高精度水聲定位技術(shù)在深海油田系泊安裝中的應(yīng)用

吳穎媛　于淼　王火平　趙韻

摘要：油氣資源在目前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用，在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境下，針對(duì)深水油田群生產(chǎn)平臺(tái)系泊安裝需要高精度水下測(cè)量，本文提出一種高精度相對(duì)測(cè)陣水下定位技術(shù)。該技術(shù)首先基于射線(xiàn)傳播模型進(jìn)行部分信標(biāo)絕對(duì)位置解算，然后使用信標(biāo)間相互測(cè)距信息進(jìn)行最小二乘法平差優(yōu)化其余信標(biāo)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，經(jīng)信標(biāo)間相互測(cè)距信息平差計(jì)算，不僅提高海底信標(biāo)精度，而且提高了作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：深水油田群;高精度相對(duì)測(cè)陣;射線(xiàn)傳播模型;最小二乘法平差優(yōu)化

一、引言

在21世紀(jì)，世界各國(guó)已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā)和利用海洋資源，海洋油氣資源開(kāi)采對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)家戰(zhàn)略安全具有重要意義[1-3]。近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)能源需求持續(xù)增長(zhǎng)，石油對(duì)外依存度達(dá)到70%以上[4-5]。海洋石油與海洋事業(yè)和海洋法律具有密切聯(lián)系的產(chǎn)業(yè)。所以，海洋石油工業(yè)需結(jié)合新時(shí)代高新技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用和發(fā)展[3，5]。深水油田群開(kāi)發(fā)具有比淺海及陸上油田開(kāi)發(fā)更多的挑戰(zhàn)。目前國(guó)外深水油田群開(kāi)發(fā)的涉及勘探、鉆井、測(cè)井和試井等主要技術(shù)難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)的對(duì)深水油田群開(kāi)發(fā)正處于發(fā)展階段。未來(lái)全球海洋工程裝備必將具有高端化、深?；腿蚧忍攸c(diǎn)，海上油氣開(kāi)發(fā)平臺(tái)也將向大型化深?；较虬l(fā)展[3，5]。深水油田群開(kāi)發(fā)采用浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油系統(tǒng)（FPSO）[6-8]。FPSO始于20世紀(jì)70年代中期，F(xiàn)PSO的建造主要取決于造船市場(chǎng)和超級(jí)油輪市場(chǎng)的起伏。目前，基于深水油田群開(kāi)發(fā)的新設(shè)計(jì)概念和新規(guī)范，F(xiàn)PSO正擺脫常規(guī)船舶依賴(lài)概念，逐步向海洋工程設(shè)施方法。

FPSO主要通過(guò)采用永久式內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。系泊系統(tǒng)一方面能夠保證FPSO在預(yù)定海域的定位和安全功能外，另一方面需要為FPSO向水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供功能控制。內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)主要包括大型浮體、內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)、錨泊系統(tǒng)和立管系統(tǒng)。FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)需考慮復(fù)雜的海域條件，包括海域位置、水文和氣象條件等。本文介紹的FPSO系泊系統(tǒng)是用錨腿固定于海底，錨基礎(chǔ)采用吸力錨，在待測(cè)錨樁和錨鏈點(diǎn)處，由測(cè)量船攜帶遙控?zé)o人潛水器（ROV）協(xié)助布設(shè)水下信標(biāo)，經(jīng)高精度水聲定位系統(tǒng)對(duì)信標(biāo)進(jìn)行定位，完成對(duì)錨鏈點(diǎn)和錨樁的測(cè)量，輔助完成系泊。目前水上目標(biāo)定位主要采用全球衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)輔助的技術(shù)手段，但當(dāng)目標(biāo)處于水下時(shí)，由于水介質(zhì)對(duì)于無(wú)線(xiàn)電磁波的強(qiáng)烈吸收作用，導(dǎo)致衛(wèi)星無(wú)法完成對(duì)水下目標(biāo)的定位。所以，水下定位主要通過(guò)以聲波為信息載體的水聲定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)。FPSO系泊系統(tǒng)的完成對(duì)水聲定位系統(tǒng)的種類(lèi)和精度具有較高的要求。長(zhǎng)基線(xiàn)定位系統(tǒng)適用于這種FPSO系泊系統(tǒng)的深水高精度要求，長(zhǎng)基線(xiàn)定位系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量載體到位置已知的海底應(yīng)答器的相對(duì)距離，利用球面距離交會(huì)方法解算目標(biāo)位置。在高精度的水聲定位需求下，不僅要求水聲定位系統(tǒng)具有高精度的聲學(xué)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，還要求水聲定位過(guò)程中的系統(tǒng)誤差進(jìn)行高精度的修正。

