LBL长基线系统精度测试与分析

摘 要 本文主要通过Sonardyne LBL 6G在中国大亚湾测试过程和结果，验证其相对和绝对校验可行性，及其性能精度和精度分析。

关键词 LBL；基阵；相对校验；绝对校验；测距精度；布标

中图分类号U17 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）87-0123-02

1 概述

LBL（Long Base Line）长基线水下声学定位技术是目前精度最高、可靠性最强的水下定位技术之一，其在海洋工程施工、模块安装、管线铺设和对接；高精度拖体定位跟踪、ROV定位导航、DP船声学定位参照、AUV定位跟踪、遥控等等提供厘米级定位服务。广泛地应用于海洋石油和天然气工业、海洋科研、军事领域等。

LBL系统包含两部分，一部分是安装在船只或水下机器人上的收发器（Transducer），另一个部分是一系列已知位置的固定在海底的应答器，至少三个以上。应答器之间的距离构成基线，长度在上百米到几千米之间，相对超短基线（USBL）、短基线（SBL），称为长基线系统。长基线系统是通过测量收发器和应答器之间的距离，采用测量中的前方或后方交会对目标定位，所以系统与深度无关，也不必安装姿态、电罗经设备，长基线定位是基于 距离测量。从原理上讲，系统导航定位只需要2个海底应答器就可以，但是产生了目标的偏离模糊问题，另外不能测量目标的水深，所以至少需要3个海底应答器才能得到目标的三维坐标。实际应用中，需要接收4个以上海底应答器的信号，产生多余观测，提高测量的精度。如图1 LBL基阵图。

LBL系统的优点：独立于水深值，具有较高的定位精度；多余观测值增加；对于大面积的调查区域，可以得到非常高的相对定位精度；换能器非常小，易于安装。

LBL的缺点：系统复杂，操作繁琐；数量巨大的声学基阵，费用昂贵；需要长时间布设和收回海底声学基阵；需要详细对海底声学基阵校准测量。

2 Sonardyne 6G LBL系统

Sonardyne 6G LBL系统由分布于海底COMPATT 6信标（Transponder），组成水下长基线阵列，阵列经过校准后，任何在阵列中的目标和水面船的测距精度可以达到1-2厘米，相对定位精度可高

达5厘米以内，且不受任何水深的限制。系统定位的原理采用完全的测距定位技术。采用当前最新的数字声学技术的Sonardyne 6G LBL系统除了能够提供高精度定位外，它还具备数量更多的通道，对于大型的复杂的油田开发项目，能够满足多船、多ROV 同时同地施工，而不会相互干扰，同时也是唯一能够提供USBL 兼容和高速数据遥测的声学技术。

Sonardyne 6G LBL系统主要由Transducer 8309、ROVNov、和信标组成，其精度和性能主要由海底基阵信标决定，主要技术性能如表1。

3 LBL布标与校验

LBL长基线系统布标与校验是LBL应用最关键技术之一，LBL应用中相对和绝对精确度主要取决于布标的合理性，及信标基阵校验的严密性和精度。

3.1 LBL布标

LBL布标根据不同的工作性质和海底地貌、结构物状态及精度要求，信标基阵形状和信标数量也不相同。布设原则：

1）海底信标最少不少于4个；

2）尽可能使被定位目标位于基阵中心；

3）若要得到更高定位精度，必须保证基阵中的信标稳定在海底；

4）基阵必须避开工作区域，以免水下施工影响基阵信标；

5）根据海底状况，基阵基线可以几百米到几千米布设。

布设方法：

1）水面释放，在船甲板使用绞车释放；

2）水下释放，使用ROV携带在水下释放。

3.2 相对校验

在布标工作结束后，使用安装在船体或ROV上的收发器激发由信标组成的海底基阵，对其进行相对位置校验。相对校验需要对基阵水深、基线距离、初始位置、声速进行观测，基阵中每个信标自测声速、互测距离。通过Fusion测量软件采用最小二乘法对基阵进行平差，计算信标最佳相对位置。相对校准基本原则如下：

