水下导航定位系统在水下作业中的应用

G PS在水下地形测量中的应用探讨董杰顾斌(中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州221l16)应用科技哺要】本文阐述了G PS—RTK技术在水下地形测量宁的应用。

随着G P S毒f术的发展，水下地形测量采用G PS荻得平面坐标，回声测深钗获得深度的基本模式。

保证了水下地形测量的准确性和实时性。

从而使得水下测量变得快速精确方便。

巨键词水下地形测量；G PS-R T K；回声探测仪；应用探讨在水利工程中，水下地形测绘具有重要的意义。

传统的水下地形测量方法主要采用全站仪结合测深仪进行测量。

即在岸上架设全站仪，测量目啉的及时点位坐标，在船体上测量水深。

这种方法由于地球曲率、通视及测站条件的限制难以满足需要，目精麈f医，并同时要进行水位测量。

随着G P S技术的发展，G PS技术在水卞地形测量中的应用越来越广泛。

如G PS差分技术就是利用一台G P S接收机固定在已知的基准点上。

其他的接收机置于船体上作为流动站，同时观测卫星。

这种方法不仅提高了精度，而且加快了作业速度全天候作业。

1G PS-R T K的工作原理1．1原理G P S全球定位系统定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知点的起算数据，采用空间距离后方交会的方法来确定待测点的位置。

常规的G P S测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得高精度的测量结果，而R T K(R ea卜币m e K i nem at i c)是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法RT K技术是以载波相位观测为基础的实时差分G P S定位技术。

在R TK作业模式下，基准站和流动站保持同时跟踪至少4颗以上的卫星，基准站通过数据链将其观测值和已知信息一起传送给流动站，流动站将自己采集的G P S观测数据和通过数据链接收来自基准站的数据在系统内组成差分观测方程并进行实时处理，在运动中求解起始相位模糊度值，同时通过输^相应的坐标转换参数，实时得到测点的三维坐标及精度。

GPS定位系统在水利工程中的方位指导作用摘要：水利工程的建设离不开地理信息系统的精准支撑，而gps 技术是地理信息系统建模的基础，其对于水利工程具有准确的方位指导功能。

本文谈及gps技术概述及其在水利工程中的重要应用，为进一步开发gps在水利工程建设方面的作用提供参考。

关键词：gps；定位系统；水利工程；方位中图分类号：x22文献标识码：ａ１gps技术概述水利资源是大自然赋予人类的宝贵资源，而水利水电建设事业与其所处的地理环境密不可分［1］。

精确掌握工程地所处环境的地理信息，对水利水电工程建设的方位提供精准的信息支持和方位指导作用，以此来确保水利水电工程的高效性、科学性和安全性具有举足轻重的作用。

众所周知，工程在规划（搜集区域地形地貌等信息数据，结合地理信息系统分析数据，进而辅助工程的选址、布置及施工方案）、设计（利用地理信息系统建模，对大坝选址、建设进行计算机模拟，并对水库蓄水量、防洪能力和调水能力等指标进行反复可行性分析）、施工（利用三维功能构建工程立体模型以多角度显示工程的设计参数指导施工）及运行管理阶段（利用变形监测数据处理软件实时、动态监测以避免地质灾害的发生）无时无刻离不开地理信息系统，而该系统构建的基础就是全球定位系统（global positioning system ，gps）。

gps是无线式、被动导航系统，是美国国防部于1973 年所筹建的全球定位系统，至1994 年24颗卫星全部投入使用（由21颗卫星和3颗备用卫星所组成，均匀分布在6个轨道面上，距地面高度约20 000km，轨道面倾角为55°，轨道扁心率接近0，运行周期为12h，可以说在地球上任何时间和地点均可观测4～9颗卫星［2］）。

gps以其连续、实时、高精度、全天候测量和自动化程度高［3］等优势广泛被水利水电等设计部门所青睐。

2gps在水利工程中的应用2.1动态水压监测大坝变形的外力通常源于水压，其对水库的安全构成隐患，因此对大坝变形进行精密、连续监测是后续项目管理的重要环节，而利用gps 技术对大坝进行测量可获悉令人满意的结果。

