Đồ án tốt nghiệp Khảo sát độ chính xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn

Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Mục Lục Mục Lục Danh mục hình vẽ Danh sách bảng biểu Danh mục từ viết tắt Mở đầu Chương 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 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 môi trường nước 12 2.2.1 Sóng âm môi 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 Nguyễn Văn Tú -1- Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa 3.2.3 Hệ toạ độ vuông góc không gian địa tâm 33 3.2.4 Hệ toạ độ trắc địa 34 3.2.5 Hệ toạ độ vuông góc không 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 công 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 TOÁN 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 Nguyễn Văn Tú -2- Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp STT Hình 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 10 11 3.1 3.2 12 3.3 13 14 15 3.4 3.5 3.6 16 17 18 19 3.7 3.8 3.9 3.10 20 21 22 23 24 25 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 26 3.17 Khoa Trắc Địa Danh mục hình vẽ Nội dung Trang Mặt cắt nhiệt độ theo độ sâu 13 Biểu đồ độ mặn nước biển giới , đơn vị 14 tính đơn vị muối thực tế Thiết bị cảm biến nhiệt 15 Máy đo vận tốc âm 16 Hệ số hấp thụ sóng âm theo nhiệt độ 16 độ sâu Nguyên lý khúc xạ tia âm 18 Độ rộng băng tần 19 Chiều dài xung 20 Hình vẽ thể khoảng cách từ đầu 21 phát biến tới ứng đáp thiết bị lặn Sơ đồ bố trí SBL 24 Quan hệ hình học mốc tín hiệu 27 ống nghe tín hiệu âm quan hệ hình học nguồn âm ống 29 nghe tín hiệu âm Hệ toạ độ vuông góc không gian địa tâm 33 Hệ toạ độ trắc địa 35 Hệ toạ độ vuông góc không gian địa diện 37 chân trời Hệ toạ độ tầu 38 Công nghệ DGPS xác định vị trí tầu biển 39 C-nav 2050 40 Nguyên lý thu phát tín hiệu vệ tinh công nghệ 42 Fugro Omnistar Công nghệ Navcom 43 Hệ thống StarFire sử dụng 44 Nguyên lý định vị thuỷ âm 45 Các loại Bộ phát biến 46 Vị trí gắn phát biến SBL 47 Bộ ứng đáp gắn thiết bị di chuyển 48 hãng Sonardyne Bộ ứng đáp gắn đáy biển hãng 48 Sonardyne Nguyễn Văn Tú -3- Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp 27 28 Khoa Trắc Địa 3.18 Bộ ứng đáp hãng Sonardyne 3.19 Mối quan hệ định vị vệ tinh định vị thuỷ âm xác định vị trí đáy biển Nguyễn Văn Tú -4- 49 50 Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Danh sách bảng biểu STT Bảng Nội Dung Trang Chiều dài cạnh đáy, loại trị đo 1.1 phương pháp định vị thuỷ âm Công thức tốc độ âm theo T,H,P 15 1.2 Dải tần số, khoảng cách tối đa độ xác 49 3.1 Vận tốc âm tính theo công thức 2.5 52 4.1 Vận tốc âm tính theo công thức 2.6 52 4.2 Vận tốc âm tính theo công thức 2.7 52 4.3 Sai số trung phương khoảng cách đo sóng 53 4.4 âm theo nguyên tắc đo hai chiều( đơn vị m) Sai số trung phương khoảng cách đo sóng 54 4.5 âm theo nguyên tắc đo chiều( đơn vị m) Tính toạ độ tầu biết toạ độ điểm Hi 56 4.6 toạ độ điểm P ta tính toạ độ P’ hệ toạ độ tầu Tính toạ độ tầu biết toạ độ điểm Hi 57 10 4.7 khoảng cách Ri ta tính toạ độ P’ hệ toạ độ tầu Nguyễn Văn Tú -5- Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp STT Viết tắt ROV Khoa Trắc Địa Danh mục từ viết tắt Tiếng Anh Remote Operation Vehicle 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 toàn 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 Nguyễn Văn Tú -6- Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Mở đầu Tính cấp thiết đề tài: Nước ta có bờ biển dài gần 3200km, quốc gia có ưu điểm biển Trong giai đoạn công nghiệp hoá đại hoá đất nước , Đảng Nhà nước chủ trương phát triển kinh tế biển Vì việc xây dựng công 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 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 công đảm bảo an toàn 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 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 toán thực nghiệm Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đặng Nam Chinh thầy cô môn trắc địa cao cấp thầy cô khoa trắc địa tận tình giúp đỡ, bảo để em hoàn thành đồ án Hà nội, ngày… tháng…năm Sinh viên Nguyễn Văn Tú Lớp Trắc địa A – K51 Nguyễn Văn Tú -7- Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Chương I 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 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 công trình thăm dò 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 Bảng 1.1 Chiều dài cạnh đáy, loại trị đo phương pháp định vị thuỷ âm: 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 Nguyễn Văn Tú -8- Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa 1.2.2 Ưu nhược điểm 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 thực tế , dễ sử dụng - Hệ thống toạ độ đầu phát biến làm sở , không 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 công trình - Độ xác cao đối tượng động b Nhược điểm : - 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 - Trị đo thừa nên độ tin cậy 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 không 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 Nguyễn Văn Tú -9- Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa b Nhược điểm: - 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 toán 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 môi trường b Nhiễu âm thiết bị c Nhiễu phản xạ âm 1.3 Ứng dụng thực tiễn - Ứng dụng chủ yếu trắc địa công 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 hô, xác định luồng cá … ) Nguyễn Văn Tú - 10 - Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Hình 3.13 Nguyên lý định vị thuỷ âm Hình mô tả nguyên lý định vị thuỷ âm , trình tự định vị thực sau: - Hệ thống định vị tầu thu tín hiệu cải DGPS tính toán vị trí tầu theo hệ toạ độ quy định cho khu đo - Bộ phát biến phát tín hiệu xuống ứng đáp gắn thiết bị nước - Các ứng đáp phản hồi tín hiệu cho phát biến - Từ tín hiệu phản hồi thu phát biến phần mềm tính toán trị đo( khoảng cách, hướng) sau xử lý định vị thuỷ âm tính toán vị trí thiết bị nước hệ toạ độ tầu - Kết nối chuyển hệ toạ độ tầu hệ toạ độ quy ước khu đo 3.3.3 Các thiết bị sử dụng định vị thuỷ âm Nguyễn Văn Tú - 45 - Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Hệ thống dẫn đường định vị sóng âm sử dụng thiết bị làm việc nước : phát biến , nhận tín hiệu hai Chúng ta sử dụng loại thiết bị sau: 3.3.3.1.Thiết bị thuỷ âm sử dụng gắn tầu Bộ phát biến ( Transduce ) – phát nhận tín hiệu, thường xuyên gắn cạnh tầu hệ thống nước Nó gửi tín hiệu kiểm tra tần số nhận lại tín hiệu phản hồi tần số thứ hai Dưới số hình ảnh phát biến : (a) (b) (c) (d) (e) Hình 3.14 Các loại Bộ phát biến a : Bộ phát biến loại 8024 Sonardyne b : Bộ phát biến loại 8024 phiên có trọng lượng nhẹ Sonardyne c : Bộ phát biến loại 8021 Sonardyne Nguyễn Văn Tú - 46 - Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa d : Bộ phát biến loại 8023 Sonardyne e : Bộ phát biến loại 8091 Sonardyne Vị trí phát biến : Hình 3.15 Vị trí gắn phát biến SBL Ống nghe tín hiệu âm ( Hydrophone) – thiết bị thu đa hướng thiết bị có định hướng gắn tầu với nhiệm vụ nhận tín hiệu từ phát biến mốc tín hiệu / tín hiệu kiểm tra 3.3.3.2.Thiết bị gắn nước đáy biển Bộ ứng đáp ( Transponder) – loại thiết bị thông dụng gắn cố định nước, gắn đáy biển thiết bị lặn Nó làm công việc nhận tín hiệu chuyển tín hiệu kết hợp với phát biến Nhận tín hiệu hỏi ( lệnh) tần số, truyền liệu gửi tín hiệu đáp tần số thứ hai trở thành bị động có tín hiệu kiểm tra tiếp theo( nhằm mục đích tiết kiệm lượng) Một số hình ảnh ứng đáp ( Transponder) a Bộ ứng đáp gắn thiết bị di chuyển Nguyễn Văn Tú - 47 - Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Hình 3.16 Bộ ứng đáp gắn thiết bị di chuyển hãng Sonardyne b Bộ ứng đáp gắn đáy biển Hình 3.17 Bộ ứng đáp gắn đáy biển hãng Sonardyne Mốc tín hiệu âm/ tín hiệu kiểm tra ( Beacon/ Pinger) – thiết bị thông dụng gắn cố định nước thiết bị chìm Nó ứng đáp, gửi xung tần số đặc biệt trạm sở Bộ đáp ( Responder) – thiết bị truyền gắn thiết bị lặn đáy biển kích hoạt dây dẫn kiểm soát tín hiệu kiểm tra cho thiết bị nhận ống nghe tín hiệu âm Thiết bị đồng thời gian với phát biến tầu thông qua dây dẫn Nguyễn Văn Tú - 48 - Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Hình 3.18.Bộ ứng đáp hãng Sonardyne Trong tất trường hợp trên, thiết bị nhận tín hiệu hai loại thiết bị thu có hướng thiết bị thu đa hướng Độ mạnh yếu sóng âm lan truyền nước suy giảm môi trường phản hồi lại Trong môi trường nước đa số tạp âm thường có tần số 5kHz trở xuống Vì vậy, để tránh tín hiệu lệnh điều khiển sai tần số nhỏ định vị thuỷ âm nằm khoảng từ – 12kHz Chính lựa chọn tần số âm hệ thống định vị thuỷ âm phụ thuộc phạm vi làm việc độ xác, kích thước giá thành Nói chung, tần số cao sử dụng cho phạm vi hẹp hơn( hệ số hấp phụ cao) độ xác cao Phạm vi sử dụng tần số độ xác thể bảng sau: Bảng 3.1 Dải tần số, khoảng cách tối đa độ xác Loại tần số Tần số thấp(LF) Tần số trung bình(MF) Tần số cao (HF) Tần số cao(EHF) Tần số cao tần(VHF) Dải tần 8kHz – 16kHz 18kHz– 36kHz Phạm vi làm việc > 10 km 2km – 3.5 km Độ xác 2m – 5m 0.25m–1m 30kHz– 60kHz 50kHz-110kHz 200kHz300kHz 1500m < 1000m