CN107128442A - 基于rov前视声纳的深水海底设备精确定位布放方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于ROV前视声纳的深水海底设备精确定位布放方法，包括：主节点布放；设定水下基准点；施工船移位；次节点或水下监测设备的测向、测距；根据布放规划，确认是否还有未被布放的次节点或水下监测设备，若还有未被布放的次节点或水下监测设备，重新执行之前步骤，直至所有次节点或水下监测设备均已布放。本发明的有益效果是降低工程建设成本，施工操作简便，定位效果直观，定位精度高。

Description

基于ROV前视声纳的深水海底设备精确定位布放方法

技术领域

本发明涉及水下精确定位布放领域，特别涉及基于ROV前视声纳的深水海底设备精确定位布放方法。

背景技术

海底观测网络系统通常是指由岸基站、光电复合缆、水下设备(包括主节点、次节点以及水下监测设备)组成的能够对海底区域进行长期实时探测、传输数据、采集分析样品以及进行原位实验的自动网络系统，是国际海洋界公认的人类探测海洋的第三个观测平台。其中主节点的主要功能为高压转中压电能变换与光信号传输，次节点主要功能为中压转低压电能变换与数据传输，水下监测设备由不同类型水下监测传感设备组成。水下各设备的连接方式为：主节点与光电复合缆连接；主、次节点与水下监测设备之间采用水下机器人ROV操作湿插拔延长缆连接，该接驳方式可实现水下观测设备的灵活增减、升级、扩展与维护等功能。主、次节点以及水下监测设备的信号传输方式通过以太网通信方式传输，而现有以太网电信号链路的传输距离极限为100米，因此实际应用中水下组网电信号湿插拔延长缆的长度通常选为50-80米。由于虑及水下设备内部连接固定、电缆弯曲等情况，水下组网不同设备两两之间距离应在30-50米以内范围，并考虑水下组网设备接驳设备较多，因此对水下精确定位布放要求带来极大的挑战。

根据以上定位布放作业需求，在施工中需要获取两目标或多目标在相对坐标系的实时位置关系和分米级的定位精度，即相对坐标系下的高精度定位作业。目前，由于水下光传输距离限制，水下工程中通常采用声学手段进行水下定位。水声定位系统按基线长度分为长基线定位系统、短基线定位系统及超短基线定位系统三类。长基线定位系统的优点是定位精度与水深无关，在较大的范围内可以达到较高的相对定位精度；但其缺点是系统复杂、操作繁琐、费用昂贵，且需要长时间布设和回收海底声基阵，并需对海底声基阵校准测量，因此如采用长基线定位布放将大大增加水下工程的建设成本。短基线和超短基线定位系统的优点是系统的构成简单、操作方便、不需要组建水下基线阵；但缺点是水下定位精度与水深和工作距离严重相关，随着水深增加即工作距离增加，定位精度也随之明显下降，如行业内标杆产品——法国IXBLUE公司的Posidonia6000型长程超短基线定位系统的实际使用定位精度：不超过工作斜距离的0.5％，则意味着对于2000米的深水海底定位，其实际水下定位误差应大于10米。因此在深水条件下，现有的基于短基线/超短基线存在水下定位精度较差，水下作业时间长等缺点，且随着主节点附件组网设备的增加，采用短基线/超短基线水声定位方式还易导致不同水下设备的ROV湿插拔电缆相互叠压、交叉，进而导致后期维护困难等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的水声定位系统成本高，或精度较差的缺陷，从而提供一种能够简单、方便的定位布放方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于ROV前视声纳的深水海底设备精确定位布放方法，包括：

步骤1)、主节点布放；该步骤进一步包括：

施工船在主节点布放位置附近开启动力定位模式，通过释放器吊放与海缆连接的主节点；ROV开启摄像头与主节点同步下潜以监视水下吊放状态，待主节点至海底附近时，ROV潜至海床，确认海床情况和吊放状态，施工船启动释放器释放主节点，主节点着床；ROV抵近观测主节点着床状态；

步骤2)、设定水下基准点；该步骤进一步包括：

将ROV移动到主节点的后方数米处，平稳坐底；开启ROV前部前视声纳进行扫描，若主节点出现在ROV前视声纳扫描视图5米范围内，将主节点作为水下设备布放位置定位与距离测量的基准点；

步骤3)、施工船移位；该步骤进一步包括：

按照布放规划，采用动力定位模式控制施工船移动至次节点布放设备水面位置并保持原位，同时增加ROV脐带缆入水长度；采用释放器吊放次节点入水，同时适当调整艏向，避免钢丝绳与ROV脐带缆缠绕；