25一、ROV支持船和铺管作业船之间的视频传输ROV在进行实际铺管作业支持时，如果海管着泥点距离铺管船较近，ROV可以从铺管船（被称为主作业船）下水进行着泥点监控，并将视频信号直接传输给铺管船中央控制室。

如果海管着泥点距离铺管船较远，则ROV需搭载至另一艘动力定位船（被称为辅作业船）进行监控作业，主辅作业船之间通常采用高频对讲机实时工作沟通，并通过无线传输的方式实现水下监控视频实时传输至主作业船。

1.实时视频传输技术要求。

（1）水下结构物的多视角呈现，即主视图、左视图、右视图同时显示；（2）在海管后调查过程中，使用旁扫声纳检查海管悬空等数据信息，并与视频图像同时显示；（3）ROV水下作业视频要从辅作业船实时传输至主作业船的中央控制室，不受传统视频信号缆的传输方式限制。

2.ROV在深水海管铺设中采用的定位方式。

（1）LBL——长基线声学定位基阵。

在进行PLET（管线终端）、MUDMAT(防沉板)和ILTA（三通）安装时，安装位置精度要求较高，采用预布置LBL长基线声学定位基阵，利用其定位精度与水深无关的特性，实现厘米级的高精度定位，实现高精度安装。

图1 LBL基阵（2）ROV实时位置定位系统。

传统的USBL（超短基线）定位系统使用、安装方便，但是由于其定位原理和其声学基阵尺寸的限制，其定位的精度受到很大的限制，其定位的理论精度通常为主探头到信标距离（斜距）的0.5%。

这就意味着，其精度随着距离定位目标物的距离增加而减小，无法满足深水铺管对定位精度的要求。

因此，在深水海管铺设中的ROV定位采取了惯性导航支持，即ROV上搭载Octans 3000水下光纤罗经(为ROV 提供高精度艏向和姿态)、DVL多普勒速度计（计算ROV 运动速度）、SVP测声速仪器（提供声音在海水介质中的传播速度），通过对ROV水下运动实时姿态与对海底相对速度的测量，测算出其运动的轨迹，再结合USBL系统提供的位置，使用Finetrack软件系统得出实时的ROV 水下运动位置，为深水铺管作业提供实时而精确的定位支持。

差分GPS的测量精度及其在水下测量中的应用摘要:随着时代的进步，GPS这项技术发展迅猛，也越发的成熟，给水下测量的工作提供了有利条件，用户越来越多地利用空间进行移动测量。

全面的定位精度、快速的实时操作和高精度的性能正变得越来越明显。

GPS技术与先进的测深仪技术的相结合标志着水下测量技术质的飞跃，同时也是现代科技与工业生产的一个重要实施。

差分GPS以各种不同的差分模式运行，由于测量精度的差异性，在水下工程得到广泛的运用，这对于水上运输项目的水下地形测绘至关重要。

关键词:差分GPS;RTK;信标;星站差分;水下测量引言：近年来，随着GPS相位差载波（RTK）技术的发展，GPS技术变得越来越先进，并被广泛用于数字测绘。

有时会出现这样的情况：在水运项目的早期建设阶段，由于研究区域通常是山区，能见度低、天气恶劣、地形复杂，可能会给传统的野外测绘带来一些问题。

使用GPS动态定位技术进行快速准确的测绘，可以消除累积误差，使用方便，所需人员较少，并具有其他优势，可以取代原来用平面仪测和全站仪测绘。

很明显这项GPS技术的高速发展让生产力和经济效益已经大大增加。

1.差分定位原理DGPS（差分全球定位系统）的工作原理是两个GPS接收器安装在两个站点上，对同一个GPS卫星的导航信号进行同步测量，基站根据已知的坐标对所观察的数据进行修正，并不断将所观察的数据传送给移动站，移动站实时修正其观测值，以确定准确位置。

