深拖水下定位系統解析

陳小冬

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

關鍵詞：深拖DT-1;Ranger 2 Gyro USBL;導航定位

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 深拖系統是一套成熟的、目前在全世界有大量用戶的深海拖曳系統，系統可以在一次拖曳作業中獲得多波束測深數據、側掃聲吶數據、淺地層剖面數據以及其他傳感器數據如聲速數據、壓力傳感器數據等。DT-1系統的工作水深為3000m，拖體本身具有正浮力，在作業時依靠550kg的壓載器將拖體沉入深水中，拖體通過50m臍帶纜、壓載器、鎧裝纜和數據采集終端連接進行數據采集。在作業船速保持3節航行時，鎧裝纜投放長度一般為水深的2-2.5倍，按照深水井場一般作業深水1500m計算，鎧裝纜的投放長度3000m左右。面對傳統淺海水下拖體定位的模式，一般采用增加后拖距離計算水下拖體的大約位置。在深水井場調查作業中，這種傳統的作業模式已經不能滿足水下高精度定位的需要。在深水區域做井場調查，由于受海底流向、拖體通信電纜長度的影響，提高拖體定位精度就顯得尤為重要。Ranger 2 Gyro USBL水下聲學定位系統是工程勘察作業公司引進專用于深水拖曳設備定位，該系統具有定位精度高，跟蹤目標距離遠的特點，有效提高深水井場調查深拖作業數據采集質量。

1? Ranger 2 Gyro USBL聲學定位系統

Sonardyne公司推出了全新的第二代寬帶數字技術WideBand 2，在此技術的基礎上Sonardyne發布了全新的第六代硬件系統。其中作為水下聲學定位的Ranger 2 USBL系統的性能較以往的所有系統在信號處理和數據的精度方面有了非常的提升，系統能夠同時跟蹤10個水下目標物，可以采用CIS（通用問訊信號）的工作方式確保1Hz的定位信息更新（與水深和距離無關），系統有420個通道可用，確保了大面積和大量水下目標的同時跟蹤和定位而無相互的干擾。Ranger 2 USBL是英國Sonardyne公司全新第二代寬帶水下聲學定位系統。這套系統最顯著特點發射接收機Type 8142-001換能器自帶30°的彎角[2]。能實現遠距離跟蹤拖曳設備，保障其定位精度。該系統性能如下：

①系統的跟蹤距離能夠達到6000-7000m（與水深和外界的聲學環境有關）;

②系統的測距精度理論上能夠達到6mm;

③系統兼容老的模擬信標HPR、上一代信標WSM，以及C5、C6、WMT等;

④系統采用了全新的軟件操作系統。

1.1 Ranger 2 Gyro USBL定位系統安裝

USBL水下定位系統的安裝主要是針對發射接收機的安裝，深拖作業采用船舷安裝，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運動。安裝發射接收機時主要常規要求：

①把收發機裝在剛性固定桿上，并且盡可能地減少振動和換能器在船航行時的自由運動，影響換能器的主要來源是船上機械振動和換能器在水下運動形成的渦流。

②確定換能器前向指示箭頭的方向指向船艏方向。

③發射接收機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動時通過換能器的氣泡產生的噪聲。盡量遠離噪聲源和氣泡例如螺旋槳推進器或者其他產生氣流的地方等。

1.2 Ranger 2 Gyro USBL定位系統校準

Ranger 2 USBL的發射接收機通過船側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的固定方式會造成安裝桿無法處在絕對垂直的位置，這就會帶來Pitch、Roll的安裝誤差，發射接收機的艏向安裝誤差會給測量結果帶來直接的位置偏移。因此這個誤差數據需要進行動態校準。Heading的誤差會直接影響所定位的水下地拖體平面坐標內的誤差，因此我們要找出Ranger 2 USBL發射接收機的水平角度誤差。

深拖USBL水下定位系統定位精度測量在深水井場調查BY28-1-1（1270m）海域處進行，作業船是南海救助局169船，該船是常規動力船舶。到達作業工區后進行聲速測量，將定位信標DPT投放在測試區域，通過Ranger 2采集軟件跟蹤到達海床的DPT信標，這時以DPT為中心，600m距離為半徑設計測線采集數據。執行CASIUS 校準程序：

①完成CASIUS 校準前的所有準備;

②從菜單欄選擇“CASIUS〉Do CASIUS calibration…”顯示CASIUS 校準對話框;

③安裝系統自動提示，依次操作，最終完成數據采集，出具校準報告;

④將CASIUS 校準方法得到的系統報告，應用到Ranger 2軟件，軟件將自動校準得到的Pitch=29°、Roll=0.17°、Heading=2.13°補償值補償到系統參與運算。

2? 深拖拖體航跡定位精度

深拖調查作業中，使用Ranger 2系統進行水下定位， Ranger 2水下定位系統校準后拖體軌跡對比見圖2。深水井場作業水深1270m，釋放鎧裝電纜長度2918m，拖體離海底高度40-60m。根據水下定位信標信號記錄的拖體位置跳躍很?。ㄏ噜彾ㄎ粩祿c之間），精度很高，航跡上顯示很平整。

通過測試發現，Ranger2定位精度高，接收信號好。定位深水拖曳設備的最大作業水深可達1600m。如果甲方嚴格要求，包括定位數據誤差、拖體高度等都有較高技術規定，那么水深超過1600m就需要考慮雙船作業的情況。

3? 結語

深拖系統是工程勘察作業公司近年來從國外引進的大型工程勘察設備之一，是公司進軍深水工程勘察的利器，其作業水深達到3000m。當拖體在水下航行時，工作母船主要通過超短基線通過安裝在拖體上定位信標，來實時跟蹤拖體的水下位置。Ranger2系統發射接收機自帶30°角換能器發射面較大程度地解決遠距離拖曳設備的定位問題。深拖系統在南海已完成了多個深水井場調查項目，最大作業水深1600多米，資料采集質量及作業效率得到客戶的高度認可，為公司創造了良好的經濟和社會效益。

參考文獻：

[1]中海油服物探事業部工程勘察作業公司.深水井場調查初步報告[R].2011-9.

[2]Ranger 2 Reference Manual.

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