專利名稱：深水水下定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水聲定位聲納設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種為深水海洋油氣工程施工中提供監(jiān)測(cè)定位服務(wù)、量測(cè)定位服務(wù)、參考定位服務(wù)以及跟蹤定位服務(wù)的深水水下定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
海洋蘊(yùn)含著大量的優(yōu)質(zhì)石油資源，成為新世紀(jì)中人類能源的重要來源。因而近年以海洋油氣資源開發(fā)開采為目的的各類海洋工程施工技術(shù)迅猛發(fā)展，以滿足人類日益增長的資源需求。隨著海洋油氣開發(fā)開采逐漸走向深水，采用了大量的基盤、管匯等水下結(jié)構(gòu)物，輸油管、跨接管等多種管線，ROV (Remote Operated Vehicle,即水下機(jī)器人)、AUV(Autonomous Under Vehicle,即水下自主機(jī)器人)等多種水下潛器,代替人工完成必須的工程作業(yè)，其中通常涉及水下結(jié)構(gòu)物的安裝沉放、管線長度的測(cè)量、管線與接口的對(duì)接、水下潛器的跟蹤導(dǎo)航等幾種典型作業(yè)，均需要水聲定位設(shè)備提供絕對(duì)/相對(duì)、大范圍/局部、高/低精度、垂直/水平、多目標(biāo)等定位信息輔助完成，因此海洋油氣工程施工中存在對(duì)水聲定位設(shè)備的強(qiáng)烈需求。目前的超短基線或長基線定位系統(tǒng)單獨(dú)應(yīng)用于海洋油氣工程中存在著作業(yè)模式單一、適應(yīng)面窄、精度與便捷靈活度難以共存的問題，不能較好的適應(yīng)實(shí)際作業(yè)需要。基于此背景，本發(fā)明公開的深水水下定位系統(tǒng)針對(duì)海洋油氣施工典型作業(yè)的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)通用水聲定位系統(tǒng)的不足，滿足海洋油氣工程作業(yè)中的相關(guān)需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)定位系統(tǒng)作業(yè)模式單一、適應(yīng)面窄、精度與便捷靈活度難以共存的缺陷，提供一種作業(yè)模式多樣、精確度與靈活度兼?zhèn)涞纳钏露ㄎ幌到y(tǒng)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:該系統(tǒng)包括水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)和水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)；其中，所述水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)包括:用于發(fā)送示位指令和/或量測(cè)指令并接收來自所述水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)的示位聲信號(hào)和/或距離數(shù)據(jù)的多基元聲學(xué)測(cè)量基陣，所述量測(cè)指令包含主、從配置指示；與所述多基元聲學(xué)測(cè)量基陣連接、用于對(duì)所述示位聲信號(hào)和/或距離數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以獲取所述水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)的位置信息和/或距離信息的控制跟蹤管理單元；所述水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)包括:半球指向量測(cè)示位換能器，其接收來自所述水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)的所述示位指令和/或量測(cè)指令；與所述半球指向量測(cè)示位換能器連接的量測(cè)示位管理單元；其中，當(dāng)接收到示位指令時(shí),所述量測(cè)示位管理單元控制所述半球指向量測(cè)示位換能器發(fā)送不位聲信號(hào)；當(dāng)接收到量測(cè)指令時(shí)，所述量測(cè)示位管理單元根據(jù)所述主/從配置指示控制所述半球指向量測(cè)示位換能器發(fā)送/接收量測(cè)聲信號(hào)，并根據(jù)所述量測(cè)聲信號(hào)得出距離數(shù)據(jù)，并控制所述半球指向量測(cè)示位換能器發(fā)送所述距離數(shù)據(jù)。進(jìn)一步，所述水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)包括頂端開放、底端封閉的水密外殼，所述量測(cè)示位管理單元設(shè)置于所述水密外殼中，所述半球指向量測(cè)示位換能器設(shè)置于水密外殼的頂端，所述水密外殼尾部封蓋上設(shè)置有釋放機(jī)構(gòu)，在所述水密外殼上設(shè)置有通信及傳感器接口，所述水密外殼的內(nèi)部、量測(cè)示位管理單元下方還設(shè)置有能源包。進(jìn)一步,所述量測(cè)示位管理單元包括與所述半球指向量測(cè)示位換能器相連接的單通道鉗制整形級(jí)，與所述單通道鉗制整形級(jí)相連接的單通道變換級(jí)，與所述單通道變換級(jí)相連接的單通道綜控解析級(jí)，與所述單通道綜控解析級(jí)相連接的交互級(jí)、播送級(jí)以及釋放驅(qū)動(dòng)檢測(cè)級(jí)；所述交互級(jí)還與所述水密外殼底端的通信接口及傳感器接口相連接，所述播送級(jí)還與所述水密外殼頂端的半球指向量測(cè)示位換能器相連接。進(jìn)一步，所述水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)包括聲速傳感器、姿態(tài)傳感器和壓力傳感器，所述聲速傳感器、姿態(tài)傳感器和壓力傳感器通過通信及傳感器接口與所述量測(cè)示位管理單元連接。進(jìn)一步，所述水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)包括分別與所述控制跟蹤管理單元相連的系統(tǒng)操控觀測(cè)平臺(tái)、GPS設(shè)備以及MRU設(shè)備相連，以及與所述系統(tǒng)操控觀測(cè)平臺(tái)相連的SVP設(shè)備。進(jìn)一步，所述多基元聲學(xué)測(cè)量基陣為九基元聲學(xué)測(cè)量基陣，九基元聲學(xué)測(cè)量基陣包括八通道預(yù)置增益級(jí)、八個(gè)接收基元和一個(gè)發(fā)射基元，所述八通道預(yù)置增益級(jí)連接于八個(gè)接收基元。