水下地形图绘制通常用于水利工程项目的建设。

水下测量通常是由测量船进行的，平面测深中心的位置必须与水深一起测量。

差分定位技术为水下测量的平面定位提供了极大的便利。

根据所需的测量精度，可以采用多种不同的定位方法模式，通常情况下常用RTK差分模式、COSS差分模式、星站差分模式和信标差分模式。

2.RTK差分模式RTK（实时动力学）操作是使用RTK型全面高精度GPS接收器进行的。

这一般是一个在已知地点的一个基站并通过无线电台站发射一个差分信号来实现的，该信号可以在离原点几厘米的地方进行测量（假设固定解决方案被锁定并静止几秒钟），并被广泛使用。

水下清管跟踪定位设备在海底管道的技术应用海洋石油生产的输送管道系统中，清管作业是油气输送管道投产前和运行中的一项重要且必不可少的工作。

清管作为一项风险较高作业，一旦清管器卡在管道某个位置且不能及时定位，则可能影响整个海上油田的生产。

因此，清管器的跟踪定位是清管作业中一项极为重要的内容，文章通过南海某油田的新建管线清管跟踪定位设备实际应用，阐述了油田投产前对海底管线的清管作业应用清管跟踪定位设备基本操作方法，为以后类似的工程项目提供了有益的参考。

标签：海底管线；清管器；清管定位追踪设备引言随着国内外海洋油气资源的不断开发和利用，海底管道项目越来越多。

海底管线投产前和运行中的清管作业，发射清管器进入管道，沿管道运动。

如果清管器在管道中发生卡堵时，而常规的解决卡堵的措施还未解决卡球的问题，则可以根据清管器携带的跟踪定位系统及时准确找到卡球位置，以便采取合适的措施处理事故，避免造成更大的损失。

本文以清管跟踪定位设备在南海某油田的清管作业应用为例，介绍清管跟踪定位设备的使用原理、陆地模拟测试、清管作业实际操作。

从工程实际出发，分析清管跟踪定位设备的使用可能的风险及风险应急措施，以确保整个作业过程可靠性和安全性。

1 清管跟踪定位设备简介1.1 清管跟踪定位设备组成水下清管跟踪定位设备，主要是由高精度的耐磨的304不锈钢发射机与信号接收机及多种清管器的组合体。

发射机由发射机本体（含线圈）、可拆卸不锈钢法兰、密封圈、电池等组成。

可以安装任何类型的管道清管器内部或者外部拖拽使用，可涵盖直径为2”-60”管线。

发射机内部采用6节AA（1号）电池，内部安装线圈。

发射机的线圈发射低频电磁信号。

信号接收机由接收机本体、接收信号天线、高亮度LED信号灯、灵敏度调节按钮、潜水员把手（或ROV把手）、电池等组成。

信号接收机可以由潜水员携带操作，接收机采用一连串高亮度LED信号灯（接收机面板一般有16个信号灯）来表示显示接收发射机发射的信号的强度。

HiPAP 100 水下定位系统及应用【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，比如水声控制系统和水声接口记录器。

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。

水下导航定位技术的探究◎ 张文秀 忻州师院五寨分院摘 要：随着水下导航器技术的不断发展，导航系统成为水下航行器研究的主要技术核心，实现水下精确定位成为目前水下航行器定位导航系统研究的一个重要分支。

