超短基線（USBL）定位技術(shù)在海工工程中的應(yīng)用

劉勇

摘 要：超短基線測(cè)量定位技術(shù)是近年來水下聲學(xué)定位控制與檢測(cè)領(lǐng)域一項(xiàng)全新的應(yīng)用技術(shù)。本文以勝利海上油田海底管道聯(lián)鎖排工程為案例，簡要闡述了超短基線測(cè)量定位技術(shù)在海工工程中的應(yīng)用。通過與傳統(tǒng)作業(yè)方法的比對(duì)，提出利用該技術(shù)便捷，測(cè)量成果準(zhǔn)確，建議推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：超短基線;水下定位;海工工程;連鎖排

1 超短基線定位系統(tǒng)的工作流程

1.1 系統(tǒng)的組成及工作原理

超短基線定位系統(tǒng)主要由兩部分組成：水聲換能器及水下應(yīng)答信標(biāo)。換能器探頭里有多個(gè)水聽器，按三角形布陣，水聽器之間距離只有幾厘米。系統(tǒng)是根據(jù)聲波在水中傳播的往返時(shí)間及聲速來測(cè)量水聲換能器到水下信標(biāo)的距離，利用安裝在水聲換能器探頭中的多個(gè)水聽器接收陣接收水下信標(biāo)的應(yīng)答信號(hào)的相位差來確定發(fā)射接收機(jī)相對(duì)船艏的方位。

1.2 水下定位作業(yè)工藝流程

1.2.1設(shè)備構(gòu)成

USBL水下定位設(shè)備主要由以下部分構(gòu)成：水聽器、導(dǎo)航控制單元、信標(biāo)、電纜。但實(shí)際作業(yè)時(shí)還需要有工作船舶、電羅經(jīng)、GPS系統(tǒng)、帶USBL版本的導(dǎo)航定位軟件以及電腦等配合使用。

1.2.2水下定位系統(tǒng)的安裝

USBL水下定位系統(tǒng)的安裝主要是針對(duì)水聽器的安裝，水聽器安裝時(shí)采用船舷安裝，該方式具有較大的靈活性，便于安裝和拆除。安裝時(shí)水聽器必須探出船底，并將水聽器零艏向與船艏向保持一致，其在船體縱向上的位置，以距離船尾1/3 附近比較合適，同時(shí)要避開作業(yè)船側(cè)面推進(jìn)器。

1.2.3 系統(tǒng)的校正

對(duì)USBL水下定位系統(tǒng)進(jìn)行校正，因USBL安裝有內(nèi)置姿態(tài)傳感器，所以無需對(duì)傾斜和搖擺進(jìn)行校正，只需檢測(cè)水聽器零艏向和船艏向是否一致，即對(duì)方位的校正。在水聽器安裝完成后，將兩個(gè)信標(biāo)分別放在船左舷、船中心線、船舷兩側(cè)和船尾4個(gè)不同的位置、不同的水深，反復(fù)進(jìn)行應(yīng)、答測(cè)試，在導(dǎo)航定位軟件屏幕上顯示的結(jié)果同選定的位置方位進(jìn)行比較，從而獲得水下聲跟蹤定位系統(tǒng)水聽器零方向與船艏向的偏差改正數(shù)，將此改正數(shù)輸入到導(dǎo)航定位軟件中自動(dòng)改正。

1.2.4 具體作業(yè)過程

系統(tǒng)校正完整后，進(jìn)行相應(yīng)的鋪排施工。一般要準(zhǔn)備4個(gè)水下定位信標(biāo)，將信標(biāo)固定在聯(lián)鎖排排體邊緣，分兩組循環(huán)使用。每組由兩個(gè)信標(biāo)組成，對(duì)稱分布于排體兩側(cè)，每組20-30m。當(dāng)聯(lián)鎖排鋪設(shè)時(shí)，某一組信標(biāo)到達(dá)水底穩(wěn)定后，測(cè)量其最終坐標(biāo)并釋放回收信標(biāo)設(shè)備，繼續(xù)進(jìn)行下一組的測(cè)量控制，如此循環(huán)完成排體的施工定位及檢測(cè)工作。

在施工過程中，通過鋪排軟件的坐標(biāo)成圖、對(duì)標(biāo)、報(bào)警等功能實(shí)現(xiàn)排體鋪設(shè)的測(cè)量控制，為下一張排體的鋪設(shè)、搭接提供最為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)成果。