進(jìn)一步，所述控制跟蹤管理單元包括外殼，設(shè)置于外殼內(nèi)的八通道變?cè)鲆鏋V過級(jí)，與所述八通道變?cè)鲆鏋V過級(jí)相連接的八通道變換級(jí)，與八通道變換級(jí)相連接的八通道綜控解析級(jí)，與八通道綜控解析級(jí)相連接的交互級(jí)以及與八通道綜控解析級(jí)相連接的播送級(jí)；所述八通道變?cè)鲆鏋V過級(jí)連接于外殼外部的九基元聲學(xué)測(cè)量基陣中的八通道預(yù)置增益級(jí)，所述交互級(jí)連接于外殼外部的系統(tǒng)操控觀測(cè)平臺(tái)，所述播送級(jí)與外殼外部的九基元聲學(xué)測(cè)量基陣中的發(fā)射基元連接。進(jìn)一步，所述水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)為多個(gè)，該多個(gè)水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)中的至少一個(gè)安裝于需要定位的裝置上，剩余的固定排列于水底構(gòu)成基陣。進(jìn)一步，所述水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)為至少兩個(gè)部，該至少兩部水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)固定于需要測(cè)量的裝置上。進(jìn)一步，所述水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)為至少一個(gè)部，該至少一部水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)安裝于所需跟蹤的跟蹤物上。本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明在水下設(shè)置水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)，水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)有兩種工作模式可測(cè)量相對(duì)距離或標(biāo)示自身位置，將量測(cè)的相對(duì)距離和/或自身的位置可通過聲信號(hào)發(fā)出并被水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)接收并處理，根據(jù)水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)的相對(duì)距離或標(biāo)示位置可完成精確定位，解決了精度與便捷靈活度難以共存的問題。此外，該系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)定位服務(wù)、量測(cè)定位服務(wù)、參考定位服務(wù)以及跟蹤定位服務(wù)相結(jié)起來，解決了作業(yè)模式單一、適應(yīng)面窄的問題。


下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中:圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的深水水下定位系統(tǒng)的組成框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的深水水下定位系統(tǒng)的水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)中控制跟蹤管理單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的深水水下定位系統(tǒng)的水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)中量測(cè)示位管理單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明第一種實(shí)施例應(yīng)用于水下結(jié)構(gòu)物沉放安裝的監(jiān)測(cè)定位服務(wù)作業(yè)的深水水下定位系統(tǒng)的不意圖；圖5是本發(fā)明第二種實(shí)施例應(yīng)用于跨接管長度測(cè)量作業(yè)的量測(cè)定位服務(wù)作業(yè)的深水水下定位系統(tǒng)的不意圖；圖6是本發(fā)明第三種實(shí)施例應(yīng)用于管線與接口對(duì)接作業(yè)的參考定位服務(wù)作業(yè)的深水水下定位系統(tǒng)的不意圖。
具體實(shí)施例方式為了對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對(duì)照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例中的深水水下定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于提供水下定位服務(wù)，該系統(tǒng)包括水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I與水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2。該水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I可安裝于浮式平臺(tái)、半潛式鉆井平臺(tái)、立柱式鉆井平臺(tái)等深、淺水石油鉆井開采平臺(tái)以及海洋油氣作業(yè)水面工程船只上，所述水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2可安裝于水下結(jié)構(gòu)物上、管線接口處、ROV (Remote Operated Vehicle,即水下機(jī)器人)、AUV (AutonomousUnder Vehicle,即水下自主機(jī)器人)等水下無人作業(yè)平臺(tái)上或錨定于海底。該水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I包括九基元聲學(xué)測(cè)量基陣3，控制跟蹤管理單元4，系統(tǒng)操控觀測(cè)平臺(tái)5，GPS設(shè)備6，MRU (Motion Reference Unit,即運(yùn)動(dòng)參考單元)設(shè)備7以及SVP (Sound Velocity Probe，即聲音速度探針)設(shè)備8。該九基元聲學(xué)測(cè)量基陣3通過安裝元件安裝到水上平臺(tái)的底部，為水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)的濕端設(shè)備，可理解的，在其他一些實(shí)施例中該九基元聲學(xué)測(cè)量基陣3也可為其他的多基元聲學(xué)測(cè)量基陣。