本文对几种常用自主导航方式的优缺点进行了对比，提出采用组合导航方式可以提高导航的可靠性和准确度。

关键词：水下航行器 组合导航 精确定位迄今为止，应用于水下航行器的导航方式一类是凭借于外部信号的非自主导航，另外一类则是凭借传感器得到信号的自主导航方式。

前者的导航基础是运载体可以接受到来自于外部信号的条件下才能完成导航，如罗兰、欧米加及其GPS等，三者中GPS凭借其广泛的信号面积导航能力更佳且更为准确。

然而，该导航方式存在着自身的不足，由于其信号来自于外部，主要的方式是无线电导航，信号衰减非常严重，非自主导航局限于水上之上的定位，在水下航行器中的应用十分有限。

对于后者，导航主要依靠自身配备装置的传感。

基于不同的传感装置，将自主导航方式分为很多类，如携带惯性测量装置的惯性导航系统、配备水声换能器的声学导航、装有地形匹配或者地磁传感器的地球物理导航等导航系统。

1.水下航行器常用导航方法1.1航位推算和惯性导航系统航位推算法主要是对航行器的速度进行时间的积分求积分来确定其所在的位置，应用比较早且范围较广。

为了得到航行器的航行速度，需要确定航行器的速度和航向，因此需要流速传感器或者是航向传感器来确定航行器的速度和航向。

采用流速传感器测量航行速度的过程中，海流会影响航行器的速度，且对流速的影响是流速传感器不能测到的，海流对流速的影响进而会产生导航误差，速度较慢航行较长的情况下，误差会很大。

惯性导航系统利用测量得到的航行器的加速度，经过一次积分运算计算出速度，两次积分运算得到航行器的位置，具有自主性、无需外界信息源以及隐蔽性的优点。

可以将其分为平台式和捷联式两种形式。

空间大小、功率以及价格的限制，普通的航行器均采用捷联式，该方式的导航系统（SINS）容易实现导航与控制的一体化。

自主水下航行器导航与定位技术发布时间：2023-02-03T02:36:04.888Z 来源：《科学与技术》2022年第18期作者：杜晓海[导读] 自主水下机器人（AUV）作为开发和利用海洋资源的主要载体，杜晓海海军装备部 710065摘要：自主水下机器人（AUV）作为开发和利用海洋资源的主要载体，在执行任务时需要准确的定位信息。

现有AUV主要采用基于捷联惯性导航系统（SINS），辅以声学导航和地球物理场匹配导航技术。

本文简要介绍了水下导航模式的基本原理、优缺点和适用场景；讨论了各种导航模式中的关键技术，以提高组合导航的精度和稳定性。

通过分析现阶段存在的问题，展望了水下航行的未来发展趋势。

关键词：自主水下航行器；智能导航；智能定位本文综述了目前主流的AUV水下导航关键技术，包括DVL测速技术、LBL/SBL/USBL水声定位导航技术、地形辅助导航技术、地磁辅助导航技术和重力辅助导航技术以及协同导航技术，介绍了相关导航技术的基本原理和发展，分析和总结了水下自主导航中各技术的关键问题和技术难点，最后展望了AUV水下导航技术的未来发展。

1 SINS/DVL定位技术DVL是一种利用声波多普勒效应测量载流子速度的导航仪器。

根据AUV与水底之间的相对距离，DVL有两种模式：水底跟踪和水底跟踪。

当载流子与水底的相对距离在该范围内时，声波可以到达水底，当AUV与水底之间的相对距离超过范围时，声波无法到达水底，DVL采用水跟踪模式。

根据传输波速的多少，可以分为单波束、双波束和四波束。

1.1 SINS/DVL对准技术惯性导航可以为AUV提供实时的姿态、速度、位置等导航信息。

然而，初始对准必须在使用前进行，初始对准的结果在很大程度上决定了最终的集成精度。

通常，AUV在停泊或航行于水面时接收GPS信号进行初始对准。

在特定的任务背景下，AUV需要在水下运动期间完成初始对准，因此，许多学者提出了基于DVL辅助的移动基站对准。

GPS-RTK技术在水利测量中的应用实践微探摘要：GPS-RTK技术是一种现代化的工程测量手段，将其用于水利工程测量，能有效地提升工程测量的效率和精度。

本文在阐述GPS-RTK技术系统组成和优势特征的基础上，就水利测量中GPS-RTK技术的具体应用情况展开分析，并指出提升GPS-RTK技术在水利测量中应用精度的办法。

