Độ chính xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn
KHÁI NIỆM VỀ ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM VÀ PHÂN LOẠI 1.1 Khái niệm về định vị thuỷ âm
Định vị thuỷ âm, theo từ điển Bách Khoa Toàn Thư Việt Nam, là quá trình xác định vị trí và các tham số chuyển động của đối tượng dưới nước thông qua tín hiệu âm thanh lan truyền trong nước, được phát xạ hoặc phản xạ bởi các đối tượng đó Phương pháp này bao gồm ĐVTÂ chủ động và ĐVTÂ thụ động, được sử dụng để phát hiện tàu nổi, tàu ngầm, thuỷ lôi, luồng cá, cũng như nghiên cứu đáy biển.
Sóng Radio không thể truyền qua nước ở mọi độ sâu và không thể dùng để định vị dưới nước, do đó, sóng âm trở thành phương pháp hiệu quả để xác định vị trí dưới nước Hệ thống định vị dưới nước bao gồm các thiết bị thuỷ âm được lắp đặt dưới đáy biển, trên tàu hoặc trên các thiết bị di động, phục vụ cho việc khảo sát và lắp đặt thiết bị dưới đáy biển Định vị thuỷ âm đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí động của các công trình thăm dò và khai thác trên biển, như dàn khoan và robot thám hiểm đáy biển.
1.2 Phân loại định vị thuỷ âm và ưu nhược điểm từng phương pháp 1.2.1 Phân loại định vị thuỷ âm Định vị thuỷ âm được chia làm 3 phương pháp:
- Định vị thuỷ âm đường đáy siêu ngắn – Ultra Short Base Line -USBL
- Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn – Short Base Line - SBL
- Định vị thuỷ âm đường đáy dài – Long Base Line - LBL Đặc trưng kỹ thuật của chúng được thể hiện ở bảng 1.3
Bảng 1.1 Chiều dài cạnh đáy, loại trị đo của các phương pháp định vị thuỷ âm:
Phương pháp định vị Chiều dài cạnh đáy Loại trị đo Định vị thuỷ âm đường đáy siêu ngắn (USBL)
< 10cm Đo hướng và khoảng cách Định vị thuỷ đường đáy ngắn ( SBL)
20m – 50m Đo hướng và khoảng cách Định vị thuỷ âm đường đáy dài
Đo khoảng cách từ 100m đến 6000m có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau Tùy thuộc vào điều kiện khu vực đo, yêu cầu về độ chính xác và ngân sách, người dùng có thể lựa chọn phương pháp định vị phù hợp nhất.
1.2.2 Ưu nhược điểm của các phương pháp định vị thuỷ âm
1.2.2.1 Định vị thuỷ âm đường đáy siêu ngắn: a Ưu điểm :
- Hệ thống dễ triển khai trong thực tế , dễ sử dụng
Hệ thống tọa độ đầu phát biến được sử dụng làm cơ sở, loại bỏ sự cần thiết của các mốc tín hiệu hay bộ ứng đáp gắn dưới đáy biển Tọa độ của tàu được xác định chính xác bằng công nghệ GPS.
- Chỉ cần một bộ ứng đáp trên bề mặt, trên thiết bị lặn hoặc công trình
- Độ chính xác cao trên các đối tượng động. b Nhược điểm :
- Hệ thống yêu cầu hiệu chỉnh chi tiết các tham số môi trường
- Độ chính xác phụ thuộc vào các thiết bị phụ trợ như bộ hiệu chỉnh con quay hoặc các trạm cải chính độ cao
- Trị đo thừa ít nên độ tin cậy còn hạn chế
- Bộ phát biến lớn , giá thành bộ phát biến cao.
1.2.2.2 Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn: a Ưu điểm:
- Hệ thống dễ triển khai trong thực tế , dễ sử dụng
- Khả năng nâng cấp tốt với các mốc tín hiệu.
- Độ chính xác cao đối với các đối tượng động.
- Không gian dự phòng được xây dựng ngay bên trong hệ thống.
