浅谈深拖作业中双船定位的技术优势

摘要： 在深拖作业中采用两条工作船，其中一条为追踪定位船，另一条为深拖拖曳船。深拖拖体的定位主要靠安装在追踪定位船侧舷的超短基线声学定位系统结合DGPS定位系统的方式对水下拖体进行定位。通过对超短基线定位特性的分析，并结合实际应用的案例，解释了深拖作业中采用双船作业的技术优势。

Abstract： Two working ships are used in deep towing operation， one for tracking and positioning， and the other for deep towing. The positioning of deep towing object is mainly by the ultra-short baseline acoustic positioning system installed in the side of the tracking and positioning ship combined with DGPS positioning system. Through the analysis of the characteristics of the ultra-short baseline positioning， and combined with practical application cases， this paper explains the technical advantage of double ship operation in deep towing.

关键词： 深拖作业；超短基线；双船作业；定位

Key words： deep towing operation；ultra short baseline；double ship operation；positioning

中图分类号：TE5；U674.35 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）21-0056-02

0 引言

由于深水油气田具有巨大的开发潜力以及广阔的前景，因此，在今后较长的一段时间内，向深海要石油已经成为一种发展的必然趋势，从而致使深海勘探和开发技术已经成为国际海洋石油界的研究热点。深托作业通常使用超短基线（USBL）设备进行水下定位，虽然在深水工程勘察已经发展的相当成熟，但是仍旧面临选择单船作业和双船作业选择的问题[1]。本文通过对超短基线定位特性的分析，指出了双船定位的技术优势。

1 双船定位作业模式

在深拖作业中，双船作业模式：一条追踪定位船，一条深拖拖曳船。深拖系统水下拖体的定位主要靠安装在追踪定位船侧舷的USBL声学定位系统结合DGPS定位系统的方式对水下拖体进行定位。

追踪定位船上的导航系统将GPS天线接收到的位置信息，实时传输至USBL声学定位系统中，USBL声学定位系统软件结合USBL收发探头与水下拖体的相对位置信息及GPS天线与USBL收发探头之间的偏移距推算出水下拖体的位置信息。追踪定位船再将拖体的位置信息通过无线电数据链发送给拖曳船，通过时间匹配将位置信息整合到工程勘察采集资料中。（见图1）

2 双船定位技术优势分析

2.1 超短基线定位原理

发射换能器、应答器以及接收基阵三部分共同组成了超短基线定位系统。在船上安装发射换能器和接收基阵，在下水载体上安装应答器，当发射换能器发出一个声脉冲时，应答器接收后就会回发声脉冲，接收基阵收到后不仅会对X、Y两个方向的相位差进行测量，还能够根据声波的到达时间计算出水下装置距离基阵的距离R，从而得到水下探测器在平面坐标上的位置以及水下探测器的深度。如图2，x轴指向船头，y轴指向右舷，z轴指向海底，坐标原点取在参考接收单元上[2]。

目标的位置可由下式确定：

x=■

y=■

H=■

R=■c×t

ψ=tg-1■

式中，c，λ分别为声速和接收阵处的波长，D为基线长度，通常他们是已知量。φx，φy分别为x方向和y方向上两个接收单元接收信号的电相位差。t为双程传播时间。当这些量给定后，目标相对接收阵的位置（x，y，H）及目标相对舰艏的方位ψ及斜距R就唯一确定了。

