超短基线（USBL）在OBN定位中的应用

张安宝 韦立光

中海油服物探事业部 天津 300451

OBN（Ocean Bottom Node，海底节点）是一种位于海底，可以独立采集、记录地震信号的多分量地震仪，可以在浅滩、过渡带、平台等复杂地形施工作业，其独立采集的特点让OBN作业区域更宽泛，作业方式更多样，施工效率更高。特别是深水的OBS地震勘探中，OBN已经成为海洋地震采集的主要方法[1]。

在OBN地震勘探中，节点铺放精度是直接决定地震资料好坏的因素之一。在铺放过程中由于受到潮流、水中障碍物、海底泥层的不规则性等因素影响，节点在下水点的位置坐标和其实际沉放到海底的位置坐标存在着较大差异，这种差异会直接影响地震资料的好坏。所以海洋地震勘探对OBN施工作业的要求是：确定检波点点位在海底的准确位置，使其精度尽可能满足施工设计和作业指标要求，确保地震资料质量[2]。

1 OBN 施工方式和定位方法

OBN与拖缆、OBC的区别主要是OBN作为一个无需额外供电的独立采集系统，可以单节点铺放，也可以多个节点串联起来铺放。常规的施工方式是用绳子将多个节点按照一定的道间距，把整个施工设计排列上所有的节点串联起来，按照测线的桩号顺序一个个铺放到海底，等完成地震资料采集后再将节点从海底回收。

因节点本身不具备声学定位功能，需要在节点上绑定信标（声学设备），通过确定信标在水下的位置来确定对应节点的位置。为了提高节点的铺放精度，需要采用超短基线（USBL）声学定位系统实时定位节点铺放过程中节点的位置，利用作业船舶的位置调整，通过节点绳将受力传导给节点，调整控制节点在水中下落过程中的运动状态，使节点落在设计点位的范围内。节点完成铺放后，还要对水下节点进行二次声学定位，确定节点在海底的真实位置，作为最终的成果资料。

2 超短基线（USBL）系统工作原理和应用

在国内外的OBN项目里，水深低于300米的项目都使用到了超短基线（USBL）声学定位系统。相对于长基线定位系统，超短基线（USBL）使用更方便，更简单，不用专门在海底铺设声学矩阵，就可以实时跟踪单点信标，非常适合OBN节点作业的特点。

2.1 超短基线（USBL）系统组成和工作原理

超短基线（USBL）定位系统硬件由工作主机，声学探头（换能器基阵）、信标、编码器等，另外还配备相关应用软件。声学探头是包含1个信号发射器和多个接收器，依据厂家设备不同，接收器的数量和排列方式不同。发射器位于声学探头的中间，接收器环绕在发射器周围。工作原理就是工作主机将信标的地址号发给声学探头，声学探头将电信号转换成一定频段的声波信号，由发射器向水下的信标发射声波信号，信标接收到声波信号后，反馈对应地址和编码器编译的通道号给接收器，由多个接收器同时接收反馈信号，通过检测计算信标信号到达多个接收器的时间差，计算出信标位于声学探头坐标系中的俯仰角、方位角等，然后根据测得的距离和姿态航向角度数据，结合GPS数据，计算出此时信标在水中准确位置。

2.2 超短基线（USBL）在节点铺放过程中的应用

超短基线（USBL）的声学探头具有方向方位性，在安装声学探头前，须确保探头朝前方向与船首向保持平行。因声学探头与船中心坐标系不重合，存在着自身设备安装偏差，同时外部的姿态仪和电罗经也存在安装偏差，为了确保获取高精度的定位数据，在超短基线（USBL）系统投入使用前须进行设备校准。在正常作业中，需要将超短基线（USBL）系统和综合导航系统连接通信，利用综合导航系统对超短基线（USBL）系统进行外部控制，二者通过串口实现指令控制和数据传输。

