超短基线（USBL）定位技术在海工工程中的应用

刘勇

摘 要：超短基线测量定位技术是近年来水下声学定位控制与检测领域一项全新的应用技术。本文以胜利海上油田海底管道联锁排工程为案例，简要阐述了超短基线测量定位技术在海工工程中的应用。通过与传统作业方法的比对，提出利用该技术便捷，测量成果准确，建议推广应用。

关键词：超短基线;水下定位;海工工程;连锁排

1 超短基线定位系统的工作流程

1.1 系统的组成及工作原理

超短基线定位系统主要由两部分组成：水声换能器及水下应答信标。换能器探头里有多个水听器，按三角形布阵，水听器之间距离只有几厘米。系统是根据声波在水中传播的往返时间及声速来测量水声换能器到水下信标的距离，利用安装在水声换能器探头中的多个水听器接收阵接收水下信标的应答信号的相位差来确定发射接收机相对船艏的方位。

1.2 水下定位作业工艺流程

1.2.1设备构成

USBL水下定位设备主要由以下部分构成：水听器、导航控制单元、信标、电缆。但实际作业时还需要有工作船舶、电罗经、GPS系统、带USBL版本的导航定位软件以及电脑等配合使用。

1.2.2水下定位系统的安装

USBL水下定位系统的安装主要是针对水听器的安装，水听器安装时采用船舷安装，该方式具有较大的灵活性，便于安装和拆除。安装时水听器必须探出船底，并将水听器零艏向与船艏向保持一致，其在船体纵向上的位置，以距离船尾1/3 附近比较合适，同时要避开作业船侧面推进器。

1.2.3 系统的校正

对USBL水下定位系统进行校正，因USBL安装有内置姿态传感器，所以无需对倾斜和摇摆进行校正，只需检测水听器零艏向和船艏向是否一致，即对方位的校正。在水听器安装完成后，将两个信标分别放在船左舷、船中心线、船舷两侧和船尾4个不同的位置、不同的水深，反复进行应、答测试，在导航定位软件屏幕上显示的结果同选定的位置方位进行比较，从而获得水下声跟踪定位系统水听器零方向与船艏向的偏差改正数，将此改正数输入到导航定位软件中自动改正。

1.2.4 具体作业过程

系统校正完整后，进行相应的铺排施工。一般要准备4个水下定位信标，将信标固定在联锁排排体边缘，分两组循环使用。每组由两个信标组成，对称分布于排体两侧，每组20-30m。当联锁排铺设时，某一组信标到达水底稳定后，测量其最终坐标并释放回收信标设备，继续进行下一组的测量控制，如此循环完成排体的施工定位及检测工作。

在施工过程中，通过铺排软件的坐标成图、对标、报警等功能实现排体铺设的测量控制，为下一张排体的铺设、搭接提供最为准确的数据成果。

1.2.5 设备管理

导航定位要连续工作、实时定位。导航系统要储存多要素的资料、实时显示，可供资料订正及处理使用，仪器设备应符合海洋调查规范，保证达到精度要求。导航记录的数据应有备份。

2 超短基线在海工工程水下定位施工中的优势

2.1 传统的方法

传统的水下定位作业，路由位置的检测主要通过水面浮漂和潜水员水下探摸目视检查来实现，在水深较深、流速较快的区域，拴系在海底管道的浮标到水面后偏移实际位置较多，无法准确测量并判定联锁排排体在水下的真实位置，准确度偏差大，影响后续施工进度和质量，潜水员下水风险大，费用高。

2.2 超短基线定位技术的优势

与传统的测量定位及检测方法相比，超短基线定位技术有以下优点：①可对施工中的水下排体实现实时动态定位及检测，速度快、效率高，可实现铺排施工的动态控制;②检测手段简单，风险小，不用配备专用的检测船及专业的潜水员，成本费用较低;③检测精度高，信息量丰富，有利于数据成果分析处理;④不受水深及排体检测点多少的影响，易于实现全覆盖检测，检测质量高。

3 应用实例

在埕岛油田海底管道隐患治理工程施工过程中，联锁排铺设总量达10.4万m2，铺设工作量大，工期长，精度要求高。施工区域作业条件复杂，采用传统的铺排定位检测方式将严重制约铺排的进度。根据项目需求，先后在海盛工六铺排船上进行了超短基线定位的实际应用，大幅提高铺排施工的进度与质量。

在施工定位与检测中，将信标定位实测排体，搭接符合铺排施工作业要求。具体如下：①排体施工实测位置与设计位置较吻合;搭接满足设计要求;有效避免了漏铺排、补铺排及重复铺设等问题的发生，施工工效高且比较经济;②超短基线所测量的排体位置离散度相对较低，测量坐标点位比较集中，所有的测点坐标位置都集中在半径为0.3 m的圆内，测点的定位中误差在0.2～0.6m之间，定位精度高，稳定性好;③利用超短基线测量技术可以准确定位，能比较准确地反应水下排体的真实搭接信息;④结合潮水情况来分析，在落潮施工过程中，短基线测量的排体连线位置略流向下游方向偏移;而平潮及初涨时，实测的排体位置与设计排体位置非常吻合。

4 结语

超短基线测量技术应用于联锁排铺设施工的定位与检测，是铺排施工中定位控制与检测工艺的创新。在胜利海上油田海工工程的实际应用效果证明，其工艺先进，作业方法及控制手段稳定可靠，测量精度完全满足施工的需求。超短基线测量技术在联锁排鋪排施工中的成功应用，不但大幅提高铺排施工的进度与质量，而且还可以有效降低施工作业成本，降低水下探摸的安全风险，可在同行业推广应用。