超短基線（USBL）在OBN定位中的應用

張安寶 韋立光

中海油服物探事業部 天津 300451

OBN（Ocean Bottom Node，海底節點）是一種位于海底，可以獨立采集、記錄地震信號的多分量地震儀，可以在淺灘、過渡帶、平臺等復雜地形施工作業，其獨立采集的特點讓OBN作業區域更寬泛，作業方式更多樣，施工效率更高。特別是深水的OBS地震勘探中，OBN已經成為海洋地震采集的主要方法[1]。

在OBN地震勘探中，節點鋪放精度是直接決定地震資料好壞的因素之一。在鋪放過程中由于受到潮流、水中障礙物、海底泥層的不規則性等因素影響，節點在下水點的位置坐標和其實際沉放到海底的位置坐標存在著較大差異，這種差異會直接影響地震資料的好壞。所以海洋地震勘探對OBN施工作業的要求是：確定檢波點點位在海底的準確位置，使其精度盡可能滿足施工設計和作業指標要求，確保地震資料質量[2]。

1 OBN 施工方式和定位方法

OBN與拖纜、OBC的區別主要是OBN作為一個無需額外供電的獨立采集系統，可以單節點鋪放，也可以多個節點串聯起來鋪放。常規的施工方式是用繩子將多個節點按照一定的道間距，把整個施工設計排列上所有的節點串聯起來，按照測線的樁號順序一個個鋪放到海底，等完成地震資料采集后再將節點從海底回收。

因節點本身不具備聲學定位功能，需要在節點上綁定信標（聲學設備），通過確定信標在水下的位置來確定對應節點的位置。為了提高節點的鋪放精度，需要采用超短基線（USBL）聲學定位系統實時定位節點鋪放過程中節點的位置，利用作業船舶的位置調整，通過節點繩將受力傳導給節點，調整控制節點在水中下落過程中的運動狀態，使節點落在設計點位的范圍內。節點完成鋪放后，還要對水下節點進行二次聲學定位，確定節點在海底的真實位置，作為最終的成果資料。

2 超短基線（USBL）系統工作原理和應用

在國內外的OBN項目里，水深低于300米的項目都使用到了超短基線（USBL）聲學定位系統。相對于長基線定位系統，超短基線（USBL）使用更方便，更簡單，不用專門在海底鋪設聲學矩陣，就可以實時跟蹤單點信標，非常適合OBN節點作業的特點。

2.1 超短基線（USBL）系統組成和工作原理

超短基線（USBL）定位系統硬件由工作主機，聲學探頭（換能器基陣）、信標、編碼器等，另外還配備相關應用軟件。聲學探頭是包含1個信號發射器和多個接收器，依據廠家設備不同，接收器的數量和排列方式不同。發射器位于聲學探頭的中間，接收器環繞在發射器周圍。工作原理就是工作主機將信標的地址號發給聲學探頭，聲學探頭將電信號轉換成一定頻段的聲波信號，由發射器向水下的信標發射聲波信號，信標接收到聲波信號后，反饋對應地址和編碼器編譯的通道號給接收器，由多個接收器同時接收反饋信號，通過檢測計算信標信號到達多個接收器的時間差，計算出信標位于聲學探頭坐標系中的俯仰角、方位角等，然后根據測得的距離和姿態航向角度數據，結合GPS數據，計算出此時信標在水中準確位置。

2.2 超短基線（USBL）在節點鋪放過程中的應用

超短基線（USBL）的聲學探頭具有方向方位性，在安裝聲學探頭前，須確保探頭朝前方向與船首向保持平行。因聲學探頭與船中心坐標系不重合，存在著自身設備安裝偏差，同時外部的姿態儀和電羅經也存在安裝偏差，為了確保獲取高精度的定位數據，在超短基線（USBL）系統投入使用前須進行設備校準。在正常作業中，需要將超短基線（USBL）系統和綜合導航系統連接通信，利用綜合導航系統對超短基線（USBL）系統進行外部控制，二者通過串口實現指令控制和數據傳輸。

