技术篇

坦桑尼亚海底管道路由勘测技术问题及解决方法探讨

邓卫红 刘其民 武玉梁

摘要：本文结合坦桑尼亚海底管道路由勘测工程，重点介绍了几个对工程开展产生影响的技术问题，并提出了解决方法，以达到提高工程质量，指导实践的目的，对今后同类勘测工程有借鉴意义。

关键词：路由勘测；多波束；定位设备；船尾拖拽式声呐

引言

当今世界各个国家都十分重视海洋资源的开发，随着海上石油业的飞速发展和近海海底油气资源的开发及跨海电缆的铺设，大量以海底为依托的工程设施应运而生。管道及海缆敷设前，人们需要了解路由周围的海底状况、水深、障碍物分布、地层构造等信息；同时管道敷设后的确切位置和敷设状态，也是人们十分关注的话题。海底管道路由工程勘测的目的是为了查明海底电缆管道路由区域的海底地形地貌、海底地质条件、海洋气象水文环境，为海底管道工程的选址、设计、施工提供基础资料和科学技术依据。

下面结合坦桑尼亚海底管道勘测工程进行详细说明。为了完成该项目，综合多种技术方法进行勘测。投入多种海洋勘测设备，如R2-SONIC 2024多波束测量系统、EdgeTech 4200 MP侧扫声呐、SEASPY海洋磁力仪、声波管线仪、中地层剖面仪、单波束测量、浪龙、海洋卫士、HD380单波束测深仪、SF3050导航定位仪等。在工程开展的过程中，遇到一些技术问题，并逐一解决，同时也积累了一些较好的经验，为今后类似的工程开展提供了借鉴，下面主要讲述在工程开展过程中遇到的几个重点问题与解决方法：

一 高精度GPS在多波束上的应用

国内大部分海上作业的定位设备采用信标机，该设备精度较低，一般只有1.5m，可能会造成多波束测量的地物出现错位且不连贯，管线状地物尤为明显。该工程采用SF3050导航定位仪，其标准精度为0.1m。导航定位的精度对多波束测量成果的质量影响较大，多波束系统作业时需要进行校正试验，以修正多波束换能器的姿态、涌浪补偿仪和定位设备相互间位置关系，该关系可以分解为横轴偏差（以下简称Roll）、纵轴偏差（以下简称Pitch）、艏摇偏差（以下简称Yaw），这三个值对多波束成果影响很大，并通过实践证明旋转角越大，作业区域水越深，产生的测深误差、位置误差也就越大（详见《多波束系统安装偏差造成的误差分析及校正方法探讨》）。定位误差主要对纵轴偏差、艏摇偏差的校准值影响较大，比如导航定位设备的精度为± 1.5m，多波束校正选择的物体也是个1.5m×1.5m的石头，那么有可能会因为导航定位设备的误差造成Pitch和Yaw计算值为零的可能性，且每次的校正值差值会较大，最终造成成果失真，条带间无法重叠、地物移位。本工程多波束系统校正分作业前、作业中、作业后，每次校正结果差值很小，且有规律，可以准确反映多波束系统的安装偏差。（如表1所示）

从表1数据可见，校准值变化都有一定的规律，统一减小，每次校准的变化值与船上的燃料与水消耗对应，呈现规律性。要是采用精度较低的DGPS，因为定位误差的原因，上述三个值未必会有如此明显的规律，即定位误差大，多波束校准误差也会较大。所以，采用高精度的定位设备，对于提高多波束成果尤为重要，可以减小因定位误差造成的校准误差，提高多波束成果的质量。同时，也说明为了减小因为燃料、水消耗造成多波束系统的安装角度偏差，在工程开展中应根据实际情况多次进行相关参数校正。

二 多波束系统测量质量控制

该工程测区穿越水域长度约25.5km，海底地形整体平缓，礁石区域主要分布在测区的两端，海管设计路由经过水域最大水深约46m，并呈现向两端岸边逐渐变浅的趋势。考虑多种设备同时作业，主测线间距布置为100m，要求多波束重叠度为25%。R2-SONIC 2024多波束的扫测角最大可以调节到160°，在此条件下，水深与扫测量程比例最大为1:5.7，但波束开角太大，会造成边沿波束质量差，故该工程波束开角一般控制在158°以内，并根据水深的变化实时调节多波束开角，在深水区域调小开角，浅水区域调大开角，确保采集的数据质量；对于测区内水深较浅的区域，如果100m间距作业不能覆盖时，中间再加测一条，确保质量不受影响。（如表2所示）

由于野外采集数据时波束角控制较好，并没有采用仪器的理论最大开角作业，测量的数据质量较高，噪声点很少，检测数据与成果数据拟合很好，同时有效地减少了多波束内作业的处理时间，提高了作业效率。

三 定位设备供多种仪器同时使用

海上工程一般远离陆地，陆上的常规定位设备很难满足要求，在中国沿海每隔大致500km建设有GPS基站，实时发送差分信号，为海上作业提供导航定位服务。在中国的海上工程定位可选设备比较多，比如用得较多的信标机（DGPS）在国内沿海精度一般为1.5m，满足大部分工程的需求。但坦桑尼亚的测绘基础建设十分薄弱，信标机在该国并不适用，采用单点定位误差会较大，经检测一般在6m左右。

