專利名稱：基于聲學(xué)長基線和超短基線組合定位的海底電纜二次定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水中地球物理勘探領(lǐng)域，是用于確定海上石油勘探中沉放到海底電纜地震信號接收器位置(第一次定位確定的已知放纜導(dǎo)航表面位置)的基于聲學(xué)長基線和超 短基線組合定位的海底電纜二次定位方法。
背景技術(shù)：
在海上資源勘探中海底電纜地震勘探是一種廣泛應(yīng)用的勘探方法，它是利用投放 在海底的安裝有地震信號接收器來接收石油勘探數(shù)據(jù)。由于受到海流、潮汐、船速以及沉降 速度的影響，海底電纜很難準(zhǔn)確地與水面投放位置相同，直接影響地震信號的采集質(zhì)量。目 前采用聲波定位系統(tǒng)對海底電纜進(jìn)行水下聲波定位測量的方法解決。聲學(xué)定位的方法和定位精度有所不同，長基線的定位精度最高，但成本高，建設(shè)難 度大；短基線的精度次之，但基陣布設(shè)受到很大的限制；超短基線的精度比短基線略低，但 使用方便靈活?！段锾窖b備》2008年第18卷第01期公開了楊寶付等人的“二次定位技術(shù) 在OBC勘探施工中的應(yīng)用”，它是采用聲學(xué)二次定位系統(tǒng)定位方法采用的都是長基線定位方 法，使用單個換能器的發(fā)射和接收、只計算出信號的走時，即發(fā)射信號到接收到信號 的時延，在定位軟件中對應(yīng)答器大地坐標(biāo)的解算時只用到時延信息，但這種方法有一個固 有的缺點，就是導(dǎo)致應(yīng)答器的位置的計算結(jié)果存在鏡像問題，為克服這個問題，二次定位系 統(tǒng)只能采取給定一次放纜導(dǎo)航的定位成果作為初始值來判定定位計算開始時的水下聲學(xué) 傳感器在定位船航線方向的左右關(guān)系?；蛘邍@測線兩側(cè)進(jìn)行航行，來剔除該鏡像點。這 樣定位效率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種方便海上定位施工，克服長基線定位存在的鏡像問題， 可以實現(xiàn)在定位船在測線一側(cè)航行即能定位，提高定位施工效率的基于聲學(xué)長基線和超短 基線組合定位的海底電纜二次定位方法。發(fā)明提供以下技術(shù)方案，具體實施步驟是1)將應(yīng)答器固定在待測海底電纜上且放置在預(yù)定的位置，將水聲換能器安裝在測 量船上；步驟1)所述的水聲換能器中安置有兩個換能器，兩換能器組成超短基線陣，其中 一個換能器為收發(fā)合置換能器，另一個僅作接收。2)換能器發(fā)出呼叫信號，應(yīng)答器識別并發(fā)出應(yīng)答信號；3)接收應(yīng)答信號并進(jìn)行處理；步驟3)所述的處理是將接收到的信號進(jìn)行自動增益放大、濾波，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號，將數(shù)字信號進(jìn)行時頻變換，根據(jù)頻譜獲得頻率序列，得到應(yīng)答器回應(yīng)的頻率信號，計算換能器從發(fā)送信號到接收應(yīng)答器回應(yīng)信號之間的時延差，根據(jù)兩個信道接收到應(yīng)答器回 應(yīng)信號的相位差，確定待測應(yīng)答器在測量船的左側(cè)還是右側(cè)；4)根據(jù)以下公式計算換能器到待測應(yīng)答器的距離；Lki ⑴=0. 