Do an khảo sát độ chính xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn

Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Mụci Lục Mục Lục Danh mục hình vẽ Danh sách bảng biểu .5 Danh mục từ viết tắt Mở đầu Chương .8 KHÁI NIỆM VỀ ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM VÀ PHÂN LOẠI 1.1 Khái niệm định vị thuỷ âm 1.2 Phân loại định vị thuỷ âm ưu nhược điểm phương pháp 1.2.1 Phân loại định vị thuỷ âm 1.2.2 Ưu nhược điểm phương pháp định vị thuỷ âm .9 1.2.2.1 Định vị thuỷ âm đường đáy siêu ngắn: 1.2.2.2 Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn: 1.2.2.3 Định vị thuỷ âm đường đáy dài 1.2.3 Độ xác định vị thuỷ âm nguồn sai số 10 1.2 3.1 Nguồn sai số độ xác định vị thuỷ âm: 10 1.2.3.2 Các nguồn nhiễu 10 1.3 Ứng dụng thực tiễn 10 Chương .12 MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM 12 2.1 Sự lan truyền sóng âm mơi trường nước 12 2.2.1 Sóng âm mơi trường nước: 12 2.2.2 Phương pháp xác định tốc độ âm: 13 2.2.3 Hiện tượng suy giảm cường độ âm nước : 16 2.2 Nguyên tắc đo khoảng cách định vị thuỷ âm .21 2.2.1 Nguyên tắc đo khoảng cách chiều .21 2.2.2 Nguyên tắc đo khoảng cách chiều .22 Chương .24 ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM ĐƯỜNG ĐÁY NGẮN 24 3.1 Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn 24 3.1.1 Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn 24 3.1.2 Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn sử dụng mốc tín hiệu cố định 26 3.1.3 Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn sử dụng thiết bị ứng đáp .29 3.2 Các hệ toạ độ hệ quy chiếu 31 3.2.1 Hệ quy chiếu WGS- 84 31 3.2.2 Hệ quy chiếu quốc gia VN2000 32 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i -1- Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa 3.2.3 Hệ toạ độ vng góc khơng gian địa tâm 33 3.2.4 Hệ toạ độ trắc địa 34 3.2.5 Hệ toạ độ vng góc khơng gian địa diện chân trời .37 3.2.6 Hệ toạ độ tầu 37 3.3 Kết hợp định vị DGPS định vị thuỷ âm .38 3.3.1 Các cơng nghệ định vị DGPS xác cao 38 3.3.1.1 DGPS( Định vị GPS vi phân) 38 3.3.1.2 Công nghệ C-Nav .40 3.3.1.3 Công nghệ GcDGPS 40 3.3.1.4 Công nghệ Fugro Omnistar .41 3.3.1.5 Hệ thống Starfire Công nghệ NavCom: 43 3.3.2 Sơ đồ nguyên lý kết hợp DGPS định vị thuỷ âm 44 3.3.3 Các thiết bị sử dụng định vị thuỷ âm .45 3.3.3.1.Thiết bị thuỷ âm sử dụng gắn tầu 46 3.3.3.2.Thiết bị gắn nước đáy biển 47 3.4 Phân tích nguồn sai số định vị thuỷ âm đáy biển 50 Chương .52 TÍNH TỐN THỰC NGHIỆM 52 4.1 Tính V theo P, T, H 52 4.2 Tính sai số trung phương khoảng cách D đo sóng âm 53 4.2.1 Sai số trung phương khoảng cách D đo theo nguyên tắc hai chiều 53 4.3 Xác định vị trí ứng đáp (dưới đáy biển) hệ toạ độ tầu .55 Kết luận 58 Tài liệu tham khảo .59 i i ii i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Danhi mụci cáci hìnhi vẽ -2- Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp STT Hình Nội dung 2.1 Mặt cắt nhiệt độ theo độ sâu 2.2 Biểu đồ độ mặn nước biển giới , đơn vị tính đơn vị muối thực tế 2.3 Thiết bị cảm biến nhiệt 2.4 Máy đo vận tốc âm 2.5 Hệ số hấp thụ sóng âm theo nhiệt độ độ sâu 2.6 Nguyên lý khúc xạ tia âm 2.7 Độ rộng băng tần 2.8 Chiều dài xung 2.9 Hình vẽ thể khoảng cách từ đầu phát biến tới ứng đáp thiết bị lặn 3.1 Sơ đồ bố trí SBL 3.2 Quan hệ hình học mốc tín hiệu ống nghe tín hiệu âm 3.3 quan hệ hình học nguồn âm ống nghe tín hiệu âm 3.4 Hệ toạ độ vng góc khơng gian địa tâm 3.5 Hệ toạ độ trắc địa 3.6 Hệ toạ độ vng góc khơng gian địa diện chân trời 3.7 Hệ toạ độ tầu 3.8 Công nghệ DGPS xác định vị trí tầu biển 3.9 C-nav 2050 3.10 Ngun lý thu phát tín hiệu vệ tinh cơng nghệ Fugro Omnistar 3.11 Công nghệ Navcom 3.12 Hệ thống StarFire sử dụng 3.13 Nguyên lý định vị thuỷ âm 3.14 Các loại Bộ phát biến 3.15 Vị trí gắn phát biến SBL 3.16 Bộ ứng đáp gắn thiết bị di chuyển hãng Sonardyne 3.17 Bộ ứng đáp gắn đáy biển hãng Sonardyne 3.18 Bộ ứng đáp hãng Sonardyne i i i i i i 13 14 15 i i i i i i i i i i 15 16 16 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 12 i i i i 10 11 i Trang 13 14 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Khoa Trắc Địa i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 18 19 20 21 i i 24 27 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 29 33 35 37 i 16 17 18 19 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 38 39 40 42 i 20 21 22 23 24 25 i i i i i i i 27 i i i i i 26 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 43 44 45 46 47 48 i i i i i i i i i i i -3- i i i i Trắc Địa A – K51 48 49 Đồ Án Tốt Nghiệp 28 Khoa Trắc Địa 3.19 Mối quan hệ định vị vệ tinh định vị thuỷ âm xác định vị trí đáy biển i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Danhi sáchi cáci bảngi biểu -4- Trắc Địa A – K51 50 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa STT Bảng Nội Dung 1.1 Chiều dài cạnh đáy, loại trị đo phương pháp định vị thuỷ âm 1.2 Công thức tốc độ âm theo T,H,P 3.1 Dải tần số, khoảng cách tối đa độ xác 4.1 Vận tốc âm tính theo cơng thức 2.5 4.2 Vận tốc âm tính theo cơng thức 2.6 4.3 Vận tốc âm tính theo cơng thức 2.7 4.4 Sai số trung phương khoảng cách đo sóng âm theo nguyên tắc đo hai chiều( đơn vị m) 4.5 Sai số trung phương khoảng cách đo sóng âm theo nguyên tắc đo chiều( đơn vị m) 4.6 Tính toạ độ tầu biết toạ độ điểm Hi toạ độ điểm P ta tính toạ độ P’ hệ toạ độ tầu 10 4.7 Tính toạ độ tầu biết toạ độ điểm Hi khoảng cách Ri ta tính toạ độ P’ hệ toạ độ tầu i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i Danhi mụci cáci từi viếti tắt -5- 56 i i i i i i i 54 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 15 49 52 52 52 53 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Trang Trắc Địa A – K51 57 Đồ Án Tốt Nghiệp STT Viết tắt ROV Khoa Trắc Địa Tiếng Việt Phương tiện điều khiển từ xa SBL Short Base Line Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn USBL Ultra Short Base Line Định vị thuỷ âm đường đáy siêu ngắn LBL Long Base Line Định vị thuỷ âm đường đáy dài GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu DGPS Differential Global Positioning Hệ thống định vị vi System phân toàn cầu GcDGPS Global Correction Differential Cải tồn cầu hệ Global Positioning System thống định vị vi phân toàn cầu GNSS Global Navigation Satellite System Hệ thống vệ tinh đạo hàng toàn cầu i Tiếng Anh Remote Operation Vehicle i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Mở đầu i -6- Trắc Địa A – K51 i i i i i Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Tính