節點鋪放前，導航工作人員用編碼器按照一定的排列方式對信標進行地址通道配置，將這些信標一一掛在相應的節點上，同時導航人員在綜合導航系統上配置信標地址號、通道號、以及節點對應的測線號和樁號。在鋪放作業時，啟動綜合導航系統的定位功能，導航系統會根據當前船位信息，計算確認當前測線的樁號及對應的信標地址號，將該信標地址號通過串口發送給超短基線（USBL）系統，然后經由換能器基陣將相應地址號的頻段信號發射給水下的信標，等信標接收反饋回信號后，重新由超短基線（USBL）將該信標的距離、方位、坐標等信息傳輸給綜合導航系統，導航工作人員在監控界面能實時查看到水下信標與當前測線的位置關系，通過分析信標與測線的橫向偏差和縱向偏差，結合當前的水流情況，由導航工作人員與駕駛人員溝通，調整作業船舶的速度及航向，以便讓節點落到標準要求范圍。

2.3 超短基線（USBL）在二次定位中的應用

OBN沉放到海底后，需要對節點位置進行重新精準定位，以確定節點的真實位置，該過程稱為二次定位。二次定位分為聲學二次定位和初至波二次定位，因初至波在拾取觀測值時容易受到地層反射、折射等多方面因素影響，野值較多，需要花費較多的精力去篩查，影響現場施工效率，所以主流的二次定位方法是聲學二次定位[3]。

超短基線（USBL）進行聲學二次定位與節點鋪放流程的工作流程基本一樣，選擇需要定位的測線，配置該測線的聲學定位參數，包含：測線號樁號、信標地址通道號、選擇聲學定位模式等，然后啟動定位功能，系統內部之間的工作過程與節點鋪放一樣，二者區別在于聲學二次定位航行軌跡固定在測線的正上方，而鋪放節點需要根據節點位置調整船位。

當完成整條測線的聲學數據采收后，利用綜合導航系統的PPN聲學后處理節點，則需要對該條測線相應的原始聲學定位P294文件進行后處理，根據工區參數和環境因素，設置合理的門限值，去除掉觀測值的尖跳野值，處理后生成的SPS聲學定位文件，就是節點在海底的真實位置坐標信息，作為最終的成果文件上交存檔。

3 超短基線（USBL）應用效果

超短基線（USBL）聲學定位技術在國內外OBN項目中已經得到應用驗證，下面以南海某項目為例，該工區水深在62-80米之間，道間距50米，炮間距50米，要求放纜精度不應大于15米。下圖1和圖2是該工區的2525測線鋪放后用超短基線（USBL）進行的第一次聲學定位結果，從下圖中可以看到2525測線橫向偏差和縱向偏差都在15米范圍內，在節點鋪放過程中利用超短基線（USBL）對水下信標的實時動態監控調整，確實有效的提高了節點鋪放精度。

圖1 2525測線第一次定位結果縱向偏差

圖2 2525測線第一次定位結果橫向偏差

在勘探過程中，發現有拖網漁船在2525測線東頭（大樁號一邊）的進行漁業打撈，有可能影響到該測線水下節點的位置，為了能確定水下節點的準確位置，安排聲學定位船對2525測線重新進行聲學二次定位，兩次定位結果對比如下圖3、圖4所示：

圖3 2525測線拖動前后的縱向對比結果

圖4 2525測線拖動前后的橫向對比結果

從上圖中兩次定位結果的對比可以看出，2525測線在樁號6534-6662區間兩次定位結果不吻合，在縱向偏差和橫向偏差上都出現明顯的差異，可以確定水下節點發生位置變化，2525測線確實收到漁船拖動的影響，也驗證了超短基線（USBL）聲學定位能夠準確的采集計算到節點在海底的位置，有效保證OBN點位的定位精度。

超短基線（USBL）不僅僅可以應用于節點鋪放和聲學二次定位，還可以應用到可視化動態撈纜頭，將信標綁定到板錨上，實時監控板錨在水中的動態位置，通過調整船舶位置和板錨的配重，讓其將水下節點繩勾起，然后將水下節點回收，這種方式不僅簡單方便，作業效率也相比LRT的回收方式更高，也更節約成本【4-7】。

4 結束語

在OBN作業中利用超短基線（USBL）聲學定位系統實時監控水下節點的動態位置，科學的指導實現節點鋪放作業，讓節點點位落在合格范圍，避免點位超標而重新鋪放的問題；該技術應用于聲學二次定位，也能準確計算得到節點在海底的真實位置，保證節點的定位精度，從而保障地震資料的品質。