节点铺放前，导航工作人员用编码器按照一定的排列方式对信标进行地址通道配置，将这些信标一一挂在相应的节点上，同时导航人员在综合导航系统上配置信标地址号、通道号、以及节点对应的测线号和桩号。在铺放作业时，启动综合导航系统的定位功能，导航系统会根据当前船位信息，计算确认当前测线的桩号及对应的信标地址号，将该信标地址号通过串口发送给超短基线（USBL）系统，然后经由换能器基阵将相应地址号的频段信号发射给水下的信标，等信标接收反馈回信号后，重新由超短基线（USBL）将该信标的距离、方位、坐标等信息传输给综合导航系统，导航工作人员在监控界面能实时查看到水下信标与当前测线的位置关系，通过分析信标与测线的横向偏差和纵向偏差，结合当前的水流情况，由导航工作人员与驾驶人员沟通，调整作业船舶的速度及航向，以便让节点落到标准要求范围。

2.3 超短基线（USBL）在二次定位中的应用

OBN沉放到海底后，需要对节点位置进行重新精准定位，以确定节点的真实位置，该过程称为二次定位。二次定位分为声学二次定位和初至波二次定位，因初至波在拾取观测值时容易受到地层反射、折射等多方面因素影响，野值较多，需要花费较多的精力去筛查，影响现场施工效率，所以主流的二次定位方法是声学二次定位[3]。

超短基线（USBL）进行声学二次定位与节点铺放流程的工作流程基本一样，选择需要定位的测线，配置该测线的声学定位参数，包含：测线号桩号、信标地址通道号、选择声学定位模式等，然后启动定位功能，系统内部之间的工作过程与节点铺放一样，二者区别在于声学二次定位航行轨迹固定在测线的正上方，而铺放节点需要根据节点位置调整船位。

当完成整条测线的声学数据采收后，利用综合导航系统的PPN声学后处理节点，则需要对该条测线相应的原始声学定位P294文件进行后处理，根据工区参数和环境因素，设置合理的门限值，去除掉观测值的尖跳野值，处理后生成的SPS声学定位文件，就是节点在海底的真实位置坐标信息，作为最终的成果文件上交存档。

3 超短基线（USBL）应用效果

超短基线（USBL）声学定位技术在国内外OBN项目中已经得到应用验证，下面以南海某项目为例，该工区水深在62-80米之间，道间距50米，炮间距50米，要求放缆精度不应大于15米。下图1和图2是该工区的2525测线铺放后用超短基线（USBL）进行的第一次声学定位结果，从下图中可以看到2525测线横向偏差和纵向偏差都在15米范围内，在节点铺放过程中利用超短基线（USBL）对水下信标的实时动态监控调整，确实有效的提高了节点铺放精度。

图1 2525测线第一次定位结果纵向偏差

图2 2525测线第一次定位结果横向偏差

在勘探过程中，发现有拖网渔船在2525测线东头（大桩号一边）的进行渔业打捞，有可能影响到该测线水下节点的位置，为了能确定水下节点的准确位置，安排声学定位船对2525测线重新进行声学二次定位，两次定位结果对比如下图3、图4所示：

图3 2525测线拖动前后的纵向对比结果

图4 2525测线拖动前后的横向对比结果

从上图中两次定位结果的对比可以看出，2525测线在桩号6534-6662区间两次定位结果不吻合，在纵向偏差和横向偏差上都出现明显的差异，可以确定水下节点发生位置变化，2525测线确实收到渔船拖动的影响，也验证了超短基线（USBL）声学定位能够准确的采集计算到节点在海底的位置，有效保证OBN点位的定位精度。

超短基线（USBL）不仅仅可以应用于节点铺放和声学二次定位，还可以应用到可视化动态捞缆头，将信标绑定到板锚上，实时监控板锚在水中的动态位置，通过调整船舶位置和板锚的配重，让其将水下节点绳勾起，然后将水下节点回收，这种方式不仅简单方便，作业效率也相比LRT的回收方式更高，也更节约成本【4-7】。

4 结束语

在OBN作业中利用超短基线（USBL）声学定位系统实时监控水下节点的动态位置，科学的指导实现节点铺放作业，让节点点位落在合格范围，避免点位超标而重新铺放的问题；该技术应用于声学二次定位，也能准确计算得到节点在海底的真实位置，保证节点的定位精度，从而保障地震资料的品质。