CN102081170A - 基于声学长基线和超短基线组合定位的海底电缆二次定位方法 - Google Patents
基于声学长基线和超短基线组合定位的海底电缆二次定位方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明是地球物理勘探海底电缆二次定位方法，将应答器固定在待测海底电缆上，将水声换能器安装在测量船上，水声换能器中安置有两个换能器，两换能器组成超短基线阵，其中一个换能器为收发合置换能器，另一个仅作接收，换能器发出呼叫信号，应答器识别并发出应答信号，接收应答信号并进行处理计算出应答器的大地坐标，得出应答器在测量船的左右方位，确定应答器的准确位置及最终的大地坐标。本发明克服长基线定位镜像问题，提高了定位精度和可靠性，实现定位船在测线两测航行的随意性，方便海上定位施工，施工效率提高一倍，定位精度优于1米。
Description
技术领域
本发明属于水中地球物理勘探领域，是用于确定海上石油勘探中沉放到海底电缆地震信号接收器位置(第一次定位确定的已知放缆导航表面位置)的基于声学长基线和超短基线组合定位的海底电缆二次定位方法。
背景技术
在海上资源勘探中海底电缆地震勘探是一种广泛应用的勘探方法，它是利用投放在海底的安装有地震信号接收器来接收石油勘探数据。由于受到海流、潮汐、船速以及沉降速度的影响，海底电缆很难准确地与水面投放位置相同，直接影响地震信号的采集质量。目前采用声波定位系统对海底电缆进行水下声波定位测量的方法解决。
声学定位的方法和定位精度有所不同，长基线的定位精度最高，但成本高，建设难度大；短基线的精度次之，但基阵布设受到很大的限制；超短基线的精度比短基线略低，但使用方便灵活。《物探装备》2008年第18卷第01期公开了杨宝付等人的“二次定位技术在OBC勘探施工中的应用”，它是采用声学二次定位系统定位方法采用的都是长基线定位方法，
使用单个换能器的发射和接收、只计算出信号的走时，即发射信号到接收到信号的时延，在定位软件中对应答器大地坐标的解算时只用到时延信息，但这种方法有一个固有的缺点，就是导致应答器的位置的计算结果存在镜像问题，为克服这个问题，二次定位系统只能采取给定一次放缆导航的定位成果作为初始值来判定定位计算开始时的水下声学传感器在定位 船航线方向的左右关系。或者围绕测线两侧进行航行，来剔除该镜像点。这样定位效率低。
发明内容
本发明目的在于提供一种方便海上定位施工，克服长基线定位存在的镜像问题，可以实现在定位船在测线一侧航行即能定位，提高定位施工效率的基于声学长基线和超短基线组合定位的海底电缆二次定位方法。
发明提供以下技术方案，具体实施步骤是：
1)将应答器固定在待测海底电缆上且放置在预定的位置，将水声换能器安装在测量船上；
步骤1)所述的水声换能器中安置有两个换能器，两换能器组成超短基线阵，其中一个换能器为收发合置换能器，另一个仅作接收。
2)换能器发出呼叫信号，应答器识别并发出应答信号；
3)接收应答信号并进行处理；
步骤3)所述的处理是将接收到的信号进行自动增益放大、滤波，然后转换成数字信号，将数字信号进行时频变换，根据频谱获得频率序列，得到应答器回应的频率信号，计算换能器从发送信号到接收应答器回应信号之间的时延差，根据两个信道接收到应答器回应信号的相位差，确定待测应答器在测量船的左侧还是右侧；
4)根据以下公式计算换能器到待测应答器的距离；
Lki(t)＝0.5Δti*Vs
Lki(t)是某时刻换能器和待测应答器之间距离[m]，Vs是声波传播速度[m/s]，Δti是换能器发送信号到接收应答器回应信号之间的时间[s]；
5)用GPS测定目前换能器瞬时位置的大地坐标(Xk(t)，Yk(t)，Zk(t))， Lki(t)＝(Xk(t)-Xi)2+(Yk(t)-Yi)2+(Zk(t)-Zi)2
Lki(t)为步骤4)中算出的距离，(Xk(t)，Yk(t)，Zk(t))为换能器瞬时位置的大地坐标；(Xi，Yi，Zi)为待测应答器的待定坐标；
6)移动换能器的位置，经过三个以上历元的同步观测，根据步骤5)中的公式，计算出应答器的大地坐标；
7)利用步骤3)得出应答器在测量船的左右方位，排除步骤6)中算出镜像点，确定应答器的准确位置及最终的大地坐标。
本发明用长短基线定位技术的组合，克服长基线定位原理存在的镜像问题，同时利用长基线定位精度高和超短基线定位使用灵活方便的优点提高了定位精度和可靠性，实现定位船在测线两测航行的随意性，方便海上定位施工，通过这种方法的应用可以实现在定位船在测线一侧航行即能定位，定位施工效率提高一倍，定位精度优于1米。
具体实施方式
本发明提供一种方便海上定位施工，提高施工效率的基于声学长基线和超短基线组合定位的海底电缆二次定位方法，实现步骤是：
1)将应答器固定在待测海底电缆上且放置在预定的位置，将水声换能器安装在测量船上；
步骤1)所述的水声换能器中安置有两个换能器，两换能器组成超短基线阵，其中一个换能器为收发合置换能器，另一个仅作接收。
2)换能器发出呼叫信号，应答器识别并发出应答信号；
3)接收应答信号并进行处理；
步骤3)所述的处理是将接收到的信号进行自动增益放大、滤波，然后 转换成数字信号，将数字信号进行时频变换，根据频谱获得频率序列，得到应答器回应的频率信号，计算换能器从发送信号到接收应答器回应信号之间的时延差，根据两个信道接收到应答器回应信号的相位差，确定待测应答器在测量船的左侧还是右侧；
4)根据以下公式计算换能器到待测应答器的距离；