深水油田群海域海洋環(huán)境條件惡劣，水聲高精度定位系統(tǒng)受諸多因素限制。一方面海洋環(huán)境復(fù)雜多變，溫度、鹽度和壓力的變化使得水聲信道發(fā)生時(shí)間變化和空間變化，不僅導(dǎo)致接收端聲信號(hào)的畸變，影響信號(hào)的檢測(cè)和估計(jì)性能，最終影響水聲定位系統(tǒng)的工作性能，而且會(huì)引起聲速發(fā)生梯度變化，造成聲線(xiàn)彎曲，導(dǎo)致水聲測(cè)量偏差[9-11];另一方面，海洋環(huán)境各類(lèi)噪聲，如波浪、潮汐和生物等噪聲，干擾水聲信號(hào)進(jìn)而降低信噪比[12-13]，為保證接收端信號(hào)有效地提取和處理，必須通過(guò)加大聲源級(jí)和抑制噪聲等信號(hào)處理技術(shù)。另外，海洋環(huán)境中的不均勻的散射容易引起定位系統(tǒng)的聲信號(hào)散射，進(jìn)而導(dǎo)致形成混響影響接收端信號(hào)檢測(cè)性能。本次深水油田群中錨安裝精度需優(yōu)于0.5m，傳統(tǒng)的水聲定位系統(tǒng)的設(shè)備和技術(shù)在該海域條件仍然面臨挑戰(zhàn)。

目前，國(guó)際上主流的定位系統(tǒng)，如法國(guó)IXBLUE公司生產(chǎn)的RAMSEE定位系統(tǒng)系列，通過(guò)稀疏陣列定位完成水下陣型測(cè)定[14];英國(guó)的Sonardyne公司新Compatt系列信標(biāo)融合水聲通信技術(shù)，代替過(guò)去單基線(xiàn)依次測(cè)量，可以同時(shí)多模式工作測(cè)量多個(gè)基線(xiàn)，大大提高陣型測(cè)量效率[15]。盡管目前國(guó)內(nèi)長(zhǎng)基線(xiàn)定位聲學(xué)設(shè)備研發(fā)已經(jīng)取得一定的成果[16-17]，但水下陣型測(cè)量技術(shù)多數(shù)仍然處于依次對(duì)各陣元單獨(dú)標(biāo)定階段，當(dāng)陣元數(shù)量較多時(shí)，這種標(biāo)定方式的每個(gè)信標(biāo)受海洋聲速變化影響，可能影響定位精度，而且需要長(zhǎng)時(shí)間和大成本支持。哈爾濱工程大學(xué)在水下信標(biāo)定位理論研究方面取得一定成果，蘭華林提出了一種深海聲信標(biāo)的精確標(biāo)定方法，該方法修正了水下聲線(xiàn)彎曲對(duì)定位精度的影響[18];李莉基于長(zhǎng)基線(xiàn)同步定位原理，對(duì)單基線(xiàn)相對(duì)陣型測(cè)量進(jìn)行了初步探索[19]。

基于深水油田開(kāi)發(fā)對(duì)精度優(yōu)于0.5m的需求，本文提出相對(duì)測(cè)陣定位技術(shù)，利用絕對(duì)定位坐標(biāo)和信標(biāo)間基線(xiàn)長(zhǎng)度測(cè)量進(jìn)行平差優(yōu)化海底信標(biāo)精度。這種相對(duì)測(cè)陣技術(shù)是建立在考慮聲線(xiàn)彎曲的模型解算基礎(chǔ)上，基于射線(xiàn)聲學(xué)模型進(jìn)行絕對(duì)位置定位，再結(jié)合部分絕對(duì)坐標(biāo)和信標(biāo)間距測(cè)量平差優(yōu)化海底信標(biāo)位置精度。本文旨在通過(guò)對(duì)海底信標(biāo)經(jīng)相對(duì)測(cè)陣技術(shù)定位后，能夠提高深海信標(biāo)定位精度，進(jìn)而提高作業(yè)效率。

二、相對(duì)測(cè)陣定位的基本原理

在水聲定位系統(tǒng)對(duì)錨點(diǎn)上布放的多個(gè)信標(biāo)測(cè)量時(shí)，傳統(tǒng)的定位方法是對(duì)每個(gè)信標(biāo)依次進(jìn)行獨(dú)立的圓軌跡定位，測(cè)量船上裝有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和姿態(tài)傳感器，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)移計(jì)算船底安裝的換能器坐標(biāo)，測(cè)量圓軌跡是以每個(gè)信標(biāo)為圓心、深度為半徑進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量，但是這種定位方式不僅作業(yè)時(shí)間跨度大、成本高，而且每個(gè)信標(biāo)的定位精度不一致。本文的方法是只需對(duì)部分信標(biāo)進(jìn)行絕對(duì)位置標(biāo)定解算，然后增加信標(biāo)間相互測(cè)量距離就能得到高精度的定位結(jié)果。

