有噪音。可见没有让3个圆交于一点，每个圆都有3个交集。可以假定位置在3个横截面的交集三角中。

在对目标进行测量时，方向和范围都会用于计算中。在浅水区，若用精确的HiPAP发射器，则方向测量可给出更精确的范围。

通常测量的比必须的范围多，彼此相近交叉电的数量会增加。位置的最佳推断仍然在这些交差点之间的空间的某处。

程序使用加权最小平方误差的运算法则来确定位置，该运算法则为反复式，误差是所测量的范围同相应的以船舶位置为基础用毕达哥拉斯定律计算出来的范围间的差值。[6]

LBL定位更难操作，因為它比SSBL需要更多的应答器，但在更深的区域可给出更精确的数值。

4.HiPAP100系统的特点

水是一种传播声音的复杂介质，有很多不同的物理因素影响声音信号的传播。HiPAP100系统利用各种方式减少外界因素对的水声传播的影响。

（1）噪声是影响水声信号的一个因素。噪声源于船舶自身（设备，电机，推进器等），也可能来自附近的设备装置，船舶，ROV，地震活动，还可能来自波浪。另外，船在水中运动形成气泡，换能器无法在被空气阻隔的条件下发送、接收声音信号。

HiPAP依靠升降系统降低换能器深度，使换能器远离船只产生的气泡和其他噪声源。

（2）水面、海底和水下结构会反射声波，对正常的水声信号加以影响使其失真。因此在设计HiPAP系统时，已通过软硬件信号检测、滤波技术来消除这种影响。

（3）从海面到海底，不同温度、盐度的水体分为很多层，每层的声波传播速度都不同，故称这些水层为声速层。当声波穿过不同声速层，就产生了折射。从水面至水底，声速增大时，声波射线向上弯曲，反之声波射线向下弯曲。 垂直射线没有弯曲。

把声速剖面输送到HiPAP系统，用来计算声波射线弯曲的偏角，补偿声波射线弯曲造成的影响，得到更准确的定位计算。

（4）由于HiPAP100系统换能器的覆盖范围为±60°，应答器的覆盖范围为±30°，在作业准备过程中需要根据作业深度调整应答器在水下设备上的安装角度，以达到最佳的效果。

5.HiPAP100的应用与展望

随着海洋的探索与开发往深海发展，水下的精准定位越来越重要，HiPAP100水下定位系统在海洋调查中的作用越来越明显。自引进以来，“海洋六号”上的HiPAP100系统主要是使用其超短基线功能，主要运用于ROV水下机器人、海底摄像、磁力深拖、声学深拖等水下设备的精确定位。

相对于广海局现有的其他两套水下定位系统而言，HiPAP100系统具有明显的作业深度和作业范围的优势，但在实际应用中，它的不足也日益明显，例如长时间水下定位工作面临的应答器电池使用时间问题，还有长基线功能仅适用于母船，不能为水下设备做精准定位，这就意味着长基线功能只能作为动力定位的第二参考系，其应用价值就不如为水下设备定位了。针对HiPAP100系统应用中出现的应答器电池问题，提出了应答器电源改造的方案，改造正在进行中，相信改造后可以满足水下设备长时间工作的需求。

至于长基线功能，寄希望于日后可以实现对水下设备进行定位的功能，今年“潜龙一号”AUV的水下定位使用的就是长基线功能，虽然它需要前期长时间的准备工作，例如布阵、校准基线等，但是其定位精度更高，在特定定位区域内可以提供高精度的定位数据，对于精准定位海底资源的位置来说是意义重大的。

参考文献

[1]Kongsberg Maritime AS公司.HiPAP system instruction manual，2007，3.

[2]Kongsberg Maritime AS公司.HiPAP Family，2007.

[3]蒋青吉.HiPAP 100 水下定位系统在海底摄像中的应用，2013.

[4]Kongsberg Maritime AS公司.HiPAP system instruction manual，2007.

[5]Kongsberg Maritime AS公司.HiPAP system instruction manual，2007.

[6]Kongsberg Maritime AS公司.APOS_LBL_and_MULBL_Course，2010.

作者简介：肖昌荣（1985—），男，助理工程师 ，研究方向：导航系统。