Hệ tọa độ tàu được xác định bằng GPS, không cần sử dụng các mốc tín hiệu hay bộ truyền phát cố định dưới đáy biển.
- Bộ phát biến nhỏ, giá thành mỗi bộ phát biến rẻ. b Nhược điểm:
- Hạn chế về độ chính xác ở vùng nước sâu ( > 30m).
- Cần xưởng sửa chữa tầu hoặc cảng để hiệu chỉnh hệ thống
- Hệ thống yêu cầu hiệu chỉnh chi tiết các tham số môi trường
- Độ chính xác phụ thuộc vào các thiết bị phụ trợ như bộ hiệu chỉnh con quay hoặc các trạm cải chính độ cao.
- Cần ít nhất 3 bộ phát biến cho một thiết bị.
1.2.2.3 Định vị thuỷ âm đường đáy dài a Ưu điểm:
- Độ chính xác không phụ thuộc vào độ sâu
- Có nhiều trị đo thừa.
- Cung cấp độ chính xác cao trong khu vực lớn
- Không cần thêm các hệ thống phụ trợ như bộ tham chiếu độ cao , la bàn.
- Bộ phát biến nhỏ, chỉ cần một bộ phát biến cho một thiết bị. b Nhược điểm:
- Hệ thống phức tạp đòi hỏi người sử dụng chuyên nghiệp.
- Yêu cầu các hệ thống thiết bị đắt tiền.
- Chi phí nhiều thời gian cho việc triển khai và khôi phục hệ thống.
- Mỗi hệ thống LBL đều yêu cầu kiểm định trước mỗi lần triển khai sử dụng.
1.2.3 Độ chính xác của định vị thuỷ âm và các nguồn sai số
1.2 3.1 Nguồn sai số và độ chính xác của định vị thuỷ âm: a Nguồn sai số của định vị thuỷ âm
1 Lắc dọc và lắc ngang của tàu.
2 Độ lệch offset của dàn đối với điểm quy chiếu , ví dụ như trọng tâm (COG)
3 Độ dịch chuyển do sự kết hợp của độ lệch dàn và chuyển động lắc dọc và lắc ngang của tầu.
4 Độ lệch của bộ ứng đáp /bộ đáp/mốc tín hiệu âm dưới biển so với mục tiêu chỉ định. b Độ chính xác của định vị thuỷ âm.
- Độ chính xác của hệ thống định vị thuỷ âm được quyết định bởi độ chính xác của hệ thống mốc tín hiệu thuỷ âm.
Độ chính xác của các hệ thống định vị âm thanh phụ thuộc vào việc xác định và hạn chế hiệu ứng khúc xạ âm, đặc biệt quan trọng trong khu vực có thiết bị cố định như hệ thống dàn khoan ngầm Trong khu vực này, hệ thống LBL cho thấy độ chính xác cao hơn so với hệ thống USBL và SBL.
- Phụ thuộc vào việc xác định và hệ số khúc xạ.
- Phụ thuộc vào các tần số được sử dụng, độ chính xác tăng khi tần số tăng nhưng giảm hiệu năng
- Sự tiên tiến của hệ thống phần mềm sử dụng để tính toán dữ liệu định vị.
- Mối quan hệ hình học giữa các thiết bị thuỷ âm.
Định vị thuỷ âm bị ảnh hưởng bởi nhiều nguồn nhiễu, bao gồm nhiễu âm thanh từ môi trường xung quanh, nhiễu phát sinh từ chính thiết bị sử dụng, và nhiễu do sự phản xạ âm thanh Những yếu tố này có thể làm giảm độ chính xác của quá trình định vị.