步骤4)、次节点或水下监测设备的测向、测距；该步骤进一步包括：

当次节点或水下监测设备至海床附近，利用ROV的前视声纳实时扫描获得次节点与主节点相对位置关系，或水下监测设备与次节点相对位置关系；其中，所述相对位置关系包括相对夹角与相对距离；施工船根据声纳成像结果实时微调船位，以调整次节点与主节点相对位置，或水下监测设备与次节点相对位置，从而实现所要求的相对方向和距离；待其到达设定位置时，降低次节点或水下监测设备距海床距离，启动释放器令次节点或水下监测设备着床；

步骤5)、根据布放规划，确认是否还有未被布放的次节点或水下监测设备，若还有未被布放的次节点或水下监测设备，重新执行步骤3)和步骤4)，直至所有次节点或水下监测设备均已布放。

上述技术方案中，在步骤4)中，利用ROV的前视声纳实时扫描图像中的测量刻度线获得次节点与主节点相对位置关系，或水下监测设备与次节点相对位置关系。

本发明的优点在于：

(1)降低成本：无需购置昂贵的长基线水下定位系统，且节省了大量布放和回收海底声基阵以及海底声基阵校准测试所花费的船时，大大降低工程建设成本。

(2)操作简便：随着ROV的发展进步，因其水下作业能力强、直观、配置便捷在海洋水下工程领域得到广泛应用，逐渐成为海洋工程船的标准配置。海洋工程船上技术人员可以熟练操作ROV进行海底作业。

(3)定位效果直观：通过操作ROV在海底开启前视成像声纳，能够直观的获取水下设备间的相对位置关系图像，能够直观的调整待布放设备与基准设备之间的相对位置关系。

(4)定位精度高：ROV系统所装备的前视声纳工作频率高，距离分辨率达到分米级。

附图说明

图1是ROV与水下主节点同步下潜示意图。

图2是水下次节点布放位置调整示意图。

图3是水下次节点布放精确定位的原理示意图。

图4是水下监测设备布放精确定位的原理示意图。

图面说明

1 施工船 2 ROV

3 前视成像声纳 4 主节点

5 次节点 6 释放器

7 海底光电复合缆 8 次节点

9 湿插拔延长缆 10 水平距离和角度的测量刻度线

11 水下监测设备

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

在一个实施例中，船载ROV系统所装备的前视声纳的工作频率为650kHz，视角为180°×40°，有效探测距离在0-100米，距离分辨率达到分米级，具有在水下一定范围内的精确定位性能。在此类ROV前视声纳的基础上，本发明的深水海底设备精确定位布放方法充分利用ROV水下移动灵活与前视声纳设备可进行100米距离、分米级高精度障碍物探测的技术优点，实现水下设备的精确定位与布放。

本发明的深水海底设备精确定位布放方法包括以下步骤：

步骤1)、主节点布放：施工船在主节点布放位置附近开启动力定位(DP)模式，通过船尾A型架钢丝绳连接释放器，吊放与海缆连接的主节点；ROV开启摄像头与主节点同步下潜以监视水下吊放状态。待主节点离海底小于2米时；ROV潜至海床，确认海床情况和吊放状态，施工船通过甲板单元，启动释放器释放主节点，主节点着床；ROV抵近观测主节点着床状态。

步骤2)、水下基准点设定：将ROV移动到主节点的后方数米处，平稳坐底；开启ROV前部前视声纳进行扫描，此时主节点应出现在ROV前视声纳扫描视图5米范围内，将主节点作为水下设备布放位置定位与距离测量的基准点。

步骤3)、施工船移位：按照布放规划，采用DP模式控制施工船移动至次节点布放设备水面位置并保持原位；同时适当增加ROV脐带缆入水长度。采用施工船船尾A型架钢丝绳连接释放器吊放次节点入水，同时适当调整艏向，避免钢丝绳与ROV脐带缆缠绕。

步骤4)、次节点或水下监测设备测向、测距：当次节点或水下监测设备至海床附近(离海底高度约5米)，利用ROV的前视声纳实时扫描获得次节点与主节点相对位置关系，或水下监测设备与次节点相对位置关系；其中，所述相对位置关系包括相对夹角与相对距离。施工船根据声纳成像结果实时微调船位，以调整次节点与主节点相对位置，或水下监测设备与次节点相对位置，从而实现所要求的相对方向和距离。待其到达设定位置时，降低次节点或水下监测设备距海床距离，启动释放器令次节点或水下监测设备着床。

步骤5)、布放下个水下设备：根据布放规划，确认是否还有未被布放的次节点或水下监测设备，若还有未被布放的次节点或水下监测设备，重新执行步骤3)和步骤4)，直至所有次节点或水下监测设备均已布放。