作業(yè)中通過安裝元件深入到水中，用于接收水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2發(fā)射的示位聲信號(hào)，并向水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2發(fā)射聲學(xué)遙控指令，本實(shí)施例中該安裝元件為安裝桿，可理解的，在其他一些實(shí)施例中也可為其他一些具有該相同功能的安裝元件。該九基元聲學(xué)測(cè)量基陣3通過電纜與水上平臺(tái)上的控制跟蹤管理單元4相連，該控制跟蹤管理機(jī)單元4為水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I的干艙設(shè)備，用于控制深水水下定位系統(tǒng)的工作模式與參數(shù)狀態(tài)，解析示位聲信號(hào)以及水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)上傳的量測(cè)結(jié)果；控制跟蹤管理單元4通過串口與系統(tǒng)操控觀測(cè)平臺(tái)5、GPS設(shè)備6以及MRU (MotionReference Unit,即運(yùn)動(dòng)參考單元)設(shè)備7相連。系統(tǒng)操控觀測(cè)平臺(tái)5為水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I的干艙設(shè)備，用于直觀顯示控制管理機(jī)箱4的處理結(jié)果，并向控制管理機(jī)箱4下傳用戶的操作與控制指令信息，該系統(tǒng)操控觀測(cè)平臺(tái)5還連接SVP (Sound Velocity Probe,即聲音速度探針)設(shè)備8。該GPS設(shè)備6用于確定水面作業(yè)船只的大地坐標(biāo),MRU (Motion Reference Unit,即運(yùn)動(dòng)參考單元)設(shè)備7用于確定水面作業(yè)船只的姿態(tài),SVP (Sound Velocity Probe,即聲音速度探針)設(shè)備8用于確定作業(yè)水域的環(huán)境信息。GPS設(shè)備6、MRU (Motion ReferenceUnit,即運(yùn)動(dòng)參考單元)設(shè)備7以及SVP (Sound Velocity Probe,即聲音速度探針)設(shè)備8將所述坐標(biāo)、姿態(tài)以及環(huán)境信息輸送到控制跟蹤管理單元4中并將GPS設(shè)備6、MRU(MotionReference Unit,即運(yùn)動(dòng)參考單兀)設(shè)備7以及SVP (Sound Velocity Probe,即聲音速度探針)設(shè)備8輸出數(shù)據(jù)聯(lián)合觀測(cè)信息計(jì)算得到水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2的位置、及時(shí)補(bǔ)償船只的姿態(tài)誤差以及提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。該水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2包括頂端開放、底端封閉的水密外殼12，半球指向量測(cè)示位換能器9,量測(cè)示位管理單元10,能源包11,釋放機(jī)構(gòu)13。該半球指向量測(cè)示位換能器9安裝于水密外殼12的頂端，用于完成接收聲信號(hào)的聲電轉(zhuǎn)換，以及發(fā)射聲信號(hào)的電
聲轉(zhuǎn)換。該水密外殼12則主要提供一種相對(duì)密封的環(huán)境,在該水密外殼12尾部封蓋上連接釋放機(jī)構(gòu)13，該釋放機(jī)構(gòu)13可完成釋放脫鉤動(dòng)作的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)；在水密外殼12尾部封蓋上釋放機(jī)構(gòu)13—側(cè)的設(shè)置有通信及傳感器接口 14，可理解的，在其他一些實(shí)施例中也設(shè)置在其他位置，設(shè)置該結(jié)構(gòu)用于完成水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2與外部數(shù)據(jù)的交互。在水密外殼12的內(nèi)部、半球指向量測(cè)示位換能器9的下方設(shè)置有量測(cè)示位管理單元10，該量測(cè)示位管理單元10主要用于完成對(duì)接收信號(hào)的處理解析、以及對(duì)水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2的整體管理；其下方設(shè)置有能源包11，該能源包11用于能源供應(yīng)。作業(yè)時(shí)水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2可工作于示位與量測(cè)兩種模式:示位模式下水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2根據(jù)電觸發(fā)或水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I發(fā)射的聲指令發(fā)送示位聲信號(hào)，該示位聲信號(hào)是一種波形已知的聲信號(hào)。水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I接收該信號(hào)后通過濾波放大以及相關(guān)等信號(hào)處理手段得到水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2的距離與方位，從而解算出其位置坐標(biāo)。水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2以此完成對(duì)自身的聲學(xué)示位。水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I接收并解析該信號(hào)，可定位跟蹤該水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2 ;量測(cè)模式下通過水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I的聲學(xué)遙控指令，配置多只水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2的主從關(guān)系，該量測(cè)模式下采用應(yīng)答模式，由一只水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2發(fā)射量測(cè)信號(hào)，另一支接收后回復(fù)，因而需要規(guī)定哪只發(fā)射(為主)哪只接收(為從)。