瓊州海峽500ｋＶ高壓海底電纜輸電系統(tǒng)是我國(guó)第一個(gè)超高壓、長(zhǎng)距離、大容量的跨海聯(lián)網(wǎng)工程也是世界上繼加拿大之后第二個(gè)同類工程工程以廣東省湛江市500ｋＶ港城變電站為起點(diǎn)ꎬ終點(diǎn)到海南省澄邁縣500ｋＶ福山變電站該系統(tǒng)工程對(duì)解決海南電網(wǎng)大機(jī)小網(wǎng)問題、提升海南省供電質(zhì)量作用明顯ꎬ結(jié)束了海南省電力孤島的歷史一期工程３條單根長(zhǎng)約３２ｋｍ的海底電纜(另有二期４條海底電纜在建)為該系統(tǒng)的核心設(shè)備海底電纜的安全是該輸電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重中之重定期對(duì) 海底電纜進(jìn)行探測(cè)了解海底電纜本體狀態(tài)及其運(yùn) 維環(huán)境并依據(jù)探測(cè)數(shù)據(jù)制定針對(duì)性運(yùn)維策略是海底電纜運(yùn)維的關(guān)鍵一環(huán)。

１聲學(xué)定位系統(tǒng)

聲學(xué)定位系統(tǒng)最初是在１９世紀(jì)６０年代的時(shí)候被開發(fā)出來用于支持水下調(diào)查研究從那時(shí)起這類系統(tǒng)便在為拖體ＲＯＶ等水下目標(biāo)的定位中成為了重要角色聲學(xué)定位系統(tǒng)能夠在有限的區(qū)域內(nèi) 提供非常高的位置可重復(fù)精度甚至在遠(yuǎn)離海岸２０世紀(jì) ５０－６０年代在國(guó)際上隨著光、聲、磁等技術(shù)的不斷發(fā)展在大力開發(fā)海洋自然資源和海洋工程的進(jìn)程中水下探測(cè)技術(shù)得到了較大發(fā)展相繼開發(fā)了一系列先進(jìn)的、高效能的水下探測(cè)設(shè)備:在各種水下檢測(cè)的光、聲、磁技術(shù)中由于水下光波衰減很快即使是波長(zhǎng)最長(zhǎng)、傳播最遠(yuǎn)的紅外光波在水中傳播到了幾米以后也衰減完了而聲波和電磁波在水中有良好的傳播性因而聲吶、磁探和超短基線成為水下檢測(cè)的有效方法。

在聲學(xué)定位系統(tǒng)中有３種主要的技術(shù)[１] :長(zhǎng) 基線定位(ＬＢＬ)、短基線定位( ＳＢＬ)和超短基線定位(ＳＳＢＬ / ＵＳＢＬ)有些現(xiàn)代的定位系統(tǒng)能組合使用以上技術(shù)這三種不同方式的聲學(xué)定位系統(tǒng)中長(zhǎng)基線定位(ＬＢＬ)定位精度最高但是水底布設(shè)高精度定位已知點(diǎn)的施工難度大且費(fèi)用較高一般使用在石油平臺(tái)監(jiān)測(cè)、水下考古打撈等需要高精度定位的工程短基線定位(ＳＢＬ)需要對(duì)船體進(jìn)行改造才能放置換能器基陣對(duì)船只的要求使短基線的應(yīng)用受一定的限制超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)(ＵＳＢＬ) 的優(yōu)勢(shì)是很明顯的只需要在船舶上安裝一個(gè)換能器及其電子單元就可以提供高精度的聲學(xué)定位。

幾種常見聲學(xué)定位系統(tǒng)的特點(diǎn)如表１所示

表１常見聲學(xué)定位系統(tǒng)的特點(diǎn)

２項(xiàng)目案例

英國(guó)Sonardyne公司是世界上最著名的生產(chǎn)水下聲學(xué)定位設(shè)備的供應(yīng)商ꎬ該公司的聲學(xué)定位系統(tǒng) 設(shè)備包括:定位主機(jī)(換能器＋接收基陣)、應(yīng)答器、接口電源單元、數(shù)據(jù)采集和處理單元(含軟件)、編碼測(cè)試單元程序器、ＲＦＩＤ設(shè)備等本項(xiàng)目中采用的是超短基線(ＵＳＢＬ):超短基線定位的船載換能器中ꎬ有至少３個(gè)接收基陣單元ꎬ應(yīng)答器安裝在需要定位的目標(biāo)上換能器測(cè)量出到應(yīng)答器的水平和垂直角度及斜距如圖１所示。

圖１超短基線定位系統(tǒng)換能器和應(yīng)答器分布示意圖

本項(xiàng)目具體實(shí)施過程中在安裝水下機(jī)器人的同時(shí)將超短基線定位系統(tǒng)的發(fā)射換能器和接收基陣同時(shí)安裝在了母船上ꎬ應(yīng)答器固定在水下機(jī)器人上ꎬ并且把母船現(xiàn)有的兩路ＧＰＳ信號(hào)接入具體如圖２所示

圖２超短基線定位系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖

為達(dá)到更加精確的定位精度需要對(duì)該超短基線系統(tǒng)進(jìn)行校正和設(shè)定超短基線定位系統(tǒng)定位精度受諸多因素影響具體如下:

(１)聲波在不同水域中受密度和鹽度的影響而傳播速度不同

(２)換能器安裝方式和位置的影響

(３)母船本身傾斜和搖動(dòng)的影響

(４)ＧＰＳ衛(wèi)星接收裝置在母船上的實(shí)際位置和方向

(５)水下機(jī)器人上應(yīng)答器實(shí)際垂直入水時(shí)的位置和方向

例如超短基線系統(tǒng)的一個(gè)細(xì)小姿態(tài)誤差會(huì)造成最終需要定位的水下機(jī)器人位置(電纜坐標(biāo))偏差如圖３所示

圖３超短基線系統(tǒng)姿態(tài)偏差對(duì)最終定位數(shù)據(jù)影響示意圖

換能器１°的姿態(tài)誤差在２ｋｍ距離時(shí)會(huì)造成３５ｍ的位置偏差誤差率是１. ７５％以瓊州海峽最深處１００ｍ的水深估算會(huì)造成的最終目標(biāo)位置誤差是１. ７５ｍ實(shí)際施工工程中ꎬ船舶搖晃會(huì)造成換能器不止１°的姿態(tài)誤差ꎬ如果超短基線系統(tǒng)安裝后不做校正對(duì)于最終目標(biāo)位置(電纜坐標(biāo))的定位影響頗大。

在完成安裝、校正和設(shè)定后超短基線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理單元通過接收ＧＰＳ的信號(hào)獲取母船實(shí)際位置數(shù)據(jù)ꎬ通過接收應(yīng)答器信號(hào)得到水下機(jī) 器人相對(duì)位置數(shù)據(jù)由水面信號(hào)處理單元的專業(yè)軟件計(jì)算出水下機(jī)器人在實(shí)際位置數(shù)據(jù)用專業(yè)軟件予以顯示母船和水下機(jī)器人相對(duì)的距離、母船和水下機(jī)器人各自的首向、速度水下機(jī)器人攜帶的其它傳感器相關(guān)信息也會(huì)同步顯示。

３結(jié)語

本文依托工程實(shí)例通過介紹超短基線定位系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成、設(shè)備特性、作用原理、安裝過程、校正參考因素ꎬ論述水下機(jī)器人聲學(xué)定位系統(tǒng)在瓊州海峽５００ｋＶ高壓海底電纜輸電系統(tǒng)海底電纜檢測(cè)項(xiàng) 目中的應(yīng)用。