1.3 Ứng dụng trong thực tiễn
- Ứng dụng chủ yếu trong trắc địa công trình biển ( Định vị đế giàn khoan, định vị đường ống dẫn dầu, lắp đặt cáp …)
- Ứng dụng trong công tác hải dương học ( Nghiên cứu về biển, tìm các rặng san hô, xác định các luồng cá … )
- Xây dựng lưới khống chế đáy biển phục vụ công tác đo đạc biển và công tác xây dựng các công trình dưới biển…
Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn
3.1.1 Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn
Hình 3.1 Sơ đồ bố trí SBL
Hệ thống định vị thuỷ âm đường đáy ngắn (SBL) sử dụng các đường đáy ngắn dài từ 20 – 50m, được bố trí dưới đáy tàu và xác lập trong hệ tọa độ tàu Các thiết bị nghe hoặc đầu phát biến được đặt ở đầu và cuối của các đường đáy ngắn Hệ thống SBL hoạt động hiệu quả cả khi tàu đứng yên hoặc đang di chuyển Để đạt độ chính xác cao trong định vị, hệ thống nên được sử dụng ở những vùng có độ sâu tương đương chiều dài cạnh đáy Tuy nhiên, ở vùng nước sâu, hệ thống có thể áp dụng nguyên tắc khác, bao gồm việc đo góc tới bên cạnh các trị đo khoảng cách bằng tín hiệu âm.
Nếu bộ ứng đáp và mốc tín hiệu âm được xác định tại vị trí cố định dưới đáy biển, chúng ta có thể xác định vị trí của tàu bằng cách sử dụng các thiết bị hỗ trợ như bộ chỉnh hướng và cảm biến lắc Toạ độ của tàu được tính toán dựa trên các trị số đo khoảng cách và góc từ mốc thuỷ âm đến đầu ống nghe trong hệ toạ độ được thiết lập bởi các đường đáy ngắn.
Ngược lại với vị trí tàu được xác định bằng DGPS, việc sử dụng thiết bị thuỷ âm để đo khoảng cách và hướng sẽ giúp xác định vị trí của bộ ứng đáp trong hệ tọa độ của tàu.
Phương pháp định vị thuỷ âm đường đáy ngắn có những hạn chế trong việc xác định vị trí động của hệ thống cố định trong phạm vi nhỏ Tuy nhiên, phương pháp này vẫn được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
- Vị trí của tầu trong phạm vi nhỏ ( từ mốc tín hiệu tới bộ ứng đáp ở trên đáy biển) tương đương với độ sâu của nước.
- Xác định vị trí hoặc theo dõi thiết bị dưới nước hoặc thiết bị kéo theo tầu.
- Vị trí các thiết bị động (tầu cố định tại một điểm) ví dụ như mũi khoan.
Trong phương pháp sử dụng mốc tín hiệu cố định, khoảng cách đo từ đầu nghe đến mốc tín hiệu âm được xác định dựa trên hiệu thời gian tín hiệu Để thực hiện đo đạc chính xác, cần biết độ sâu tại vị trí tàu Khi sử dụng thiết bị bộ ứng đáp, khoảng cách từ bộ ứng đáp đến các đầu nghe sẽ được đo Các đầu nghe tín hiệu âm gắn dưới đáy tàu phải nằm trên cùng một mặt phẳng, và vị trí tương hỗ giữa các đầu thu tín hiệu cũng cần được xác định trước.
Có ba trường hợp sử dụng hệ thống định vị thuỷ âm đường đáy ngắn:
Tàu cố định kết hợp với bộ phát tín hiệu di động cho phép xác định vị trí liên tục của thiết bị dưới nước Khi bộ ứng đáp được lắp đặt trên thiết bị di động và tàu cố định, việc theo dõi vị trí sẽ trở nên chính xác và hiệu quả hơn.
Tàu di chuyển có thể xác định vị trí chính xác nhờ vào bộ ứng đáp cố định được gắn dưới đáy biển tại các tọa độ đã được quy ước Sự hỗ trợ từ các thiết bị cảm biến và các giá trị đo theo nguyên lý thuỷ âm giúp theo dõi vị trí của tàu trong suốt quá trình di chuyển.
- Cả tầu và bộ ứng đáp cùng di chuyển nhưng hệ toạ độ của tầu cần phải được xác định bằng định vị DGPS.
3.1.2 Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn sử dụng mốc tín hiệu cố định
Trong trường hợp đo tại khu vực có độ sâu lớn, độ sâu H sẽ vượt xa cạnh đáy của tàu Để định vị hiệu quả, chúng ta áp dụng phương pháp đo góc tới kết hợp với đo khoảng cách hoặc độ sâu Hình 3.2 minh họa một ví dụ đơn giản với ba ống nghe tín hiệu âm được gắn dọc theo hai trục x và y vuông góc với nhau.