导航定位是海洋勘测的关键，工程采用SF3050导航定位仪，具有全球性、全天候性，标称平面定位精度优于0.1m，满足业主的技术要求。该仪器信号输出端口有两个口，一个为RS-232（DB9）口，另一个为USB口。由于该设备数量有限，且各个作业组都在同一条船上同时作业，同时作业的设备有多波束系统、侧扫声呐、浅地层剖面仪、磁力仪等，特别是在多波束系统对导航定位设备要求较高的情况下，如何为多种海洋勘测设备提供定位服务，是需要重点考虑的难题，多波束系统除了需要SF3050导航定位仪输出的定位信息，如GGA语句、VTG语句，同时需要该设备输出的ZDA语句与1PPS信号，上述信号需要被多波束系统的多个接口单元使用，且传输的路径要求不同。传输给多波束甲板单元的NMEA语句只能含有ZDA语句，所以多波束系统的甲板单元就必须占用SF3050信号输出的一个RS-232（DB9）口，那么就只剩一个USB口可供其他设备使用。由于USB接口使用的局限性，数据不易被再分配，如市面上的USB集线器根本满足不了要求，那么要满足所有设备同时作业只能在唯一的RS-232（DB9）口上想办法。工程开展前，为了解决该问题，把多种数据如GGA、VTG、ZDA语句同时传入多波束的甲板单元，多次现场实验与数据分析，R2-SONIC 2024多波束测量系统的甲板单元在众多数据中完全能识别出自己所需要的ZDA语句，对成果没影响，亦即多种数据可以同时传给R2-SONIC 2024的甲板单元。解决该问题，多种勘测设备同时使用该仪器作业就变得简单，较大地提高了工作效率。

四 测深与航迹不符

本工程最早开展近岸端单波束水深测量，导航定位设备为SF3050，水深测量设备为HD380。HD380有USB口和RS-232（DB9）口都可以输入导航定位信息，刚开始作业时使用USB接口输入导航定位信息，作业过程中发现船舶航行的航迹线与实际不符，如出现船舶航向偏离，但是HD380的测量软件却显示船舶还在按之前的测线行驶，出现差异；为了更好地检测设备，船舶围绕海上固定点航行数周，然后远离该目标，发现船舶航迹还是在围绕该固定目标运动，差异十分明显。分析原因，是单波束测深与定位不同步造成的，该现象在作业初期表现不明显，但时间一长，定位滞后的弊端便显现出来了。把导航定位接口调整为RS-232（DB9）口，再也没有出现上述现象。原因是USB口传输信号的稳定性欠佳，数据量大的话容易造成数据传输滞后，而RS-232（DB9）口数据传输很稳定，不会出现上述情形。

五 近岸端扫海作业

本工程侧扫声呐作业均采用船尾拖拽式，一般放缆长度为40m，船速控制在4.5节以内，拖鱼深度一般为6—8m，数据质量较好，可以有效避开各种噪音，但近岸端礁石较多，且水深从5m到岸边的距离还有3km左右，那么这一段如何开展侧扫声呐扫海测量工作也是一个必须解决的问题。面积大、礁石多，侧扫声呐在近岸端礁石海域作业十分危险，容易触礁，造成仪器损坏的可能性很大。为了避免上述问题出现，在拖鱼的拖缆上系个浮球，该浮球可以确保拖鱼在没有船舶拉力的情况下单独浮起，在安全入水深度范围内，不下沉，最后把拖鱼的入水深度控制在2m，能有效和安全地完成了野外工作，并且数据质量较好，拖鱼的姿态并没有因为浮球的作用而改变，比较从侧扫声呐扫测的海底管道与多波束扫测的海底管道路由可知，拖鱼定位误差十分小，一般在2m以内，而且测量的管道路由与多波束成果相符，并没有出现因拖鱼姿态不稳定造成的弯曲现象。

六 结论

总体上讲，本工程在开展前做了充分准备，作业方案设计合理、要求高，作业过程严格按照规范及业主的技术要求，质量控制严格，勘测成果可靠、实用，本工程开展过程中遇到的关键技术问题及有效实时地解决，提高了工作效率与成果质量，确保了仪器设备的安全，为今后开展类似项目提供了借鉴，指导了实际工作。

 

参考文献

[1] 邓卫红：《多波束系统安装偏差造成的误差分析及校正方法探讨》，《湖北电力》2012年第2期。

[2] 李家彪：《多波束勘测原理技术与方法》，海洋出版社1999年版。

[3] 刘方兰、张志荣、余平：《多波束系统横摇、纵倾参数的校正方法》，《吉林大学学报》（地球科学版）2004年第4期。

[4]《海洋工程地形测量规范》（GB 1750—1998）。

[5] 国家海洋局908专项办公室：《海底地形地貌调查技术规程》，海洋出版社2006年版。