通过本发明的深水海底设备精确定位布放方法，实现了对水下设备布放时的精确定位，保证了海底观测网水下设备布放后的相对位置，达到了布放和后续ROV湿插接作业要求。

为了便于理解，在下文中结合附图对本发明方法的实现流程做了进一步说明。

图1是ROV与水下主节点同步下潜示意图。在图1中，主节点4布放时，操作ROV 2开启摄像头与主节点4同步下潜，以监视主节点4的水下吊放状态。

图2是水下次节点布放位置调整示意图。在图2中，主节点4布放完成，操作ROV 2移动到主节点4的正后方数米处，并平稳坐底。开启ROV 2前部的前视声纳3进行扫描，此时主节点4出现在ROV前视声纳扫描视图5米范围内，将主节点4作为水下设备布放位置定位与距离测量基准点；接着，通过施工船1船尾A型架钢丝绳连接释放器吊放次节点5入水，并到达海床附近(如离海底高度约5米)；然后，通过ROV 2上的前视成像声纳3实时扫描图像，获得次节点5与主节点4相对位置关系的声纳图像，所述相对位置关系包括主节点4与次节点5相对位置夹角和相对距离；再然后，根据主节点4和次节点5相对位置关系的声纳图像结果实时微调船位，以调整次节点5与主节点4相对位置，即次节点5相对前视成像声纳扫描水平中心线夹角约30度，相对测量基准点距离约30米；最后，根据前视成像声纳图像确认次节点5与主节点4相对位置调整(图中列举相对距离由60米调整到30米的情况，实际为平面二维调整)符合要求后，启动释放器6释放次级节点并着床，次节点布放完成。

图3是水下次节点布放精确定位的原理示意图。在图3中，海底光电复合缆7与主节点4连接，次节点5和次节点8分别通过湿插拔延长缆9与主节点4相连；通过ROV 2上的前视成像声纳3实时扫描图像上水平距离和角度的测量刻度线10显示次节点5和次节点8与主节点4的相对距离和角度；微调船位以调整次节点5和次节点8与主节点4的相对距离和角度符合要求后，启动释放器，分别布放次级节点到海底。

图4是水下监测设备布放精确定位的原理示意图。在图4中，主节点与次节点已布放完成。操作ROV移动到次节点后方坐底，开启ROV前视声纳扫描，通过声纳图像上水平距离和角度的测量刻度线10显示水下监测设备11分别与次节点5或次节点8的相对距离和角度。调整合适后，分别布放到海底，然后通过湿插拔延长缆9进行次节点与水下监测设备的连接。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种基于ROV前视声纳的深水海底设备精确定位布放方法，包括：

步骤1)、主节点布放；该步骤进一步包括：

施工船在主节点布放位置附近开启动力定位模式，通过释放器吊放与海缆连接的主节点；ROV开启摄像头与主节点同步下潜以监视水下吊放状态，待主节点至海底附近时，ROV潜至海床，确认海床情况和吊放状态，施工船启动释放器释放主节点，主节点着床；ROV抵近观测主节点着床状态；

步骤2)、设定水下基准点；该步骤进一步包括：

将ROV移动到主节点的后方数米处，平稳坐底；开启ROV前部前视声纳进行扫描，若主节点出现在ROV前视声纳扫描视图5米范围内，将主节点作为水下设备布放位置定位与距离测量的基准点；

步骤3)、施工船移位；该步骤进一步包括：

按照布放规划，采用动力定位模式控制施工船移动至次节点布放设备水面位置并保持原位，同时增加ROV脐带缆入水长度；采用释放器吊放次节点入水，同时适当调整艏向，避免钢丝绳与ROV脐带缆缠绕；

步骤4)、次节点或水下监测设备的测向、测距；该步骤进一步包括：

当次节点或水下监测设备至海床附近，利用ROV的前视声纳实时扫描获得次节点与主节点相对位置关系，或水下监测设备与次节点相对位置关系；其中，所述相对位置关系包括相对夹角与相对距离；施工船根据声纳成像结果实时微调船位，以调整次节点与主节点相对位置，或水下监测设备与次节点相对位置，从而实现所要求的相对方向和距离；待其到达设定位置时，降低次节点或水下监测设备距海床距离，启动释放器令次节点或水下监测设备着床；

步骤5)、根据布放规划，确认是否还有未被布放的次节点或水下监测设备，若还有未被布放的次节点或水下监测设备，重新执行步骤3)和步骤4)，直至所有次节点或水下监测设备均已布放。

2.根据权利要求1所述的基于ROV前视声纳的深水海底设备精确定位布放方法，其特征在于，在步骤4)中，利用ROV的前视声纳实时扫描图像中的测量刻度线获得次节点与主节点相对位置关系，或水下监测设备与次节点相对位置关系。