Hình 3.2 Quan hệ hình học giữa mốc tín hiệu và ống nghe tín hiệu âm
Trục x nằm thẳng hướng với mũi tàu, trong khi trục y vuông góc với hướng mạn tàu Trục z vuông góc với mặt phẳng đáy tàu của các ống nghe tín hiệu âm và hướng xuống dưới Sự khác biệt về thời gian nhận tín hiệu tại mốc tín hiệu của các ống nghe âm được ký hiệu là dT1 và dT2, được đo trên hai trục Khoảng cách D1 (theo trục x) giữa bộ thu H1 và H3, cùng với D2, được xác định để phân tích tín hiệu.
( theo trục y ) giữa ống nghe tín hiệu âm thu H1 và H2 và độ sâu “z” đã được biết trước.
Các ẩn số quan trọng trong việc xác định tọa độ x, y của điểm tín hiệu dưới đáy biển nằm trong hệ tọa độ của các ống nghe tín hiệu âm Khoảng cách hiệu giữa hai điểm được tính theo công thức dRx = R3 – R1 = v.dT = v(T3 - T1).
T1 và T3 là thời điểm mà ống nghe tín hiệu âm H1 và H3 nhận được tín hiệu Với vận tốc âm thanh trong nước tại khu đo, góc lệch của ống nghe tín hiệu âm so với mốc tín hiệu theo trục x được ký hiệu là θ x Góc θ x có thể được tính toán theo công thức cụ thể như trong hình 3.1.
D dT v θ x (3.2) ẩn số tính từ góc nghiêng và độ sâu “ z ” đã biết như sau: z x x = tan θ (3.3)
Dọc theo trục y, khoảng cách hiệu được tính bằng công thức dRy = R2 – R1 = v.dT = v(T2 – T1) Góc lệch của ống nghe tín hiệu âm so với mốc tín hiệu theo trục y được ký hiệu là θ y và có thể được tính toán dựa trên các thông số đã cho.
Và ẩn y được tính: z y y = tan θ (3.6)
3.1.3 Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn sử dụng thiết bị bộ ứng đáp
Thông qua thiết bị thuỷ âm, thời gian truyền tín hiệu từ bộ ứng đáp đến ống nghe âm thanh được tính toán Hệ tọa độ trục của ống nghe sẽ được xác định dựa trên mối quan hệ hình học của nó, như hình minh họa đã chỉ ra.
Trong hình 3.3, chúng ta xem xét mối quan hệ hình học giữa nguồn âm và bốn ống nghe tín hiệu âm (bao gồm một ống dự phòng) được gắn trên đáy tàu, tạo thành hình chữ nhật với cạnh dài 2a và 2b Các ống nghe này sẽ đo được các khoảng cách R1, R2, R3, R4, liên quan đến ba ẩn số x, y, z, trong khi a và b là hai tham số đã biết Mối quan hệ giữa các tham số a, b, các giá trị đo R1, R2, R3, R4 và ba ẩn số này được thể hiện qua một công thức toán học.
Để giải quyết bài toán với các phương trình phi tuyến tính đối với các ẩn số x, y, z, cần triển khai phương trình 3.7 về dạng tuyến tính thông qua phương pháp số bình phương nhỏ nhất Điều này đòi hỏi phải có giá trị gần đúng của các ẩn số, tức là xác định vị trí gần đúng của bộ ứng đáp Bài viết này sẽ trình bày phương pháp xác định các ẩn số x, y, z một cách chi tiết.
Từ 3.7 ta biến đổi về 3.8
Từ 3.8 sau khi ta biến đổi sẽ được các phương trình sau: by R
Giá trị toạ độ x,y của bộ ứng đáp được tính : b
Sau khi tính được toạ độ x,y thì toạ độ z được tính như sau :
3.2 Các hệ toạ độ và các hệ quy chiếu