水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2根據(jù)主從配置自動(dòng)量測(cè)主從之間的相對(duì)距離，具體測(cè)量為“從”水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2接收“主”水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2發(fā)射的信號(hào)后通過濾波放大以及相關(guān)等信號(hào)處理手段得到水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2的時(shí)延，通過聲速轉(zhuǎn)變?yōu)榫嚯x。測(cè)量結(jié)果可通過聲鏈路由主水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2上傳水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I。在作業(yè)過程中，九基元聲學(xué)測(cè)量基陣3用于發(fā)送示位指令和/或量測(cè)指令并接收來自水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2的示位聲信號(hào)和/或距離數(shù)據(jù)，該量測(cè)指令包含主、從配置指示；控制跟蹤管理單元4用于對(duì)示位聲信號(hào)和/或距離數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以獲取水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2的位置信息和/或距離信息。半球指向量測(cè)示位換能器9接收來自所述水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I的示位指令和/或量測(cè)指令。且當(dāng)接收到示位指令時(shí)，量測(cè)示位管理單元10控制半球指向量測(cè)示位換能器9發(fā)送示位聲信號(hào)；當(dāng)接收到量測(cè)指令時(shí)，量測(cè)示位管理單元10根據(jù)主/從配置指示控制半球指向量測(cè)示位換能器9發(fā)送/接收量測(cè)聲信號(hào)，并根據(jù)量測(cè)聲信號(hào)得出距離數(shù)據(jù)，并控制半球指向量測(cè)示位換能器9發(fā)送距離數(shù)據(jù)。如圖2所示，控制跟蹤管理單元4包括外殼15，八通道變?cè)鲆鏋V過級(jí)16、八通道變換級(jí)17、八通道綜控解析級(jí)18、交互級(jí)19和播送級(jí)20，在外殼15的內(nèi)部，八通道變?cè)鲆鏋V過級(jí)16依次與八通道變換級(jí)17、八通道綜控解析級(jí)18相連接，該八通道變換級(jí)17還與八通道綜控解析級(jí)18相連，八通道綜控解析級(jí)18還連接于交互級(jí)19以及播送級(jí)20。八通道變?cè)鲆鏋V過級(jí)16用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行幅值放大與濾波整形并將增益調(diào)節(jié)、降噪處理后的信號(hào)送入八通道變換級(jí)17 ;該八通道變換級(jí)17通過八通道綜控解析級(jí)18的控制完成信號(hào)的采樣量化處理，八通道變換級(jí)17采集的數(shù)據(jù)送入八通道綜控解析級(jí)18中，八路數(shù)據(jù)經(jīng)過八通道綜控解析級(jí)18的濾波相關(guān)后，進(jìn)行峰選判決與參量解析；該八通道綜控解析級(jí)18，負(fù)責(zé)產(chǎn)生系統(tǒng)同步、控制增益信號(hào)采集與發(fā)射、處理解析采集信號(hào)、解算目標(biāo)位置。八通道變?cè)鲆鏋V過級(jí)16向外殼15外部還連接九基元聲學(xué)測(cè)量基陣3中的八通道預(yù)置增益級(jí)，交互級(jí)19還向外殼15外部連接系統(tǒng)操控觀測(cè)平臺(tái)5，將八通道綜控解析級(jí)18的數(shù)據(jù)向系統(tǒng)操控觀測(cè)平臺(tái)5、GPS設(shè)備6、MRU7串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。播送級(jí)20還向外殼15外部連接九基元聲學(xué)測(cè)量基陣3中的發(fā)射基元，播送級(jí)20受八通道綜控解析級(jí)18的控制，完成指令信號(hào)的功率放大。該控制跟蹤管理單元4為現(xiàn)代數(shù)字聲納儀器的基本模式，該控制跟蹤管理單元4中采用的八通道用于分別處理九基元聲學(xué)測(cè)量基陣3中八個(gè)接收基元的接收信號(hào)。據(jù)此可分辨水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2的方位。同時(shí)八通道處理有助于提高信號(hào)的檢測(cè)能力?？衫斫獾?，在其他一些實(shí)施例中也可采用四基元、五基元、六基元、七基元或更多基元聲學(xué)測(cè)量基陣來替代九基元聲學(xué)測(cè)量基陣，相應(yīng)地通道的數(shù)量也可改變。八通道變?cè)鲆鏋V過級(jí)16用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行幅值放大與濾波整形。本實(shí)施例中，該級(jí)具有八個(gè)通道，并嚴(yán)格保證各通道之間嚴(yán)格的增益與相位一致性。本實(shí)施例中，八通道變?cè)鲆鏋V過級(jí)16首先利用AD616高精度儀表放大器進(jìn)行信號(hào)的固定增益放大，隨后通過ADA4841進(jìn)行信號(hào)的前端濾波降噪，送入可控增益模塊進(jìn)一步放大，增益調(diào)節(jié)范圍(T60dB，在經(jīng)過LTC1562集成巴特沃斯線性相位帶通濾波、光耦隔離以及輸出驅(qū)動(dòng)后，將增益調(diào)節(jié)、降噪處理后的信號(hào)送入八通道變換級(jí)17。在其他一些實(shí)施例中也可理解為其他一些有相同功能的芯片或模塊，并不局限于上述型號(hào)。本實(shí)施例中，八通道變換級(jí)17由8通道的雙極性數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片IDS8568構(gòu)成，通過八通道綜控解析級(jí)18的控制完成信號(hào)的采樣量化處理。