5 Δ ti*VsLki (t)是某時刻換能器和待測應(yīng)答器之間距離[m]，入是聲波傳播速度[m/s]，Δ t, 是換能器發(fā)送信號到接收應(yīng)答器回應(yīng)信號之間的時間[s]；5)用GPS測定目前換能器瞬時位置的大地坐標(biāo)(Xk(t)，Yk(t)，Zk(t))，Lki (t)= (Xk (O-Xi)2+(Yk (O-Yi) W(ZJt)-Zi)2Lki (t)為步驟4)中算出的距離，(Xk(t)，Yk(t)，Zk(t))為換能器瞬時位置的大地 坐標(biāo)；(Xi, Yi, Zi)為待測應(yīng)答器的待定坐標(biāo)；6)移動換能器的位置，經(jīng)過三個以上歷元的同步觀測，根據(jù)步驟5)中的公式，計 算出應(yīng)答器的大地坐標(biāo)；7)利用步驟3)得出應(yīng)答器在測量船的左右方位，排除步驟6)中算出鏡像點，確定 應(yīng)答器的準(zhǔn)確位置及最終的大地坐標(biāo)。本發(fā)明用長短基線定位技術(shù)的組合，克服長基線定位原理存在的鏡像問題，同時 利用長基線定位精度高和超短基線定位使用靈活方便的優(yōu)點提高了定位精度和可靠性，實 現(xiàn)定位船在測線兩測航行的隨意性，方便海上定位施工，通過這種方法的應(yīng)用可以實現(xiàn)在 定位船在測線一側(cè)航行即能定位，定位施工效率提高一倍，定位精度優(yōu)于1米。
具體實施例方式本發(fā)明提供一種方便海上定位施工，提高施工效率的基于聲學(xué)長基線和超短基線 組合定位的海底電纜二次定位方法，實現(xiàn)步驟是1)將應(yīng)答器固定在待測海底電纜上且放置在預(yù)定的位置，將水聲換能器安裝在測 量船上；步驟1)所述的水聲換能器中安置有兩個換能器，兩換能器組成超短基線陣，其中 一個換能器為收發(fā)合置換能器，另一個僅作接收。2)換能器發(fā)出呼叫信號，應(yīng)答器識別并發(fā)出應(yīng)答信號；3)接收應(yīng)答信號并進(jìn)行處理；步驟3)所述的處理是將接收到的信號進(jìn)行自動增益放大、濾波，然后轉(zhuǎn)換成數(shù) 字信號，將數(shù)字信號進(jìn)行時頻變換，根據(jù)頻譜獲得頻率序列，得到應(yīng)答器回應(yīng)的頻率信號， 計算換能器從發(fā)送信號到接收應(yīng)答器回應(yīng)信號之間的時延差，根據(jù)兩個信道接收到應(yīng)答器 回應(yīng)信號的相位差，確定待測應(yīng)答器在測量船的左側(cè)還是右側(cè)；4)根據(jù)以下公式計算換能器到待測應(yīng)答器的距離； Lki (t) = 0. 5 Δ ti*VsLki (t)是某時刻換能器和待測應(yīng)答器之間距離[m]，入是聲波傳播速度[m/s]，Δ t, 是換能器發(fā)送信號到接收應(yīng)答器回應(yīng)信號之間的時間[s]；5)用GPS測定目前換能器瞬時位置的大地坐標(biāo)(Xk(t)，Yk(t)，Zk(t))，Lki(t)=( Xk (O-Xi)2+(Yk (O-Yi) W(ZJt)-Zi)2Lki (t)為步驟4)中算出的距離，(Xk(t)，Yk(t)，Zk(t))為換能器瞬時位置的大地坐標(biāo)；(Xi, Yi, Zi)為待測應(yīng)答器的待定坐標(biāo)；6)移動換能器的位置，經(jīng)過三個以上歷元的同步觀測，根據(jù)步驟5)中的公式，計 算出應(yīng)答器的大地坐標(biāo)；7)由于在步驟6)中算出的應(yīng)答器位置為在船左右兩側(cè)的兩個點，其中一個是應(yīng) 答器的準(zhǔn)確位置，而另外一個是它的鏡像點，利用步驟3)得出應(yīng)答器在測量船的左右方 位，排除鏡像點，確定應(yīng)答器最終的大地坐標(biāo)。本發(fā)明實測實驗如下安裝設(shè)置差分GPS和換能器安裝支架，測試水深、聲速和水 溫。水深大約3 40米，聲速為1470左右，水溫從水面到水下10米基本變化不大。在選 定的測試水域內(nèi)打樁，每隔約50米左右插一根測量桿 ，共5根，在每一個測量桿的底部捆綁 一個BPS應(yīng)答器。五個測量桿組成一條測線。使測量船圍繞測線進(jìn)行單邊航行測量，定位結(jié)果與GPS測出的每個測量桿大地 坐標(biāo)比較如下表。表1單邊測試8次實時定位結(jié)果與GPS測試位置比較
