超短基線（USBL）定位技術在海工工程中的應用

劉勇

摘 要：超短基線測量定位技術是近年來水下聲學定位控制與檢測領域一項全新的應用技術。本文以勝利海上油田海底管道聯鎖排工程為案例，簡要闡述了超短基線測量定位技術在海工工程中的應用。通過與傳統作業方法的比對，提出利用該技術便捷，測量成果準確，建議推廣應用。

關鍵詞：超短基線;水下定位;海工工程;連鎖排

1 超短基線定位系統的工作流程

1.1 系統的組成及工作原理

超短基線定位系統主要由兩部分組成：水聲換能器及水下應答信標。換能器探頭里有多個水聽器，按三角形布陣，水聽器之間距離只有幾厘米。系統是根據聲波在水中傳播的往返時間及聲速來測量水聲換能器到水下信標的距離，利用安裝在水聲換能器探頭中的多個水聽器接收陣接收水下信標的應答信號的相位差來確定發射接收機相對船艏的方位。

1.2 水下定位作業工藝流程

1.2.1設備構成

USBL水下定位設備主要由以下部分構成：水聽器、導航控制單元、信標、電纜。但實際作業時還需要有工作船舶、電羅經、GPS系統、帶USBL版本的導航定位軟件以及電腦等配合使用。

1.2.2水下定位系統的安裝

USBL水下定位系統的安裝主要是針對水聽器的安裝，水聽器安裝時采用船舷安裝，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，同時要避開作業船側面推進器。

1.2.3 系統的校正

對USBL水下定位系統進行校正，因USBL安裝有內置姿態傳感器，所以無需對傾斜和搖擺進行校正，只需檢測水聽器零艏向和船艏向是否一致，即對方位的校正。在水聽器安裝完成后，將兩個信標分別放在船左舷、船中心線、船舷兩側和船尾4個不同的位置、不同的水深，反復進行應、答測試，在導航定位軟件屏幕上顯示的結果同選定的位置方位進行比較，從而獲得水下聲跟蹤定位系統水聽器零方向與船艏向的偏差改正數，將此改正數輸入到導航定位軟件中自動改正。

1.2.4 具體作業過程

系統校正完整后，進行相應的鋪排施工。一般要準備4個水下定位信標，將信標固定在聯鎖排排體邊緣，分兩組循環使用。每組由兩個信標組成，對稱分布于排體兩側，每組20-30m。當聯鎖排鋪設時，某一組信標到達水底穩定后，測量其最終坐標并釋放回收信標設備，繼續進行下一組的測量控制，如此循環完成排體的施工定位及檢測工作。

在施工過程中，通過鋪排軟件的坐標成圖、對標、報警等功能實現排體鋪設的測量控制，為下一張排體的鋪設、搭接提供最為準確的數據成果。

1.2.5 設備管理

導航定位要連續工作、實時定位。導航系統要儲存多要素的資料、實時顯示，可供資料訂正及處理使用，儀器設備應符合海洋調查規范，保證達到精度要求。導航記錄的數據應有備份。

2 超短基線在海工工程水下定位施工中的優勢

2.1 傳統的方法

傳統的水下定位作業，路由位置的檢測主要通過水面浮漂和潛水員水下探摸目視檢查來實現，在水深較深、流速較快的區域，拴系在海底管道的浮標到水面后偏移實際位置較多，無法準確測量并判定聯鎖排排體在水下的真實位置，準確度偏差大，影響后續施工進度和質量，潛水員下水風險大，費用高。

2.2 超短基線定位技術的優勢

與傳統的測量定位及檢測方法相比，超短基線定位技術有以下優點：①可對施工中的水下排體實現實時動態定位及檢測，速度快、效率高，可實現鋪排施工的動態控制;②檢測手段簡單，風險小，不用配備專用的檢測船及專業的潛水員，成本費用較低;③檢測精度高，信息量豐富，有利于數據成果分析處理;④不受水深及排體檢測點多少的影響，易于實現全覆蓋檢測，檢測質量高。

3 應用實例

在埕島油田海底管道隱患治理工程施工過程中，聯鎖排鋪設總量達10.4萬m2，鋪設工作量大，工期長，精度要求高。施工區域作業條件復雜，采用傳統的鋪排定位檢測方式將嚴重制約鋪排的進度。根據項目需求，先后在海盛工六鋪排船上進行了超短基線定位的實際應用，大幅提高鋪排施工的進度與質量。

在施工定位與檢測中，將信標定位實測排體，搭接符合鋪排施工作業要求。具體如下：①排體施工實測位置與設計位置較吻合;搭接滿足設計要求;有效避免了漏鋪排、補鋪排及重復鋪設等問題的發生，施工工效高且比較經濟;②超短基線所測量的排體位置離散度相對較低，測量坐標點位比較集中，所有的測點坐標位置都集中在半徑為0.3 m的圓內，測點的定位中誤差在0.2～0.6m之間，定位精度高，穩定性好;③利用超短基線測量技術可以準確定位，能比較準確地反應水下排體的真實搭接信息;④結合潮水情況來分析，在落潮施工過程中，短基線測量的排體連線位置略流向下游方向偏移;而平潮及初漲時，實測的排體位置與設計排體位置非常吻合。

4 結語

超短基線測量技術應用于聯鎖排鋪設施工的定位與檢測，是鋪排施工中定位控制與檢測工藝的創新。在勝利海上油田海工工程的實際應用效果證明，其工藝先進，作業方法及控制手段穩定可靠，測量精度完全滿足施工的需求。超短基線測量技術在聯鎖排鋪排施工中的成功應用，不但大幅提高鋪排施工的進度與質量，而且還可以有效降低施工作業成本，降低水下探摸的安全風險，可在同行業推廣應用。