本實(shí)施例中，八通道綜控解析級(jí)18由一片ALTERA EP2C8Q168C8N FPGA和三片TI TMS2766416DSP組成，負(fù)責(zé)產(chǎn)生系統(tǒng)同步、控制增益信號(hào)采集與發(fā)射、處理解析采集信號(hào)、解算目標(biāo)位置。本實(shí)施例中，八通道變換級(jí)17采集的數(shù)據(jù)送入FPGA中，八路數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA的濾波相關(guān)后，處理結(jié)果送入兩片波形DSP中進(jìn)行峰選判決與參量解析，八通道解析結(jié)果匯總至數(shù)據(jù)DSP中進(jìn)行綜合，結(jié)合系統(tǒng)作業(yè)模式計(jì)算目標(biāo)位置或量測(cè)結(jié)果。DSP與FPGA之間通過EMIF總線交互之間，DSP之間通過McBSP進(jìn)行交互。FPGA參與多芯片間的同步時(shí)序，數(shù)據(jù)DSP完成控制指令的傳輸與實(shí)現(xiàn)。本實(shí)施例中，八通道綜控解析級(jí)18解算結(jié)果通過交互級(jí)19輸出到系統(tǒng)操控觀測(cè)平臺(tái)5中。本實(shí)施例中，交互級(jí)19由TL16C754芯片完成八通道綜控解析級(jí)18并行數(shù)據(jù)向系統(tǒng)操控觀測(cè)平臺(tái)5、GPS設(shè)備6、MRU7串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。在其他一些實(shí)施例中也可理解為其他一些有相同功能的芯片或模塊，并不局限于上述型號(hào)。本實(shí)施例中，播送級(jí)20受八通道綜控解析級(jí)18中數(shù)據(jù)DSP的控制，完成指令信號(hào)的功率放大經(jīng)過匹配加載到九基元聲學(xué)測(cè)量基陣3中的發(fā)射基元上。本實(shí)施例中，播送級(jí)20由八通道綜控解析級(jí)18發(fā)出的PWM信號(hào)控制，通過非門等邏輯芯片對(duì)信號(hào)整形保護(hù)，利用MIC4418驅(qū)動(dòng)MOSFET管完成信號(hào)的D類功率放大。在其他一些實(shí)施例中也可理解為其他一些有相同功能的芯片或模塊，并不局限于上述型號(hào)。如圖3所示，該量測(cè)示位管理單元10包括單通道鉗制整形級(jí)21，單通道變換級(jí)22，單通道綜控解析級(jí)23，交互級(jí)24，播送級(jí)25，釋放驅(qū)動(dòng)檢測(cè)級(jí)26。該單通道鉗制整形級(jí)21依次與單通道變換級(jí)22和單通道綜控解析級(jí)23連接，該單通道變換級(jí)22與單通道綜控解析級(jí)23連接，所述單通道綜控解析級(jí)23還連接交互級(jí)24、播送級(jí)25以及釋放驅(qū)動(dòng)檢測(cè)級(jí)26。單通道鉗制整形級(jí)21，將信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)節(jié)與濾波整形，將失真信號(hào)整形恢復(fù)信號(hào)波形，送入單通道變換級(jí)22，該單通道變換級(jí)22受單通道綜控解析級(jí)23的控制完成信號(hào)的采集量化，所述單通道綜控解析級(jí)23還負(fù)責(zé)控制信號(hào)采集發(fā)射與釋放動(dòng)作、處理解析采集信號(hào)、解算量測(cè)結(jié)果、接收電觸發(fā)、讀取外接傳感器的數(shù)據(jù)。此外所述單通道鉗制整形級(jí)21向外連接在水密外殼12頂端的半球指向量測(cè)示位換能器9上，交互級(jí)24還與所述水密外殼12底端的通信及傳感器接14相連接，該交互級(jí)利用該通信及傳感器接14與上位機(jī)連接并交互數(shù)據(jù)。所述播送級(jí)25還與所述水密外殼12頂端的半球指向量測(cè)示位換能器9相連接，該播送級(jí)25主要將八通道綜控解析級(jí)18的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)為功率發(fā)射信號(hào)。所述釋放驅(qū)動(dòng)檢測(cè)級(jí)26還與所述水密外殼12尾部封蓋上的釋放機(jī)構(gòu)13相連接，該釋放驅(qū)動(dòng)檢測(cè)級(jí)26為釋放機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)釋放動(dòng)作的操控監(jiān)測(cè)。本實(shí)施例中量測(cè)示位管理單元10采用單通道原件，可理解的，在其他一些實(shí)施例中也可為多通道。單通道波形鉗制整形級(jí)21對(duì)半球指向量測(cè)示位換能器9轉(zhuǎn)換的微弱電信號(hào)(即信號(hào)波形)進(jìn)行增益調(diào)節(jié)與濾波整形。本實(shí)施例中，該級(jí)使用BAV99T與ADA4841搭建波形鉗位放大電路，提供SOdB的固定增益，鉗位失真后的信號(hào)通過LTC1562設(shè)計(jì)的8階巴特沃斯濾波整形電路恢復(fù)信號(hào)波形，送入單通道變換級(jí)22。本實(shí)施例中，單通道變換級(jí)22由單通道AD7980完成信號(hào)的采集量化，受單通道綜控解析級(jí)23的控制。本實(shí)施例中，單通道綜控解析級(jí)23由一片TI TMS276VC5509A DSP組成，負(fù)責(zé)控制信號(hào)采集發(fā)射與釋放動(dòng)作、處理解析采集信號(hào)、解算量測(cè)結(jié)果、接收電觸發(fā)、讀取外接傳感器的數(shù)據(jù)。DSP通過EMIF與外掛SDRAM芯片HY57V641616連接。本實(shí)施例中，交互級(jí)24使用TL16C754、ADM162與MAX485芯片完成RS192及485接口的外接傳感器14或上位機(jī)的連接并交互數(shù)據(jù)。本實(shí)施例中，播送級(jí)25采用增強(qiáng)型場效應(yīng)管組成D類功放，將DSP控制的PWM控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)為功率發(fā)射信號(hào)。本實(shí)施例中，釋放驅(qū)動(dòng)檢測(cè)級(jí)26使用N溝道MOS管IRLZ44NS為釋放機(jī)構(gòu)13提供驅(qū)動(dòng)電流，釋放機(jī)構(gòu)13反饋則通過分壓電路加到DSP的GPIO管腳，實(shí)現(xiàn)對(duì)釋放動(dòng)作的操控監(jiān)測(cè)。在其他一些實(shí)施例中也可理解為其他一些有相同功能的芯片或模塊,并不局限于上述型號(hào)。