瓊州海峽500ｋＶ高壓海底電纜輸電系統是我國第一個超高壓、長距離、大容量的跨海聯網工程也是世界上繼加拿大之后第二個同類工程工程以廣東省湛江市500ｋＶ港城變電站為起點ꎬ終點到海南省澄邁縣500ｋＶ福山變電站該系統工程對解決海南電網大機小網問題、提升海南省供電質量作用明顯ꎬ結束了海南省電力孤島的歷史一期工程３條單根長約３２ｋｍ的海底電纜(另有二期４條海底電纜在建)為該系統的核心設備海底電纜的安全是該輸電系統穩定運行的重中之重定期對海底電纜進行探測了解海底電纜本體狀態及其運維環境并依據探測數據制定針對性運維策略是海底電纜運維的關鍵一環。

１聲學定位系統

聲學定位系統最初是在１９世紀６０年代的時候被開發出來用于支持水下調查研究從那時起這類系統便在為拖體ＲＯＶ等水下目標的定位中成為了重要角色聲學定位系統能夠在有限的區域內提供非常高的位置可重復精度甚至在遠離海岸２０世紀５０－６０年代在國際上隨著光、聲、磁等技術的不斷發展在大力開發海洋自然資源和海洋工程的進程中水下探測技術得到了較大發展相繼開發了一系列先進的、高效能的水下探測設備:在各種水下檢測的光、聲、磁技術中由于水下光波衰減很快即使是波長最長、傳播最遠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的有效方法。

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

幾種常見聲學定位系統的特點如表１所示

表１常見聲學定位系統的特點

２項目案例

英國Sonardyne公司是世界上最著名的生產水下聲學定位設備的供應商ꎬ該公司的聲學定位系統設備包括:定位主機(換能器＋接收基陣)、應答器、接口電源單元、數據采集和處理單元(含軟件)、編碼測試單元程序器、ＲＦＩＤ設備等本項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個接收基陣單元ꎬ應答器安裝在需要定位的目標上換能器測量出到應答器的水平和垂直角度及斜距如圖１所示。

圖１超短基線定位系統換能器和應答器分布示意圖

本項目具體實施過程中在安裝水下機器人的同時將超短基線定位系統的發射換能器和接收基陣同時安裝在了母船上ꎬ應答器固定在水下機器人上ꎬ并且把母船現有的兩路ＧＰＳ信號接入具體如圖２所示

圖２超短基線定位系統原理簡圖

為達到更加精確的定位精度需要對該超短基線系統進行校正和設定超短基線定位系統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的影響

(４)ＧＰＳ衛星接收裝置在母船上的實際位置和方向

(５)水下機器人上應答器實際垂直入水時的位置和方向

例如超短基線系統的一個細小姿態誤差會造成最終需要定位的水下機器人位置(電纜坐標)偏差如圖３所示

圖３超短基線系統姿態偏差對最終定位數據影響示意圖

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

在完成安裝、校正和設定后超短基線系統的數據采集和處理單元通過接收ＧＰＳ的信號獲取母船實際位置數據ꎬ通過接收應答器信號得到水下機器人相對位置數據由水面信號處理單元的專業軟件計算出水下機器人在實際位置數據用專業軟件予以顯示母船和水下機器人相對的距離、母船和水下機器人各自的首向、速度水下機器人攜帶的其它傳感器相關信息也會同步顯示。