權(quán)利要求
1.基于聲學(xué)長基線和超短基線組合定位的海底電纜二次定位方法，其特征在于實施步 驟是1)將應(yīng)答器固定在待測海底電纜上且放置在預(yù)定的位置，將水聲換能器安裝在測量船 上，水聲換能器中安置有兩個換能器，兩換能器組成超短基線陣，其中一個換能器為收發(fā)合 置換能器，另一個僅作接收；2)換能器發(fā)出呼叫信號，應(yīng)答器識別并發(fā)出應(yīng)答信號；3)接收應(yīng)答信號并進(jìn)行處理；4)根據(jù)以下公式計算換能器到待測應(yīng)答器的距離；Lki (t) = 0. 5 ΔLki (t)是某時刻換能器和待測應(yīng)答器之間距離[m]，Vs是聲波傳播速度[m/s]，Δ ti是 換能器發(fā)送信號到接收應(yīng)答器回應(yīng)信號之間的時間[s]；5)用GPS測定目前換能器瞬時位置的大地坐標(biāo)(Xk(t),Yk(t),Zk(t)),Lki (t) = 0(k(t)-Xi)2+(Yk (料)2+訓(xùn)義)2Lki (t)為步驟4)中算出的距離，(Xk(t),Yk(t),Zk(t))為換能器瞬時位置的大地坐標(biāo)； (Xi, Yi, Zi)為待測應(yīng)答器的待定坐標(biāo)；6)移動換能器的位置，經(jīng)過三個以上歷元的同步觀測，根據(jù)步驟幻中的公式，計算出 應(yīng)答器的大地坐標(biāo)；7)利用步驟幻得出應(yīng)答器在測量船的左右方位，排除步驟6)中算出鏡像點，確定應(yīng)答 器的準(zhǔn)確位置及最終的大地坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求所述的基于聲學(xué)長基線和超短基線組合定位的海底電纜二次定位方 法，其特征在于步驟幻所述的處理是將接收到的信號進(jìn)行自動增益放大、濾波，然后轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號，將數(shù)字信號進(jìn)行時頻變換，根據(jù)頻譜獲得頻率序列，得到應(yīng)答器回應(yīng)的頻率信 號，計算換能器從發(fā)送信號到接收應(yīng)答器回應(yīng)信號之間的時延差，同時根據(jù)兩個信道接收 到應(yīng)答器回應(yīng)信號的相位差，確定待測應(yīng)答器在測量船的左側(cè)還是右側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明是地球物理勘探海底電纜二次定位方法，將應(yīng)答器固定在待測海底電纜上，將水聲換能器安裝在測量船上，水聲換能器中安置有兩個換能器，兩換能器組成超短基線陣，其中一個換能器為收發(fā)合置換能器，另一個僅作接收，換能器發(fā)出呼叫信號，應(yīng)答器識別并發(fā)出應(yīng)答信號，接收應(yīng)答信號并進(jìn)行處理計算出應(yīng)答器的大地坐標(biāo)，得出應(yīng)答器在測量船的左右方位，確定應(yīng)答器的準(zhǔn)確位置及最終的大地坐標(biāo)。本發(fā)明克服長基線定位鏡像問題，提高了定位精度和可靠性，實現(xiàn)定位船在測線兩測航行的隨意性，方便海上定位施工，施工效率提高一倍，定位精度優(yōu)于1米。
文檔編號G01S15/06GK102081170SQ20091024140
公開日2011年6月1日 申請日期2009年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月1日
發(fā)明者丁若愚, 任文靜, 何雪梅, 劉俊, 方守川, 易昌華, 樊俊明, 王釵 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油集團東方地球物理勘探有限責(zé)任公司