cấp thiết đề tài: Nước ta có bờ biển dài gần 3200km, quốc gia có ưu điểm biển Trong giai đoạn cơng nghiệp hố đại hoá đất nước , Đảng Nhà nước chủ trương phát triển kinh tế biển Vì việc xây dựng cơng trình biển phục vụ nhiệm vụ phát triển kinh tế, nghiên cứu khoa học biển , quan trắc thay đổi môi trường biển , khảo sát đáy biển, theo dõi q trình trầm tích đáy biển , khai thác tài nguyên khoáng sản … đẩy mạnh.Việc đổi áp dụng công nghệ , phương pháp tiên tiến đo đạc biển nhằm nâng cao độ xác , giảm thời gian thi cơng đảm bảo an tồn lao động nhiệm vụ cần thiết Có nhiều phương pháp định vị thuỷ âm sử dụng: Định vị thuỷ âm đường đáy siêu ngắn, định vị thuỷ âm đường đáy dài, định vị thuỷ âm đường đáy ngắn Song chúng tơi chọn đề tài “ Khảo sát độ xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn” Đề tài có mục tiêu nghiên cứu độ xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn, tìm hiểu ưu nhược điểm phạm vi ứng dụng phương pháp định vị thuỷ âm đường đáy ngắn Cấu trúc đề tài bao gồm: Mở đầu Chương I : Khái niệm định vị thuỷ âm phân loại Chương II: Một số kiến thức định vị thuỷ âm Chương III: Độ xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn Chương IV: Tính tốn thực nghiệm Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đặng Nam Chinh thầy cô môn trắc địa cao cấp thầy khoa trắc địa tận tình giúp đỡ, bảo để em hồn thành đồ án Hà nội, ngày… tháng…năm Sinh viên i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Lớp Trắc địa A – K51 i i i i i Chương I i -7- Trắc Địa A – K51 i i i i Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa KHÁI NIỆM VỀ ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM VÀ PHÂN LOẠI 1.1 Khái niệm định vị thuỷ âm Theo từ điển Bách Khoa Toàn Thư Việt Nam định vị thuỷ âm định nghĩa sau “ Định vị thuỷ âm xác định vị trí tham số chuyển động đối tượng nước nhờ tín hiệu âm lan truyền nước, phát xạ phản xạ đối tượng Gồm có ĐVTÂ chủ động, ĐVTÂ thụ động ĐVTÂ dùng để phát tàu nổi, tàu ngầm, thuỷ lôi, luồng cá, nghiên cứu đáy biển, v.v….” Sóng Radio khơng thể truyền qua nước tới độ sâu yêu cầu sử dụng để định vị nước Sử dụng sóng âm cách để xác định vị trí nước Định vị nước hệ thống bao gồm mặt sở xác định toạ độ, thiết bị thuỷ âm đặt đáy biển, đặt đáy tầu thiết bị di động phục vụ cho công tác khảo sát lắp đặt thiết bị làm việc đáy biển Định vị thuỷ âm lĩnh vực rộng việc xác định vị trí động cơng trình thăm dị khai thác biển dàn khoan, robot thám hiểm đáy biển 1.2 Phân loại định vị thuỷ âm ưu nhược điểm phương pháp 1.2.1 Phân loại định vị thuỷ âm Định vị thuỷ âm chia làm 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 chúng thể bảng 1.3 Bảngi 1.1.i Chiềui dàii cạnhi đáy,i loạii trịi đoi củai cáci phươngi phápi địnhi vịi thuỷi âm:i Phương pháp định vị Chiều dài cạnh đáy Loại trị đo Định vị thuỷ âm đường < 10cm Đo hướng đáy siêu ngắn (USBL) khoảng cách Định vị thuỷ đường 20m – 50m Đo hướng đáy ngắn ( SBL) khoảng cách Định vị thuỷ âm đường đáy dài 100m – 6000m Đo khoảng (LBL) cách Tuỳ thuộc vào điều kiện khu đo, yêu cầu độ xác chi phí, người ta lựa chọn phương pháp định vị phù hợp 1.2.2 Ưu nhược điểm phương pháp định vị thuỷ âm i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i -8- i i i i