所述水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2還可通過通信及傳感器接口 14連接聲速傳感器、姿態(tài)傳感器以及壓力傳感器，用于探測(cè)所述聲速、姿態(tài)以及壓力數(shù)據(jù)，用于在一定工作模式下對(duì)深度、姿態(tài)等的測(cè)量。該深水水下定位系統(tǒng)可用于為管端基盤PLET (Pipeline End Terminal)管匯基盤PLEM (Pipeline End Manifold)等大型水下結(jié)構(gòu)物沉放安裝提供監(jiān)測(cè)定位服務(wù),可為跨接管(Jumper/Spool)長度測(cè)量作業(yè)提供量測(cè)定位服務(wù)，可為管線與采油樹(Well)或水下結(jié)構(gòu)物的對(duì)接提供參考定位服務(wù)，可為ROV (Remote Operated Vehicle,即水下機(jī)器人)、AUV (Autonomous Under Vehicle,即水下自主機(jī)器人)等水下無人作業(yè)平臺(tái)提供跟蹤定位服務(wù)。下面一些為典型的該系統(tǒng)應(yīng)用的作業(yè)模式與流程的實(shí)施例。如圖4所示為第一種實(shí)施例水下結(jié)構(gòu)物沉放安裝的監(jiān)測(cè)定位服務(wù)作業(yè)流程，水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I裝載于水面安裝船只上，海底布放四至五部水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2，其他一些實(shí)施例中可理解為至少三部，該四至五部水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2四至五部一方面可以提供足夠的冗余測(cè)量信息，另一方面可以提高至少三部同時(shí)有效的概率，提高作業(yè)效率。待沉放安裝的水下結(jié)構(gòu)物四角分別安裝四部水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2，該設(shè)置可以提供足夠的冗余測(cè)量信息，便于觀測(cè)沉放結(jié)構(gòu)物的旋轉(zhuǎn)、搖擺等運(yùn)動(dòng)。在其他一些實(shí)施例中也可為其他數(shù)量的多部。沉放作業(yè)前首先將四至五部水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2布放于海底形成海底參考基陣，基線長度在一公里左右，該基線長度可提高海底參考基陣中各部水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2位置測(cè)量的精度。通過絕對(duì)相對(duì)測(cè)量獲取海底參考基陣中各部水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2的大地位置。隨后水面船只在預(yù)定位置通過吊車開始下放水下結(jié)構(gòu)物，此過程中，海底基陣工作于量測(cè)模式并作為從單元，水下結(jié)構(gòu)物上的四部水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2工作于示位模式，水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2的位置，并通過聲鏈路獲取加裝在水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2上姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)，以控制水下結(jié)構(gòu)物的沉放操作，加裝姿態(tài)傳感器測(cè)量水下結(jié)構(gòu)物的沉放過程中的姿態(tài)精度高，數(shù)據(jù)刷新率快。當(dāng)水下結(jié)構(gòu)物接近海底時(shí)，水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I通過聲學(xué)遙控水下結(jié)構(gòu)物上的四部水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2工作于量測(cè)模式并作為主測(cè)單元，交替測(cè)量自身與海底參考基陣的距離，并通過聲鏈路上傳測(cè)量結(jié)果，水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I通過上傳距離值解算水下結(jié)構(gòu)物位置，據(jù)此調(diào)整水下結(jié)構(gòu)安放的位置，直至達(dá)到工程要求完成作業(yè)。如圖5所示為第二種實(shí)施例跨接管長度測(cè)量作業(yè)的量測(cè)定位服務(wù)作業(yè)流程，水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I裝載于水面量測(cè)船只上，水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2加裝姿態(tài)、聲速、壓力傳感器。ROV攜帶兩部水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2入水，并將兩部水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2分別安放在跨接管待連接的兩個(gè)接口處。水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I聲學(xué)遙控兩部水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2工作于量測(cè)模式，并指定主從量測(cè)關(guān)系，水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2根據(jù)配置多次量測(cè)主從間的距離。改變主從關(guān)系，重復(fù)測(cè)量。兩部水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2聲鏈路上傳測(cè)量的距離數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的聲速、姿態(tài)、壓力傳感器數(shù)據(jù)，水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I解析數(shù)據(jù)并解算跨接管長度、管端接口姿態(tài)與高度差信息。如圖6所示為第三種管線與接口對(duì)接作業(yè)的參考定位服務(wù)作業(yè)流程，水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I裝載于水面采油平臺(tái)上，海底布放四至五部水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2組成海底基陣，待對(duì)接的管線末端與對(duì)接井口處分別安裝兩部水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2。