1.2.5 設(shè)備管理

導(dǎo)航定位要連續(xù)工作、實(shí)時(shí)定位。導(dǎo)航系統(tǒng)要儲(chǔ)存多要素的資料、實(shí)時(shí)顯示，可供資料訂正及處理使用，儀器設(shè)備應(yīng)符合海洋調(diào)查規(guī)范，保證達(dá)到精度要求。導(dǎo)航記錄的數(shù)據(jù)應(yīng)有備份。

2 超短基線在海工工程水下定位施工中的優(yōu)勢(shì)

2.1 傳統(tǒng)的方法

傳統(tǒng)的水下定位作業(yè)，路由位置的檢測(cè)主要通過水面浮漂和潛水員水下探摸目視檢查來實(shí)現(xiàn)，在水深較深、流速較快的區(qū)域，拴系在海底管道的浮標(biāo)到水面后偏移實(shí)際位置較多，無法準(zhǔn)確測(cè)量并判定聯(lián)鎖排排體在水下的真實(shí)位置，準(zhǔn)確度偏差大，影響后續(xù)施工進(jìn)度和質(zhì)量，潛水員下水風(fēng)險(xiǎn)大，費(fèi)用高。

2.2 超短基線定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的測(cè)量定位及檢測(cè)方法相比，超短基線定位技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：①可對(duì)施工中的水下排體實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位及檢測(cè)，速度快、效率高，可實(shí)現(xiàn)鋪排施工的動(dòng)態(tài)控制;②檢測(cè)手段簡單，風(fēng)險(xiǎn)小，不用配備專用的檢測(cè)船及專業(yè)的潛水員，成本費(fèi)用較低;③檢測(cè)精度高，信息量豐富，有利于數(shù)據(jù)成果分析處理;④不受水深及排體檢測(cè)點(diǎn)多少的影響，易于實(shí)現(xiàn)全覆蓋檢測(cè)，檢測(cè)質(zhì)量高。

3 應(yīng)用實(shí)例

在埕島油田海底管道隱患治理工程施工過程中，聯(lián)鎖排鋪設(shè)總量達(dá)10.4萬m2，鋪設(shè)工作量大，工期長，精度要求高。施工區(qū)域作業(yè)條件復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的鋪排定位檢測(cè)方式將嚴(yán)重制約鋪排的進(jìn)度。根據(jù)項(xiàng)目需求，先后在海盛工六鋪排船上進(jìn)行了超短基線定位的實(shí)際應(yīng)用，大幅提高鋪排施工的進(jìn)度與質(zhì)量。

在施工定位與檢測(cè)中，將信標(biāo)定位實(shí)測(cè)排體，搭接符合鋪排施工作業(yè)要求。具體如下：①排體施工實(shí)測(cè)位置與設(shè)計(jì)位置較吻合;搭接滿足設(shè)計(jì)要求;有效避免了漏鋪排、補(bǔ)鋪排及重復(fù)鋪設(shè)等問題的發(fā)生，施工工效高且比較經(jīng)濟(jì);②超短基線所測(cè)量的排體位置離散度相對(duì)較低，測(cè)量坐標(biāo)點(diǎn)位比較集中，所有的測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)位置都集中在半徑為0.3 m的圓內(nèi)，測(cè)點(diǎn)的定位中誤差在0.2～0.6m之間，定位精度高，穩(wěn)定性好;③利用超短基線測(cè)量技術(shù)可以準(zhǔn)確定位，能比較準(zhǔn)確地反應(yīng)水下排體的真實(shí)搭接信息;④結(jié)合潮水情況來分析，在落潮施工過程中，短基線測(cè)量的排體連線位置略流向下游方向偏移;而平潮及初漲時(shí)，實(shí)測(cè)的排體位置與設(shè)計(jì)排體位置非常吻合。

4 結(jié)語

超短基線測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于聯(lián)鎖排鋪設(shè)施工的定位與檢測(cè)，是鋪排施工中定位控制與檢測(cè)工藝的創(chuàng)新。在勝利海上油田海工工程的實(shí)際應(yīng)用效果證明，其工藝先進(jìn)，作業(yè)方法及控制手段穩(wěn)定可靠，測(cè)量精度完全滿足施工的需求。超短基線測(cè)量技術(shù)在聯(lián)鎖排鋪排施工中的成功應(yīng)用，不但大幅提高鋪排施工的進(jìn)度與質(zhì)量，而且還可以有效降低施工作業(yè)成本，降低水下探摸的安全風(fēng)險(xiǎn)，可在同行業(yè)推廣應(yīng)用。