i i i i i i i Trắc Địa A – K51 i i i Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa 1.2.2.1 Định vị thuỷ âm đường đáy siêu ngắn: a Ưu điểm : - Hệ thống dễ triển khai thực tế , dễ sử dụng - Hệ thống toạ độ đầu phát biến làm sở , khơng cần hệ thống mốc tín hiệu ứng đáp gắn đáy biển ( Toạ độ tầu xác định GPS) - Chỉ cần ứng đáp bề mặt, thiết bị lặn cơng trình - Độ xác cao đối tượng động b Nhược điểm : - Hệ thống yêu cầu hiệu chỉnh chi tiết tham số mơi trường - Độ xác phụ thuộc vào thiết bị phụ trợ hiệu chỉnh quay trạm cải độ cao - Trị đo thừa nên độ tin cậy cịn hạn chế - Bộ phát biến lớn , giá thành phát biến cao 1.2.2.2 Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn: a Ưu điểm: - Hệ thống dễ triển khai thực tế , dễ sử dụng - Khả nâng cấp tốt với mốc tín hiệu - Độ xác cao đối tượng động - Không gian dự phòng xây dựng bên hệ thống - Lấy hệ toạ độ tầu làm sở, không cần mốc tín hiệu hay truyền phát gắn cố định đáy biển( toạ độ tầu xác định GPS) - Bộ phát biến nhỏ, giá thành phát biến rẻ b Nhược điểm: - Hạn chế độ xác vùng nước sâu ( > 30m) - Cần xưởng sửa chữa tầu cảng để hiệu chỉnh hệ thống - Hệ thống yêu cầu hiệu chỉnh chi tiết tham số môi trường - Độ xác phụ thuộc vào thiết bị phụ trợ hiệu chỉnh quay trạm cải độ cao - Cần phát biến cho thiết bị 1.2.2.3 Định vị thuỷ âm đường đáy dài a Ưu điểm: - Độ xác khơng phụ thuộc vào độ sâu - Có nhiều trị đo thừa - Cung cấp độ xác cao khu vực lớn - Không cần thêm hệ thống phụ trợ tham chiếu độ cao , la bàn - Bộ phát biến nhỏ, cần phát biến cho thiết bị b Nhược điểm: i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i -9- Trắc Địa A – K51 i Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa - Hệ thống phức tạp đòi hỏi người sử dụng chuyên nghiệp - Yêu cầu hệ thống thiết bị đắt tiền - Chi phí nhiều thời gian cho việc triển khai khôi phục hệ thống - Mỗi hệ thống LBL yêu cầu kiểm định trước lần triển khai sử dụng 1.2.3 Độ xác định vị thuỷ âm nguồn sai số 1.2 3.1 Nguồn sai số độ xác định vị thuỷ âm: a Nguồn sai số định vị thuỷ âm Lắc dọc lắc ngang tàu Độ lệch offset dàn điểm quy chiếu , ví dụ trọng tâm (COG) Độ dịch chuyển kết hợp độ lệch dàn chuyển động lắc dọc lắc ngang tầu Độ lệch ứng đáp /bộ đáp/mốc tín hiệu âm biển so với mục tiêu định b Độ xác định vị thuỷ âm - Độ xác hệ thống định vị thuỷ âm định độ xác hệ thống mốc tín hiệu thuỷ âm - Độ xác phụ thuộc vào việc xác định hạn chế hiệu ứng khúc xạ âm Điều đặc biệt ý vùng có thiết bị cố định hoạt động hệ thống dàn khoan ngầm, độ xác hệ thống LBL khu vực cao hệ thống USBL SBL - Phụ thuộc vào việc xác định hệ số khúc xạ - Phụ thuộc vào tần số sử dụng, độ xác tăng tần số tăng giảm hiệu - Sự tiên tiến hệ thống phần mềm sử dụng để tính tốn liệu định vị - Mối quan hệ hình học thiết bị thuỷ âm 1.2.3.2 Các nguồn nhiễu Định vị thuỷ âm chịu ảnh hưởng nguồn nhiễu như: a Nhiễu âm mơi trường b Nhiễu âm thiết bị c Nhiễu phản xạ âm 1.3 Ứng dụng thực tiễn - Ứng dụng chủ yếu trắc địa cơng trình biển ( Định vị đế giàn khoan, định vị đường ống dẫn dầu, lắp đặt cáp …) - Ứng dụng công tác hải dương học ( Nghiên cứu biển, tìm rặng san hơ, xác định luồng cá … ) - Khảo sát biển i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i - 10 - Trắc Địa A – K51 i