管線末端的水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2可在管線入水前安裝，井口處水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2由ROV下水安裝。海底基陣的布放與標(biāo)定流程與水下結(jié)構(gòu)物沉放安裝中涉及流程一致。對(duì)接作業(yè)中設(shè)定井口處水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2處于量測(cè)模式，測(cè)量自身與海底參考基陣的距離，并通過聲鏈路上傳測(cè)量結(jié)果，水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I通過上傳距離值解算井口位置。在管線入水至井口附近的過程中，設(shè)定管線上的水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2處于示位模式，水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I據(jù)此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水下管線位置，以監(jiān)控管線的下放操作。管線到達(dá)預(yù)定位置并對(duì)接時(shí)，管線上的水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2處于量測(cè)模式，與井口處水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2交替測(cè)量自身與海底基陣的距離，上傳后水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I可分別解算管線末端與井口位置，以此為參考并在ROV輔助下完成管線的對(duì)接。對(duì)于其他一些實(shí)施例，如無人作業(yè)平臺(tái)的跟蹤定位服務(wù)作業(yè)流程:水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I裝載于水面跟蹤船只上，水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2安裝在水下無人作業(yè)平臺(tái)上并處于示位模式下。若無人作業(yè)平臺(tái)與水面跟蹤船只有纜連接，水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I可通過周期電觸發(fā)信號(hào)控制水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2發(fā)射示位信號(hào)；無纜連接時(shí)水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I須通過周期聲學(xué)指令控制水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)2發(fā)射示位信號(hào)。水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)I接收信號(hào)解析無人作業(yè)平臺(tái)的距離與方位，完成對(duì)其位置的定位跟蹤。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干個(gè)改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種深水水下定位系統(tǒng)，，其特征在于，包括水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)(I)和水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)(2);其中， 所述水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)(I)包括: 用于發(fā)送示位指令和/或量測(cè)指令并接收來自所述水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)(2)的示位聲信號(hào)和/或距離數(shù)據(jù)的多基元聲學(xué)測(cè)量基陣，所述量測(cè)指令包含主、從配置指示； 與所述多基元聲學(xué)測(cè)量基陣連接、用于對(duì)所述示位聲信號(hào)和/或距離數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以獲取所述水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)(2)的位置信息和/或距離信息的控制跟蹤管理單元(4)； 所述水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)(2)包括: 半球指向量測(cè)示位換能器(9)，其接收來自所述水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)(I)的所述示位指令和/或量測(cè)指令； 與所述半球指向量測(cè)示位換能器(9)連接的量測(cè)示位管理單元(10);其中， 當(dāng)接收到示位指令時(shí)，所述量測(cè)示位管理單元(10)控制所述半球指向量測(cè)示位換能器(9)發(fā)送不位聲信 號(hào)； 當(dāng)接收到量測(cè)指令時(shí)，所述量測(cè)示位管理單元(10)根據(jù)所述主/從配置指示控制所述半球指向量測(cè)示位換能器(9)發(fā)送/接收量測(cè)聲信號(hào)，并根據(jù)所述量測(cè)聲信號(hào)得出距離數(shù)據(jù)，并控制所述半球指向量 測(cè)示位換能器(9 )發(fā)送所述距離數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深水水下定位系統(tǒng)，其特征在于，所述水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)(2)包括頂端開放、底端封閉的水密外殼(12)，所述量測(cè)示位管理單元(10)設(shè)置于所述水密外殼(12)中，所述半球指向量測(cè)示位換能器(9)設(shè)置于水密外殼(12)的頂端，所述水密外殼(12)尾部封蓋上設(shè)置有釋放機(jī)構(gòu)(13)，所述水密外殼(12)上設(shè)置有通信及傳感器接口( 