实际作业过程中，由于船体和水流等噪音的影响，以及设备安装方面的原因，都会产生定位误差，。噪声引起的定位误差称为随机误差，其均方差用δx、δy来表示。

2.2 超短基线定位特性分析

2.2.1 定位综合误差■x和入射角Qmz的关系

当目标在接收阵的正下方时Qmz=0，此时δx、δy、x、y均为零。由于声线垂直入射没有弯曲所以Δφx=0，此时

■x≈2H■

此式表明，在Qmz=0的情况下，系统仅存在着随机定位误差并且只和水深H及δ■有关。这结论在Qmz？刍15°的情况下大体上也是适用的。因此在这个范围内降低δ■、

δ■是提高定位精度的有效措施[3]。

随着Qmz的增加，声线弯曲愈趋严重。如果水深不变，则Qmz增加x值亦增加，信噪比随之下降。因此定位的系统误差和随机误差都将随之迅速恶化。

2.2.2 目标位置的分辨率和波束开角Qmz的关系

由鉴相公式可知：

φx=■cosQmz

则■=■sinQmx

显然当Qmx=π/2，dφ■/dQ■=■为最大值。因此当目标在yoz平面内，x值有最好的分辨率。当Qmx→0时，dφ■/dQ■→ox的分辨率逐渐变差，这意味着当声线沿着ox轴或近乎水平入射时，目标的x值将无法辨认。对于y方向也有同样的结果。这说明，对于超短基线定位系统来说，只有在波束开角Q■很小的锥体内，目标才有好的定位精度和位置分辨率。

2.2.3 方位角ψ的均方差δψ和Q■的关系

δψ=cos2■

可以证明当R远大于H时，

δx≈πcosψ

δy≈πsinψ

假定δφx=δφy=δφ，则δψ=■

可见目标的方位角只取决于相位测量的信噪比。在同样的信噪比的条件下导航的范围远大于定位的范围。

2.3 技术优势

根据上述分析，超短基线的定位功能大体上可以分为以下三个区域：

精确定位区，入射角Qmz？刍30°，定位精度一般高于长基线定位方式，主要用于高精度定位。

获得区，入射角30°？刍Qmz？刍60°，定位精度低于长基线定位方式。

定向区，入射角Qmz？酆60°，一般不能用来定位，只能为目标导航。

在深拖作业中，拖体深度与拖缆长度的一般比例是1：3，如果换能器安装在拖曳船上，此时波束开角Qmz？酆60°，超短基线只能用来确定拖体的方位，不能对水下拖体进行精确定位。如果采用双船作业模式，定位跟踪船始终保持在水下拖体的正上方，这就使得超短基线波束的开角Qmz保持在一个很小的范围内，极大地提高了水下拖体的定位精度，确保了作业的定位质量。

3 应用实例

中建某井场位于南海西部中建南盆地中建凹陷内，中建南盆地地处南海陆架和南海海盆之间，为被动大陆边缘型陆坡盆地。井场区域水深约1000-1300米。中海油田服务股份有限公司于2013年采用深拖作业方式对该井场进行了勘察作业。

本次深拖作业采用双船作业模式，作业过程中，拖曳船与拖体的距离接近3km，深拖拖体的主要靠安装在追踪定位船侧舷的Sonardyne RangerPro USBL声学定位系统结合DGPS定位系统的方式对水下拖体进行定位。定位追踪船追踪到拖体后，通过控制自身的船速，使定位追踪船与拖体的距离始终保持在50米范围内。整个作业过程中，超短基线工作状态良好，定位数据的跳跃与漂移现象明显减少。

4 结语

在深托作业中，由于单船作业模式的声波入射角较小，从而声线折射会严重影响托鱼上的应答器与拖拽船上的USBL换能器之间的通讯，因此，降低了定位的精度。但是如果采用双船作业模式，由于追踪船处于托鱼正上方而使得通讯声波的入射角接近90°，从而最大限度的降低了声线折射的影响，因此，对于水下托体运动的变化规律能够进行较好的反映。

参考文献：

[1]汤民强，毕永良.深海路由勘察中深拖与AUV的技术对比[J].海洋测绘，2008，28（6）：79-82.

[2]韩瑞宁，周东辉.超短基线定位系统误差的误差分析[J].仿真技术，2008，24（3）：161-162.

[3]费业泰主编.误差理论与数据处理[M].机械工业出版社，1981：50-59.