期望能实现GPS-RTK技术与水利工程测量的深层次结合，继而在提升GPS-RTK技术应用水平的同时，保证水利工程测量质量，促进水利工程建设项目的有序发展。

关键词：GPS-RTK技术；水利工程；测量技术；应用水利工程建设是关系国计民生的重要事项，步入新时期以来，水利工程开发利用的形式逐渐多元，这就对工程建设质量提出了更高要求。

测量工作是水利工程前期建设的重要环节，其直接关系着水利设施后期的设计、施工和维护效果，并且对于人们的生产生活质量具有较大影响。

现阶段，基于高效率、高精度水利测量需要，新型测量技术在水利工程测量中的应用不断深入；GPS-RTK技术是基于高精度GPS定位和回声技术而产生的全新测量形式，其有效地满足了水利测量需要，为新时期的水利工程建设创造了有利条件。

一、GPS-RTK技术系统组成及优势特征1、GPS-RTK系统组成作为一种全新化的工程测量手段，GPS-RTK技术系统包含了基准站、流动站及通信系统三个基本单元。

就基准站而言，其能在跟踪载波相位观测信号的基础上，实现测站的坐标、观测值、卫星跟踪状态和收机工作状态等信息的精准把控。

而流动站的作用体现在，其能实现对GPS卫星信号的载波相位观测，同时接收基准站相关信息，在这些信息综合分析利用下，进行参数转化和投影分析，可实现流动站坐标的准确计算。

现阶段，在GPS-RTK技术下，工作人员通过基准站和移动站的合理设置，可以建5颗以下卫星信号的接收管理，随后在载波相位观测技术下，可实现目标物的有效勘测。

2、技术特征优势相比于传统的工程测量手段，GPS-RTK技术的应用具有极为突出的优势：其一，GPS-RTK技术本身是在高新技术支撑下发展起来的测量技术，其具有定位准确，测量结果准确性高的特点，在实际测量中，其能有效提升工程项目的测量精度，减少测量误差。

水下定位计算水下定位计算通常指的是确定水下物体或潜水员在三维空间中的位置。

这种计算可以用于导航、搜寻、打捞、水下施工等多种场合。

水下定位的方法有很多，包括但不限于以下几种：1. 声呐定位：使用声波在水中传播的特性，通过发送声波并接收其反射信号来确定物体的位置。

这种方法常用于潜艇和船只的避障和定位。

2. 超短基线（USBL）定位：通过在水下物体上安装一个发射器，水面上的船或平台上的接收器接收发射器发出的声波信号，通过测量声波的传播时间来计算物体的位置。

3. 长基线（LBL）定位：在水域底部布设一系列的声呐信标，通过测量水下物体与这些信标之间的距离来计算其位置。

4. 惯性导航系统（INS）：利用加速度计和陀螺仪等传感器来跟踪物体的运动，从而推算出其位置。

这种方法不依赖于外部信号，但随着时间的推移会有累积误差。

5. 卫星导航：虽然GPS信号不能直接穿透水面到达水下，但可以通过水面上的浮标或船只接收GPS信号，并结合其他传感器数据来辅助水下定位。

6. 水下无线光通信：在清澈的水中，可以使用光信号进行短距离的通信和定位。

7. 水下节点网络：部署一系列的水下节点，通过节点间的通信来帮助确定水下物体的位置。

具体的水下定位计算方法取决于所使用的技术和设备。

例如，对于USBL系统，定位计算通常包括以下步骤：-测量声波从发射器到接收器的传播时间。

-将传播时间转换为距离（使用声速在水中的速度）。

-使用三角测量法，结合多个接收器的数据来确定发射器的三维位置。

在实际应用中，水下定位计算可能还需要考虑多种因素，如水流、水温、盐度对声速的影响，以及设备的精度和校准情况。

因此，水下定位是一个复杂的过程，需要专业的知识和技术。