深拖水下定位系統(tǒng)解析

陳小冬

摘要：中國(guó)海洋石油油氣勘探開發(fā)不斷向深海推進(jìn)，海洋工程勘察起著越來越重要作用。USBL水下定位系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于海洋工程勘察的各個(gè)領(lǐng)域。本文通過介紹海洋工程勘察深水裝備深拖DT-1系統(tǒng)采用Ranger 2 USBL定位方法，闡述其技術(shù)特點(diǎn)，為提高水下拖曳裝備定位精度提供一種思路。

關(guān)鍵詞：深拖DT-1;Ranger 2 Gyro USBL;導(dǎo)航定位

Abstract： China's offshore oil and gas exploration and development are constantly advancing into the deep sea， and marine engineering exploration is playing an increasingly important role. USBL underwater positioning system is widely used in various fields of marine engineering survey. This article introduces the Ranger 2 USBL positioning method for the deep towed DT-1 system of offshore engineering survey deep water equipment， and expounds its technical characteristics， providing a way to improve the positioning accuracy of underwater towed equipment.

Key words： deep drag DT-1;Ranger 2 Gyro USBL;navigation and positioning

0? 引言

EDGETECH公司的2400 DT-1 深拖系統(tǒng)是一套成熟的、目前在全世界有大量用戶的深海拖曳系統(tǒng)，系統(tǒng)可以在一次拖曳作業(yè)中獲得多波束測(cè)深數(shù)據(jù)、側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)、淺地層剖面數(shù)據(jù)以及其他傳感器數(shù)據(jù)如聲速數(shù)據(jù)、壓力傳感器數(shù)據(jù)等。DT-1系統(tǒng)的工作水深為3000m，拖體本身具有正浮力，在作業(yè)時(shí)依靠550kg的壓載器將拖體沉入深水中，拖體通過50m臍帶纜、壓載器、鎧裝纜和數(shù)據(jù)采集終端連接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在作業(yè)船速保持3節(jié)航行時(shí)，鎧裝纜投放長(zhǎng)度一般為水深的2-2.5倍，按照深水井場(chǎng)一般作業(yè)深水1500m計(jì)算，鎧裝纜的投放長(zhǎng)度3000m左右。面對(duì)傳統(tǒng)淺海水下拖體定位的模式，一般采用增加后拖距離計(jì)算水下拖體的大約位置。在深水井場(chǎng)調(diào)查作業(yè)中，這種傳統(tǒng)的作業(yè)模式已經(jīng)不能滿足水下高精度定位的需要。在深水區(qū)域做井場(chǎng)調(diào)查，由于受海底流向、拖體通信電纜長(zhǎng)度的影響，提高拖體定位精度就顯得尤為重要。Ranger 2 Gyro USBL水下聲學(xué)定位系統(tǒng)是工程勘察作業(yè)公司引進(jìn)專用于深水拖曳設(shè)備定位，該系統(tǒng)具有定位精度高，跟蹤目標(biāo)距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，有效提高深水井場(chǎng)調(diào)查深拖作業(yè)數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。

1? Ranger 2 Gyro USBL聲學(xué)定位系統(tǒng)

Sonardyne公司推出了全新的第二代寬帶數(shù)字技術(shù)WideBand 2，在此技術(shù)的基礎(chǔ)上Sonardyne發(fā)布了全新的第六代硬件系統(tǒng)。其中作為水下聲學(xué)定位的Ranger 2 USBL系統(tǒng)的性能較以往的所有系統(tǒng)在信號(hào)處理和數(shù)據(jù)的精度方面有了非常的提升，系統(tǒng)能夠同時(shí)跟蹤10個(gè)水下目標(biāo)物，可以采用CIS（通用問訊信號(hào)）的工作方式確保1Hz的定位信息更新（與水深和距離無關(guān)），系統(tǒng)有420個(gè)通道可用，確保了大面積和大量水下目標(biāo)的同時(shí)跟蹤和定位而無相互的干擾。Ranger 2 USBL是英國(guó)Sonardyne公司全新第二代寬帶水下聲學(xué)定位系統(tǒng)。這套系統(tǒng)最顯著特點(diǎn)發(fā)射接收機(jī)Type 8142-001換能器自帶30°的彎角[2]。能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離跟蹤拖曳設(shè)備，保障其定位精度。該系統(tǒng)性能如下：

①系統(tǒng)的跟蹤距離能夠達(dá)到6000-7000m（與水深和外界的聲學(xué)環(huán)境有關(guān)）;

②系統(tǒng)的測(cè)距精度理論上能夠達(dá)到6mm;

③系統(tǒng)兼容老的模擬信標(biāo)HPR、上一代信標(biāo)WSM，以及C5、C6、WMT等;

④系統(tǒng)采用了全新的軟件操作系統(tǒng)。

1.1 Ranger 2 Gyro USBL定位系統(tǒng)安裝

USBL水下定位系統(tǒng)的安裝主要是針對(duì)發(fā)射接收機(jī)的安裝，深拖作業(yè)采用船舷安裝，固定桿必須盡可能垂直于船體并且要充分的固定防止它在操作過程中與船體間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。安裝發(fā)射接收機(jī)時(shí)主要常規(guī)要求：