14)，所述水密外殼的(12)內(nèi)部、量測(cè)示位管理單元(10)下方還設(shè)置有能源包(11)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的深水水下定位系統(tǒng)，其特征在于，所述量測(cè)示位管理單元(10)包括與所述半球指向量測(cè)示位換能器(9)相連接的單通道鉗制整形級(jí)(21)，與所述單通道鉗制整形級(jí)(21)相連接的單通道變換級(jí)(22)，與所述單通道變換級(jí)(22)相連接的單通道綜控解析級(jí)(23)，與所述單通道綜控解析級(jí)(23)相連接的交互級(jí)(24)、播送級(jí)(25)以及釋放驅(qū)動(dòng)檢測(cè)級(jí)(26); 所述交互級(jí)(24)與所述水密外殼(12)底端的通信及傳感器接口(14)相連接，所述播送級(jí)(25)還與所述水密外殼(12)頂端的半球指向量測(cè)示位換能器(9)相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的深水水下定位系統(tǒng)，其特征在于，所述水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)(2)包括聲速傳感器、姿態(tài)傳感器和壓力傳感器，所述聲速傳感器、姿態(tài)傳感器和壓力傳感器通過通信及傳感器接口(14)與所述量測(cè)示位管理單元(10)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的深水水下定位系統(tǒng)，其特征在于，所述水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)(I)包括分別與所述控制跟蹤管理單元(4)相連的系統(tǒng)操控觀測(cè)平臺(tái)(5)、GPS設(shè)備(6)以及MRU設(shè)備(7)，以及與所述系統(tǒng)操控觀測(cè)平臺(tái)(5)相連的SVP設(shè)備(8)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的深水水下定位系統(tǒng)，其特征在于，所述多基元聲學(xué)測(cè)量基陣為九基元聲學(xué)測(cè)量基陣(3)，所述九基元聲學(xué)測(cè)量基陣(3)包括八通道預(yù)置增益級(jí)、八個(gè)接收基元和一個(gè)發(fā)射基元，所述八通道預(yù)置增益級(jí)連接于八個(gè)接收基元。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的深水水下定位系統(tǒng)，其特征在于，所述控制跟蹤管理單元(4)包括外殼(15)，設(shè)置于外殼(15)內(nèi)的八通道變?cè)鲆鏋V過級(jí)(16)，與所述八通道變?cè)鲆鏋V過級(jí)(16)相連接的八通道變換級(jí)(17)，與八通道變換級(jí)(17)相連接的八通道綜控解析級(jí)(18)，與八通道綜控解析級(jí)(18)相連接的交互級(jí)(19)以及與八通道綜控解析級(jí)(18)相連接的播送級(jí)(20)； 所述八通道變?cè)鲆鏋V過級(jí)(16)連接于外殼(15)外部的九基元聲學(xué)測(cè)量基陣(3)中的八通道預(yù)置增益級(jí)，所述交互級(jí)(19)連接于外殼(15)外部的系統(tǒng)操控觀測(cè)平臺(tái)(5)，所述播送級(jí)(20)與外殼(15)外部的九基元聲學(xué)測(cè)量基陣(3)中的發(fā)射基元連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的深水水下定位系統(tǒng)，其特征在于，所述水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)(2)為多個(gè)，該多個(gè)水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)(2)中的至少一個(gè)安裝于需要定位的裝置上，剩余的固定排列于水底構(gòu)成基陣。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的深水水下定位系統(tǒng)，其特征在于，所述水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)(2)為至少兩個(gè)部，該至少兩部水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)(2)固定于需要測(cè)量的裝置上。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的深水水下定位系統(tǒng)，其特征在于，所述水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)(2)為至少一個(gè)部，該至少一部水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)(2)安裝于所需跟蹤的跟蹤 物上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種深水水下定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括可設(shè)定主/從關(guān)系的水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)(2)以及與所述水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)(2)相對(duì)應(yīng)的水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)(1)；所述水下平臺(tái)量測(cè)示位子系統(tǒng)(2)包括可接收和發(fā)射聲信號(hào)的半球指向量測(cè)示位換能單元(9)以及區(qū)分聲信號(hào)中示位工作模式或量測(cè)工作模式、并處理聲信號(hào)的量測(cè)示位管理單元(10)，所述水上平臺(tái)控制跟蹤子系統(tǒng)(1)包括用于接收和發(fā)射聲信號(hào)的多基元聲學(xué)測(cè)量基陣以及處理聲信號(hào)的控制跟蹤管理單元(4)。本發(fā)明工作模式多樣，靈活性與精確性兼?zhèn)淝夜ぷ鞣?wù)適用面寬。
文檔編號(hào)G01S15/08GK103149565SQ20131005860
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月25日
發(fā)明者孫大軍, 劉義勇, 劉培林, 李懷亮, 朱紹華, 陳永訢, 謝蘭江, 張寧 申請(qǐng)人:中國海洋石油總公司, 中海石油深海開發(fā)有限公司, 海洋石油工程股份有限公司, 哈爾濱工程大學(xué)