Lki(t)＝0.5Δti*Vs
Lki(t)是某时刻换能器和待测应答器之间距离[m]，Vs是声波传播速度[m/s]，Δti是换能器发送信号到接收应答器回应信号之间的时间[s]；
5)用GPS测定目前换能器瞬时位置的大地坐标(Xk(t)，Yk(t)，Zk(t))，Lki(t)＝(Xk(t)-Xi)2+(Yk(t)-Yi)2+(Zk(t)-Zi)2
Lki(t)为步骤4)中算出的距离，(Xk(t)，Yk(t)，Zk(t))为换能器瞬时位置的大地坐标；(Xi，Yi，Zi)为待测应答器的待定坐标；
6)移动换能器的位置，经过三个以上历元的同步观测，根据步骤5)中的公式，计算出应答器的大地坐标；
7)由于在步骤6)中算出的应答器位置为在船左右两侧的两个点，其中一个是应答器的准确位置，而另外一个是它的镜像点，利用步骤3)得出应答器在测量船的左右方位，排除镜像点，确定应答器最终的大地坐标。
本发明实测实验如下：安装设置差分GPS和换能器安装支架，测试水深、声速和水温。水深大约3～40米，声速为1470左右，水温从水面到水下10米基本变化不大。在选定的测试水域内打桩，每隔约50米左右插一根测量杆，共5根，在每一个测量杆的底部捆绑一个BPS应答器。五个测量杆组成一条测线。
使测量船围绕测线进行单边航行测量，定位结果与GPS测出的每个测 量杆大地坐标比较如下表。
表1单边测试8次实时定位结果与GPS测试位置比较
| 定位 次数 | 北坐标 (GPS) | 东坐标 (GPS) | 北坐标 (BPS) | 东坐标 (BPS) | 北坐标 差 | 东坐标 差 |
| 1 | 4352217.600 | 345585.100 | 4352217.475 | 345584.830 | -0.1250 | -0.2700 |
| 2 | 4352217.600 | 345585.100 | 4352218.163 | 345584.886 | 0.5630 | -0.2140 |
| 3 | 4352217.600 | 345585.100 | 4352217.511 | 345585.204 | -0.0890 | 0.1040 |
| 4 | 4352217.600 | 345585.100 | 4352217.278 | 345585.659 | -0.3220 | 0.5590 |
| 6 | 4352217.600 | 345585.100 | 4352217.844 | 345584.981 | 0.2440 | -0.1190 |
| 7 | 4352217.600 | 345585.100 | 4352217.531 | 345585.966 | -0.0690 | 0.8660 |
| 8 | 4352217.600 | 345585.100 | 4352218.094 | 345584.698 | 0.4940 | -0.4020 |
| 9 | 4352217.600 | 345585.100 | 4352217.470 | 345584.528 | -0.1300 | -0.5720 |
| 均值 | 4352217.600 | 345585.100 | 4352217.671 | 345585.094 | 0.0707 | -0.0060 |
试验表明本发明定位稳定正常可靠；定位结果与放缆位置很吻合，实现了海上二次定位中实现定位船在测线两端航行的随意性，方便海上定位施工。完成OBC的二次定位任务，提高施工效率。定位精度达到1米。
Claims (2)
1.基于声学长基线和超短基线组合定位的海底电缆二次定位方法，其特征在于实施步骤是：
1)将应答器固定在待测海底电缆上且放置在预定的位置，将水声换能器安装在测量船上，水声换能器中安置有两个换能器，两换能器组成超短基线阵，其中一个换能器为收发合置换能器，另一个仅作接收；
2)换能器发出呼叫信号，应答器识别并发出应答信号；
3)接收应答信号并进行处理；
4)根据以下公式计算换能器到待测应答器的距离；
Lki(t)＝0.5Δti*Vs
Lki(t)是某时刻换能器和待测应答器之间距离[m]，Vs是声波传播速度[m/s]，Δti是换能器发送信号到接收应答器回应信号之间的时间[s]；
5)用GPS测定目前换能器瞬时位置的大地坐标(Xk(t)，Yk(t)，Zk(t))，
Lki(t)＝(Xk(t)-Xi)2+(Yk(t)-Yi)2+(Zk(t)-Zi)2
Lki(t)为步骤4)中算出的距离，(Xk(t)，Yk(t)，Zk(t))为换能器瞬时位置的大地坐标；(Xi，Yi，Zi)为待测应答器的待定坐标；
6)移动换能器的位置，经过三个以上历元的同步观测，根据步骤5)中的公式，计算出应答器的大地坐标；
7)利用步骤3)得出应答器在测量船的左右方位，排除步骤6)中算出镜像点，确定应答器的准确位置及最终的大地坐标。
2.根据权利要求所述的基于声学长基线和超短基线组合定位的海底电缆二次定位方法，其特征在于步骤3)所述的处理是将接收到的信号进行自动增益放大、滤波，然后转换成数字信号，将数字信号进行时频变换，根据频谱获得频率序列，得到应答器回应的频率信号，计算换能器从发送信号到接收应答器回应信号之间的时延差，同时根据两个信道接收到应答器回应信号的相位差，确定待测应答器在测量船的左侧还是右侧。
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