①把收發(fā)機(jī)裝在剛性固定桿上，并且盡可能地減少振動(dòng)和換能器在船航行時(shí)的自由運(yùn)動(dòng)，影響換能器的主要來源是船上機(jī)械振動(dòng)和換能器在水下運(yùn)動(dòng)形成的渦流。

②確定換能器前向指示箭頭的方向指向船艏方向。

③發(fā)射接收機(jī)安裝與船體龍骨距離至少3m。增加換能器陣與船體之間的距離能夠減少多路回波干擾，并且能減少接收到的船體運(yùn)動(dòng)時(shí)通過換能器的氣泡產(chǎn)生的噪聲。盡量遠(yuǎn)離噪聲源和氣泡例如螺旋槳推進(jìn)器或者其他產(chǎn)生氣流的地方等。

1.2 Ranger 2 Gyro USBL定位系統(tǒng)校準(zhǔn)

Ranger 2 USBL的發(fā)射接收機(jī)通過船側(cè)的安裝固定桿放到水中以后，由于安裝桿本身的特性和安裝時(shí)的固定方式會(huì)造成安裝桿無法處在絕對(duì)垂直的位置，這就會(huì)帶來Pitch、Roll的安裝誤差，發(fā)射接收機(jī)的艏向安裝誤差會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來直接的位置偏移。因此這個(gè)誤差數(shù)據(jù)需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。Heading的誤差會(huì)直接影響所定位的水下地拖體平面坐標(biāo)內(nèi)的誤差，因此我們要找出Ranger 2 USBL發(fā)射接收機(jī)的水平角度誤差。

深拖USBL水下定位系統(tǒng)定位精度測(cè)量在深水井場(chǎng)調(diào)查BY28-1-1（1270m）海域處進(jìn)行，作業(yè)船是南海救助局169船，該船是常規(guī)動(dòng)力船舶。到達(dá)作業(yè)工區(qū)后進(jìn)行聲速測(cè)量，將定位信標(biāo)DPT投放在測(cè)試區(qū)域，通過Ranger 2采集軟件跟蹤到達(dá)海床的DPT信標(biāo)，這時(shí)以DPT為中心，600m距離為半徑設(shè)計(jì)測(cè)線采集數(shù)據(jù)。執(zhí)行CASIUS 校準(zhǔn)程序：

①完成CASIUS 校準(zhǔn)前的所有準(zhǔn)備;

②從菜單欄選擇“CASIUS〉Do CASIUS calibration…”顯示CASIUS 校準(zhǔn)對(duì)話框;

③安裝系統(tǒng)自動(dòng)提示，依次操作，最終完成數(shù)據(jù)采集，出具校準(zhǔn)報(bào)告;

④將CASIUS 校準(zhǔn)方法得到的系統(tǒng)報(bào)告，應(yīng)用到Ranger 2軟件，軟件將自動(dòng)校準(zhǔn)得到的Pitch=29°、Roll=0.17°、Heading=2.13°補(bǔ)償值補(bǔ)償?shù)较到y(tǒng)參與運(yùn)算。

2? 深拖拖體航跡定位精度

深拖調(diào)查作業(yè)中，使用Ranger 2系統(tǒng)進(jìn)行水下定位， Ranger 2水下定位系統(tǒng)校準(zhǔn)后拖體軌跡對(duì)比見圖2。深水井場(chǎng)作業(yè)水深1270m，釋放鎧裝電纜長(zhǎng)度2918m，拖體離海底高度40-60m。根據(jù)水下定位信標(biāo)信號(hào)記錄的拖體位置跳躍很小（相鄰定位數(shù)據(jù)點(diǎn)之間），精度很高，航跡上顯示很平整。

通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，Ranger2定位精度高，接收信號(hào)好。定位深水拖曳設(shè)備的最大作業(yè)水深可達(dá)1600m。如果甲方嚴(yán)格要求，包括定位數(shù)據(jù)誤差、拖體高度等都有較高技術(shù)規(guī)定，那么水深超過1600m就需要考慮雙船作業(yè)的情況。

3? 結(jié)語

深拖系統(tǒng)是工程勘察作業(yè)公司近年來從國(guó)外引進(jìn)的大型工程勘察設(shè)備之一，是公司進(jìn)軍深水工程勘察的利器，其作業(yè)水深達(dá)到3000m。當(dāng)拖體在水下航行時(shí)，工作母船主要通過超短基線通過安裝在拖體上定位信標(biāo)，來實(shí)時(shí)跟蹤拖體的水下位置。Ranger2系統(tǒng)發(fā)射接收機(jī)自帶30°角換能器發(fā)射面較大程度地解決遠(yuǎn)距離拖曳設(shè)備的定位問題。深拖系統(tǒng)在南海已完成了多個(gè)深水井場(chǎng)調(diào)查項(xiàng)目，最大作業(yè)水深1600多米，資料采集質(zhì)量及作業(yè)效率得到客戶的高度認(rèn)可，為公司創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]中海油服物探事業(yè)部工程勘察作業(yè)公司.深水井場(chǎng)調(diào)查初步報(bào)告[R].2011-9.

[2]Ranger 2 Reference Manual.

[3]單瑞，趙鐵虎，梅賽，高小慧.深海拖曳系統(tǒng)定位技術(shù)及其應(yīng)用與展望[J].海洋地質(zhì)前沿，2012，28（7）：67-69.