（一）絕對(duì)定位技術(shù)

（二）相對(duì)測(cè)陣定位技術(shù)

三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

在2019年8月，中海石油深海開(kāi)發(fā)有限公司聯(lián)合哈爾濱工程大學(xué)和海洋石油工程股份有限公司（COOEC）對(duì)深水油田群錨安裝過(guò)程的錨鏈點(diǎn)進(jìn)行精確定位實(shí)驗(yàn)，在待測(cè)錨樁和錨鏈點(diǎn)處，由測(cè)量船攜帶遙控?zé)o人潛水器（ROV）協(xié)助信標(biāo)布放如圖3所示，并對(duì)各信標(biāo)進(jìn)行編號(hào)，該深海油田系泊錨安裝精度要求優(yōu)于0.5m。

海底信標(biāo)布設(shè)完成后，對(duì)海上實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行安裝和準(zhǔn)備，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)主要分為絕對(duì)標(biāo)定過(guò)程和陣元相互測(cè)量距離過(guò)程。在完成實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作后，絕對(duì)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)使裝有GNSS和電羅經(jīng)的測(cè)量船對(duì)每個(gè)信標(biāo)按照預(yù)定航跡進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量，5號(hào)信標(biāo)定位航跡為半徑約400m的圓叉，交叉線(xiàn)航跡的夾角為60°，航行軌跡如圖5（1）所示，其余信標(biāo)使用相同半徑圓航跡進(jìn)行標(biāo)定。并在實(shí)驗(yàn)中測(cè)定聲速剖面如圖5（2）所示。將5個(gè)信標(biāo)的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)非線(xiàn)性最小二乘法計(jì)算坐標(biāo)值，并以英國(guó)的Sonardyne公司水下定位系統(tǒng)結(jié)果（由COOEC提供）為參考，其結(jié)果差值如表1所示，水平差值最小為4號(hào)信標(biāo)的0.1487m，最大為3號(hào)信標(biāo)的0.6306m，與參考差值表明，傳統(tǒng)的絕對(duì)聲學(xué)定位技術(shù)可能無(wú)法滿(mǎn)足高精度作業(yè)要求。

在絕對(duì)定位實(shí)驗(yàn)完成后，對(duì)所有信標(biāo)進(jìn)行信標(biāo)間相互距離測(cè)量。在相對(duì)測(cè)陣聲學(xué)定位過(guò)程中，首先由吊機(jī)吊放換能器入水42米，然后逐個(gè)對(duì)信標(biāo)發(fā)送相對(duì)測(cè)陣指令，使信標(biāo)進(jìn)行相對(duì)距離測(cè)量并上傳測(cè)距結(jié)果。陣元間基線(xiàn)距離測(cè)量如表2所示。以信標(biāo)2號(hào)和信標(biāo)4號(hào)為起始計(jì)算條件，平差計(jì)算求得其余信標(biāo)坐標(biāo)，和參考值的結(jié)果差值如表3所示，坐標(biāo)差值整體減小了，最大為3號(hào)信標(biāo)的0.2553m。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新高精度水下定位技術(shù)不僅滿(mǎn)足0.5m的作業(yè)需求，而且優(yōu)化了所有信標(biāo)的定位精度。與國(guó)外同型最先進(jìn)水下定位系統(tǒng)的比測(cè)，驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)水聲定位裝備的精度及可靠性與國(guó)外同型最先進(jìn)裝備一致。

四、結(jié)束語(yǔ)

面對(duì)深海油田群系泊安裝作業(yè)點(diǎn)測(cè)量?jī)?yōu)于0.5m的高精度需求，本文提出一種高精度水聲定位技術(shù)，不僅提高了海底作業(yè)點(diǎn)信標(biāo)的定位精度，而且簡(jiǎn)化了作業(yè)流程，節(jié)約作業(yè)時(shí)間和成本。

該方法在傳統(tǒng)的絕對(duì)定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用相對(duì)測(cè)陣定位技術(shù)，即測(cè)量信標(biāo)相互間的基線(xiàn)長(zhǎng)度，以部分信標(biāo)絕對(duì)定位位置為起算條件，使用基線(xiàn)長(zhǎng)度測(cè)量進(jìn)行約束，使信標(biāo)坐標(biāo)經(jīng)最小二乘平差計(jì)算得到修正。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，海底信標(biāo)經(jīng)相對(duì)測(cè)陣技術(shù)定位后，不僅提高了深海信標(biāo)定位精度，而且提高作業(yè)效率。

作者單位：吳穎媛? ? 中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司

于淼? ? 哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院? ? 海洋信息獲取與安全工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（哈爾濱工程大學(xué)）工業(yè)和信息化部

王火平? ? 中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司

趙韻? ? 哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院? ? 海洋信息獲取與安全工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（哈爾濱工程大學(xué)）工業(yè)和信息化部

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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