深拖水下定位系统解析
时间：2020-07-02 03:46:28 来源：达达文档网 本文已影响 人 
陈小冬
摘要：中国海洋石油油气勘探开发不断向深海推进，海洋工程勘察起着越来越重要作用。USBL水下定位系统广泛应用于海洋工程勘察的各个领域。本文通过介绍海洋工程勘察深水装备深拖DT-1系统采用Ranger 2 USBL定位方法，阐述其技术特点，为提高水下拖曳装备定位精度提供一种思路。
关键词：深拖DT-1;Ranger 2 Gyro USBL;导航定位
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 深拖系统是一套成熟的、目前在全世界有大量用户的深海拖曳系统，系统可以在一次拖曳作业中获得多波束测深数据、侧扫声呐数据、浅地层剖面数据以及其他传感器数据如声速数据、压力传感器数据等。DT-1系统的工作水深为3000m，拖体本身具有正浮力，在作业时依靠550kg的压载器将拖体沉入深水中，拖体通过50m脐带缆、压载器、铠装缆和数据采集终端连接进行数据采集。在作业船速保持3节航行时，铠装缆投放长度一般为水深的2-2.5倍，按照深水井场一般作业深水1500m计算，铠装缆的投放长度3000m左右。面对传统浅海水下拖体定位的模式，一般采用增加后拖距离计算水下拖体的大约位置。在深水井场调查作业中，这种传统的作业模式已经不能满足水下高精度定位的需要。在深水区域做井场调查，由于受海底流向、拖体通信电缆长度的影响，提高拖体定位精度就显得尤为重要。Ranger 2 Gyro USBL水下声学定位系统是工程勘察作业公司引进专用于深水拖曳设备定位，该系统具有定位精度高，跟踪目标距离远的特点，有效提高深水井场调查深拖作业数据采集质量。
1 Ranger 2 Gyro USBL声学定位系统
Sonardyne公司推出了全新的第二代宽带数字技术WideBand 2，在此技术的基础上Sonardyne发布了全新的第六代硬件系统。其中作为水下声学定位的Ranger 2 USBL系统的性能较以往的所有系统在信号处理和数据的精度方面有了非常的提升，系统能够同时跟踪10个水下目标物，可以采用CIS（通用问讯信号）的工作方式确保1Hz的定位信息更新（与水深和距离无关），系统有420个通道可用，确保了大面积和大量水下目标的同时跟踪和定位而无相互的干扰。Ranger 2 USBL是英国Sonardyne公司全新第二代宽带水下聲学定位系统。这套系统最显著特点发射接收机Type 8142-001换能器自带30°的弯角[2]。能实现远距离跟踪拖曳设备，保障其定位精度。该系统性能如下：
①系统的跟踪距离能够达到6000-7000m（与水深和外界的声学环境有关）;
②系统的测距精度理论上能够达到6mm;
③系统兼容老的模拟信标HPR、上一代信标WSM，以及C5、C6、WMT等;
④系统采用了全新的软件操作系统。
1.1 Ranger 2 Gyro USBL定位系统安装
USBL水下定位系统的安装主要是针对发射接收机的安装，深拖作业采用船舷安装，固定杆必须尽可能垂直于船体并且要充分的固定防止它在操作过程中与船体间有相对运动。安装发射接收机时主要常规要求：
①把收发机装在刚性固定杆上，并且尽可能地减少振动和换能器在船航行时的自由运动，影响换能器的主要来源是船上机械振动和换能器在水下运动形成的涡流。
②确定换能器前向指示箭头的方向指向船艏方向。
③发射接收机安装与船体龙骨距离至少3m。增加换能器阵与船体之间的距离能够减少多路回波干扰，并且能减少接收到的船体运动时通过换能器的气泡产生的噪声。尽量远离噪声源和气泡例如螺旋桨推进器或者其他产生气流的地方等。
1.2 Ranger 2 Gyro USBL定位系统校准
Ranger 2 USBL的发射接收机通过船侧的安装固定杆放到水中以后，由于安装杆本身的特性和安装时的固定方式会造成安装杆无法处在绝对垂直的位置，这就会带来Pitch、Roll的安装误差，发射接收机的艏向安装误差会给测量结果带来直接的位置偏移。因此这个误差数据需要进行动态校准。Heading的误差会直接影响所定位的水下地拖体平面坐标内的误差，因此我们要找出Ranger 2 USBL发射接收机的水平角度误差。
深拖USBL水下定位系统定位精度测量在深水井场调查BY28-1-1（1270m）海域处进行，作业船是南海救助局169船，该船是常规动力船舶。到达作业工区后进行声速测量，将定位信标DPT投放在测试区域，通过Ranger 2采集软件跟踪到达海床的DPT信标，这时以DPT为中心，600m距离为半径设计测线采集数据。执行CASIUS 校准程序：
①完成CASIUS 校准前的所有准备;
②从菜单栏选择“CASIUS〉Do CASIUS calibration…”显示CASIUS 校准对话框;
③安装系统自动提示，依次操作，最终完成数据采集，出具校准报告;
④将CASIUS 校准方法得到的系统报告，应用到Ranger 2软件，软件将自动校准得到的Pitch=29°、Roll=0.17°、Heading=2.13°补偿值补偿到系统参与运算。
2 深拖拖体航迹定位精度
深拖调查作业中，使用Ranger 2系统进行水下定位， Ranger 2水下定位系统校准后拖体轨迹对比见图2。深水井场作业水深1270m，释放铠装电缆长度2918m，拖体离海底高度40-60m。根据水下定位信标信号记录的拖体位置跳跃很小（相邻定位数据点之间），精度很高，航迹上显示很平整。
通过测试发现，Ranger2定位精度高，接收信号好。定位深水拖曳设备的最大作业水深可达1600m。如果甲方严格要求，包括定位数据误差、拖体高度等都有较高技术规定，那么水深超过1600m就需要考虑双船作业的情况。
3 结语
深拖系统是工程勘察作业公司近年来从国外引进的大型工程勘察设备之一，是公司进军深水工程勘察的利器，其作业水深达到3000m。当拖体在水下航行时，工作母船主要通过超短基线通过安装在拖体上定位信标，来实时跟踪拖体的水下位置。Ranger2系统发射接收机自带30°角换能器发射面较大程度地解决远距离拖曳设备的定位问题。深拖系统在南海已完成了多个深水井场调查项目，最大作业水深1600多米，资料采集质量及作业效率得到客户的高度认可，为公司创造了良好的经济和社会效益。
参考文献：
[1]中海油服物探事业部工程勘察作业公司.深水井场调查初步报告[R].2011-9.
[2]Ranger 2 Reference Manual.
[3]单瑞，赵铁虎，梅赛，高小慧.深海拖曳系统定位技术及其应用与展望[J].海洋地质前沿，2012，28（7）：67-69.
