摘要：在深水海管铺设中，需要使用长基线定位系统（long baseline，LBL）对锚点、管端起点、终点、海管回接、短管测量等进行定位。本文对在深水海管铺设中应用的LBL的设备组成、工作原理以及发展趋势进行了简介。
关键词：海管铺设、深水、长基线水深定位系统
一、引言
深海蕴藏了大量的油气资源，从国际能源署公布的数据看，近10年发现的超过1亿吨储量的大型油气田中，海洋油气占到60%，其中一半是在水深500米以上的深海，同时不断出现的新技术推动着深水石油开发工程的发展。
海底管线是油气集输的主要手段之一，是油气田建设中不可缺少的组成部分。在浅水海管铺设中，可以使用DGPS、潜水员携带USBL等手段对锚点、管端起点、终点、海管回接、短管测量等进行定位。但是在深水海管铺设作业中，无法使用上述手段由于作用距离短，无法进行深水定位。
随着水声定位技术的发展，长基线（long baseline，LBL）因其作用范围广、定位精度高（可达10mm）等优点，成为深水海管铺设作业的主要定位手段，基线长度可达数百米到千米。
二、LBL声学定位系统工作原理
如图1所示，以最简单的三阵元海底基阵网为例。首先利用水面船在阵中来回航行，并连续与应答器进行应答，确定各应答器A、B、C的坐标，坐标记为(X1，Y1，Z1)、（X2，Y2，Z2) 和(X3，Y3，Z3)。
海管上的收发器向海底基阵发出测距询问声信号，海底基阵元接收并向目标发送应答声信号，通过这种应答机制，测量目标到各阵元声波的往返时间，从而计算出各阵元与收发器的距离，通过距离计算获得目标的位置，阵元至定位目标距离观测值记为R1、R2、R3，设目标位置为( X，Y，Z)，则可以组成如下方程:
(X－X1)2+(Y－Y1)2+(Z－Z1)2=R12
(X－X2)2+(Y－Y2)2+(Z－Z2)2=R22
(X－X3)2+(Y－Y3)2+(Z－Z3)2= R 32
求解方程组即可得到目标三维坐标(X，Y，Z)。
三、LBL声学定位系统组成和应用
1.长基线定位系统组成
LBL声学定位系统一般由三大部分组成，即安装在深水铺管船或者作业船上的数据处理及控制系统、安装于定位海管位置或作业船上的收发器以及布放在海底的由至少三个收发应答器组成的海底基阵。
海底应答器一般由接收水听器、转发发射换能器（也可收放公用一个换能器）、浮球、水密电子罐及沉快组成，发射信号频路为15KHz，接收回答信号为8.5-12KHz，间隔频路有500Hz（图2）。
为确定海管的深度、海管所处是水层的声速，收发器和海底基阵阵元都集成有温盐深仪(CTD)，可以精确获得测量点的声速和深度。为对海底基阵进行布放及回收，海底基阵收发应答器集成有声学释放机构。
除了上述主要部分外，根据LBL绝对定位要求，深水铺管船或者作业船上还需安装水面DGPS定位系统、电罗经、声速剖面仪、姿态补偿装置等外围支持设备。
2.长基线定位系统在深水海管铺设中的应用
在深水海管铺设中，长基线定位系统主要用于确定起始铺设、在线结构安装、终止铺设的铺设精度满足设计要求，也就是起始封头、终止封头、在线结构物落于既定的目标区域内，该区域一般为2m×3m的平面区域。
在进行深水海管铺设时，首先需要在海底布设3个以上的已知相对或者绝对坐标位置基点，每个基点位置布置一个水听器（应答器），组成一个已知位置的几何基阵，如图3所示。起始封头或终止封头或在线结构物上同样安装一个应答器，从而确定被测目标的位置。工程船通过测量起始封头或终止封头或在线结构物上安装的应答器和已知位置应答器之间的距离和方位，通过球面或者双曲面几何解算，得出被测目标的位置，从而确定起始铺设、在线结构安装、终止铺设的铺设精度满足设计要求。
四、LBL 技术发展现状与趋势
在深水海管铺设中，施工船舶基本都是动态定位(dynamic positioning，DP)船舶。为满足动态定位的需求，LBL通过与USBL、SBL组合，形成长基线短基线组合定位系统(L/SBL)、长基线超短基线组合定位系统(L/USBL)、长基线短基线超短基线组合定位系统(L/S/USBL)等，不仅增加了观测量，而且等同于增加了备份系统，保证了海上作业的需要。
同时，为适应海上恶劣的作业环境，LBL使用的传统窄带脉冲信号，已逐渐被宽带数字扩频信号取代。宽带信号可以：
①距离测量分辨率达到厘米级；
②应答器的工作时间延长4倍以上；
③提高了设备抗噪声的能力；
④海底基阵校准耗时大大缩短。
目前，国外著名的几大声学设备公司推出的新型产品中，可兼有窄带脉冲信号工作方式和宽带信号工作方式。
结束语
随着我国海管铺设施工作业水深的增加，长基线深水水声定位系统已经在多个油气田开发项目中获得应用，获得了一定的经验，但理论及硬件设备较国外仍具有较大差距，随着未来海洋工程事业的发展，长基线水声定位技术一定会在我国有长足的发展和良好的市场前景。
参考文献
[1] 李志刚等.深水海底管道铺设技术[M], 北京.机械工业出版社，2012..7.
[2] 赵建虎.现代海洋测绘[M]. 武汉.武汉大学出版社.2007.12.
论文作者:吴仕鹏,刘凯
论文发表刊物:《基层建设》2017年第24期
论文发表时间:2017/11/13
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