1）在基线观测中，获得最佳的布标坐标，帮助早期识别错误或系统错误；

2）在基线观测前后，对基阵水深处都进行声速观测；

3）信标间进行多次基线观测，以优化其测距精度；

4）对基线两个方向进行测距，以协助严重错误的检测。

3.3 绝对校验

绝对校验包括基阵相对校验和Box in。相对校验3.1节已经介绍，以下介绍Box in。

Box in校准是结合水面定位和声学测距计算信标绝对大地坐标，完整的地Box in包括计划、数据收集、数据处理。

Box in校准是从水面船舶围绕参考信标开始，其船舶安装主要设备如下：

1）Transducer安装在船舷；

2）Veripos DGPS；

3）SG.Brown电罗经；

4）TSS姿态仪。

Box in校准数据收集在保证Transducer和信标互相通信的情况下，水面船舶围以参考信标为圆心作圆周航行（如图2）同时，Fusion测量软件收集船舶在绕行过程中的测距数据。

Box in数据处理，利用信标声学测距数据和DGPS计算的Transducer绝对位置通过四点空间测距交会法计算信标大地坐标，四点交会存在一个多余观测，利用最小二乘法进行平差，计算Box in 参考信标最佳的大地坐标。

4 LBL测试及精度分析

4.1.测试环境

2011年，天津港湾水运有限公司购进Sonardyne 6G LBL并于2012年3月在广东惠州大亚湾浅水区进行精度测试和性能验证。测量环境，气温16℃、气压1.015×105pa、水温10℃、声速1489.5m/s、风力4～5级东北风、海浪2.0m、水深15m～20m、流速20cm/s。

测量船使用的是游船（长16.0m，宽4.2m，吃水0.4m），最大航速8节。水面定位系统采用Veripos LD2卫星差分GPS，可以实现动态环境下厘米级的高精度定位。LBL定位精度与水深无关，故只需安装电罗经测定船舶艏向，不需要安装横摇、纵倾、起伏姿态仪。电罗经沿船艏方向安装并使用全站仪测量调整安装线，Transducer安装于船艏X-右手Y-甲板Z坐标系（3.25，2.15，1.20），GPS安装于（3.25，2.15，1.52）。

4.2测试流程

2012年3月27日，广东惠州大亚湾进行LBL精度测试和性能验证，具体测量流程如下：

1）计划。使用附加姿态传感器的信标（1012、1015）对一段已知长度的跨接管（15.80m）进行水下测量，测试LBL精度和性能。跨接管两端各安装一个信标并在下水前精确测量其距离。然后抛入海底，围绕跨接管布标、校验、测量两信标距离。对比分析LBL测量精度和性能；

2）布标方法。以跨接管为中心，正五边形各顶点布一个Compatt 6 信标，基线长度大于500m。采用水面绞车释放方式，信标悬浮于海底，悬浮线0.5m；

3）校准方法。相对校准，使用Fusion 6G LBL数据处理和定位软件对由Compatt 6组成的海底基阵（1001-1005）进行相对校准。校准过程中使用Dunker 6收发器激发Compatt 6相互测距、自测水深和声速，并利用最小二乘法进行距离平差调整，直到平差结果达到标准差小于项目和相关规范技术要求，输出校准报告。一般使用Wideband技术进行声速测距误差能够达到标准差小于0.05m，Stone技术标准差小于0.15m；

4）绝对校准，通过测量船绕基线最长的1002和1003 信标进行校准；

5）测量。校准结束后，控制收发器激发1012和1015信标进行测距，测量结果15.84m。与钢尺测量结果15.80m相差0.04m。

4.3结果及精度分析

本次测试，Sonardyne 6G LBL水下定位系统在设备安装、相对校验、绝对校验、数据处理、目标定位等技术环节中表现优越。为用户提供简便的设备安装方案。在相对校验中，采用相同的频率去询问不同地址和TAT返转时间间隔，为相对校验节省了大量时间（5信标基阵可以简约五分之四的校验时间）。

Sonardyne 6G LBL水下定位系统在水下基阵提供多余观测的情况下（基阵中信标个数为4个或大于4个），相对测距精度可以达到0.05m的技术要求。

5结论

中国海洋石油股份有限公司在2011年宣布了一个“5年中国南海石油产量达到5000万吨”的宏伟规划，在此规划推动下拉开了南海资源大开发的序幕，而LBL长基线定位系统不但可以实现高精度定位且不受水深影响的特性必将在深水钻井、水下结构安装、PLET安装、海管海缆铺设等海洋石油开发项目中得到广泛应用。

参考文献

[1]江南，黄建国，李珊.长基线水下目标定位新技术研究.仪器仪表学报，2004，8.

[2]吴永亭，周兴华，杨龙.水下声学定位系统及其应用.桂林工学院学报，2003，7.

推荐访问： 基线 精度 测试 分析 系统

---