Đang tải... (xem toàn văn)
Đồ án tốt nghiệp: Khảo sát độ chính xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn Đồ án tốt nghiệp với đề tài Khảo sát độ chính xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn có mục tiêu nghiên cứu độ chính xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn, tìm hiểu ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của phương pháp định vị thuỷ âm đường đáy ngắn.
Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Mục Lục Chương III: Độ chính xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn 6 Chương III 24 ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM ĐƯỜNG ĐÁY NGẮN 24 3.1. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn 24 Nguyễn Văn Tú - 1 - Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Danh mục các hình vẽ STT Hình Nội dung Trang 1 2.1 Mặt cắt nhiệt độ theo độ sâu 13 2 2.2 Biểu đồ độ mặn nước biển trên thế giới , đơn vị tính là đơn vị muối thực tế 14 3 2.3 Thiết bị cảm biến nhiệt 15 4 2.4 Máy đo vận tốc âm 16 5 2.5 Hệ số hấp thụ của sóng âm theo nhiệt độ và độ sâu 16 6 2.6 Nguyên lý khúc xạ tia âm thanh 18 7 2.7 Độ rộng băng tần 19 8 2.8 Chiều dài xung 20 9 2.9 Hình vẽ thể hiện khoảng cách từ đầu phát biến tới bộ ứng đáp và thiết bị lặn. 21 10 3.1 Sơ đồ bố trí SBL 24 11 3.2 Quan hệ hình học giữa mốc tín hiệu và ống nghe tín hiệu âm 27 12 3.3 quan hệ hình học giữa nguồn âm và các ống nghe tín hiệu âm 29 13 3.4 Hệ toạ độ vuông góc không gian địa tâm 33 14 3.5 Hệ toạ độ trắc địa 35 15 3.6 Hệ toạ độ vuông góc không gian địa diện chân trời 37 16 3.7 Hệ toạ độ tầu 38 17 3.8 Công nghệ DGPS xác định vị trí tầu biển 39 18 3.9 C-nav 2050 40 19 3.10 Nguyên lý thu phát tín hiệu vệ tinh của công nghệ Fugro Omnistar 42 20 3.11 Công nghệ Navcom 43 21 3.12 Hệ thống StarFire sử dụng 44 22 3.13 Nguyên lý định vị thuỷ âm 45 23 3.14 Các loại Bộ phát biến 46 24 3.15 Vị trí gắn bộ phát biến SBL 47 25 3.16 Bộ ứng đáp gắn trên thiết bị di chuyển của hãng Sonardyne 48 26 3.17 Bộ ứng đáp gắn dưới đáy biển của hãng 48 Nguyễn Văn Tú - 2 - Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Sonardyne 27 3.18 Bộ ứng đáp của hãng Sonardyne 49 28 3.19 Mối quan hệ giữa định vị vệ tinh và định vị thuỷ âm trong xác định vị trí đáy biển 50 Nguyễn Văn Tú - 3 - Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Danh sách các bảng biểu STT Bảng Nội Dung Trang 1 1.1 Chiều dài cạnh đáy, loại trị đo của các phương pháp định vị thuỷ âm 8 2 1.2 Công thức tốc độ âm theo T,H,P 15 3 3.1 Dải tần số, khoảng cách tối đa và độ chính xác 49 4 4.1 Vận tốc âm tính theo công thức 2.5 52 5 4.2 Vận tốc âm tính theo công thức 2.6 52 6 4.3 Vận tốc âm tính theo công thức 2.7 52 7 4.4 Sai số trung phương khoảng cách đo bằng sóng âm theo nguyên tắc đo hai chiều( đơn vị m) 53 8 4.5 Sai số trung phương khoảng cách đo bằng sóng âm theo nguyên tắc đo một chiều( đơn vị m) 54 9 4.6 Tính toạ độ tầu khi biết toạ độ các điểm H i và toạ độ điểm P ta tính được toạ độ P’ trong hệ toạ độ tầu 56 10 4.7 Tính toạ độ tầu khi biết toạ độ các điểm H i và khoảng cách R i ta tính được toạ độ P’ trong hệ toạ độ tầu 57 Nguyễn Văn Tú - 4 - Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Danh mục các từ viết tắt STT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 1 ROV Remote Operation Vehicle Phương tiện điều khiển từ xa 2 SBL Short Base Line Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn 3 USBL Ultra Short Base Line Định vị thuỷ âm đường đáy siêu ngắn 4 LBL Long Base Line Định vị thuỷ âm đường đáy dài 5 GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu 6 DGPS Differential Global Positioning System Hệ thống định vị vi phân toàn cầu 7 GcDGPS Global Correction Differential Global Positioning System Cải chính toàn cầu hệ thống định vị vi phân toàn cầu 8 GNSS Global Navigation Satellite System Hệ thống vệ tinh đạo hàng toàn cầu Nguyễn Văn Tú - 5 - Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Mở đầu Tính cấp thiết của đề tài: Nước ta có bờ biển dài gần 3200km, là một quốc gia có ưu điểm về biển. Trong giai đoạn công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước , Đảng và Nhà nước chủ trương phát triển kinh tế biển. Vì vậy việc xây dựng các công trình biển phục vụ các nhiệm vụ phát triển kinh tế, nghiên cứu khoa học về biển , quan trắc sự thay đổi môi trường biển , khảo sát đáy biển, theo dõi quá trình trầm tích đáy biển , khai thác tài nguyên khoáng sản … cũng đang được đẩy mạnh.Việc đổi mới và áp dụng các công nghệ mới , các phương pháp tiên tiến trong đo đạc biển nhằm nâng cao độ chính xác , giảm thời gian thi công đảm bảo an toàn lao động là nhiệm vụ cần thiết. Có nhiều phương pháp định vị thuỷ âm được 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 tôi chọn đề tài “ Khảo sát độ chính xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn” . Đề tài có mục tiêu nghiên cứu độ chính xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn, tìm hiểu ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của phương pháp định vị thuỷ âm đường đáy ngắn. Cấu trúc của đề tài bao gồm: Mở đầu Chương I : Khái niệm về định vị thuỷ âm và phân loại Chương II: Một số kiến thức về định vị thuỷ âm Chương III: Độ chính 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 và các thầy cô trong bộ môn trắc địa cao cấp cũng như các thầy cô trong khoa trắc địa đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo để em có thể hoàn thành đồ án này. Hà nội, ngày… tháng…năm Sinh viên Nguyễn Văn Tú Lớp Trắc địa A – K51 Nguyễn Văn Tú - 6 - 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 về định vị thuỷ âm Theo từ điển Bách Khoa Toàn Thư Việt Nam thì định vị thuỷ âm được định nghĩa như sau “ Định vị thuỷ âm là xác định vị trí và các tham số chuyển động của các đối tượng dưới nước nhờ các tín hiệu âm thanh lan truyền trong nước, được phát xạ hoặc phản xạ bởi chính các đối tượng đó. Gồm có ĐVTÂ chủ động, ĐVTÂ thụ động. ĐVTÂ được dùng để phát hiện tàu nổi, tàu ngầm, thuỷ lôi, các luồng cá, nghiên cứu đáy biển, v.v….” Sóng Radio không thể truyền qua nước tới mọi độ sâu yêu cầu và không thể sử dụng để định vị dưới nước. Sử dụng sóng âm là một cách để xác định vị trí dưới nước. Định vị dưới nước là một hệ thống trong đó bao gồm mặt cơ sở xác định toạ độ, các thiết bị thuỷ âm đặt dưới đáy biển, đặt ở đáy tầu hoặc trên các thiết bị di động phục vụ cho công tác khảo sát lắp đặt thiết bị làm việc dưới đáy biển. Định vị thuỷ âm là lĩnh vực rộng trong việc xác định vị trí động của các công trình thăm dò và khai thác trên biển như dàn khoan, các 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 (LBL) 100m – 6000m Đo khoảng cách Nguyễn Văn Tú - 7 - Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Tuỳ thuộc vào điều kiện khu đo, yêu cầu độ chính xác và chi phí, người ta có thể lựa chọn phương pháp định vị phù hợp. 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 toạ độ đầu phát biến làm cơ sở , không cần hệ thống các mốc tín hiệu hoặc bộ ứng đáp gắn dưới đáy biển ( Toạ độ tầu được xác định bằng 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. - Lấy hệ toạ độ tầu làm cơ sở, không cần các mốc tín hiệu hay bộ truyền phát gắn cố định dưới đáy biển( toạ độ tầu được xác định bằng GPS). - 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. Nguyễn Văn Tú - 8 - Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa - 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 phụ thuộc vào việc xác định và hạn chế các hiệu ứng khúc xạ âm. Điều này đặc biệt chú ý trong vùng có các thiết bị cố định đang hoạt động như hệ thống dàn khoan ngầm, độ chính xác của hệ thống LBL trong khu vực này cao hơn 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. 1.2.3.2. Các nguồn nhiễu. Định vị thuỷ âm chịu ảnh hưởng của các nguồn nhiễu như: a. Nhiễu âm thanh do môi trường b. Nhiễu âm thanh do chính thiết bị c. Nhiễu của sự phản xạ âm thanh 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 …) Nguyễn Văn Tú - 9 - Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa - Ứng dụng trong công tác hải dương học ( Nghiên cứu về biển, tìm các rặng san hô, xác định các luồng cá … ) - Khảo sát biển - Xây dựng lưới khống chế đáy biển phục vụ công tác đo đạc biển và công tác xây dựng các công trình dưới biển… Nguyễn Văn Tú - 10 - Trắc Địa A – K51 [...]... A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Với Khoa Trắc Địa ∂D1 ∂D1 = ∆t , =V ∂v ∂∆t 2 2 2 m D 2 = ∆t 2 mV + V 2 m∆t [ ] (2.16a) Hoặc biến đổi thành công thức sau : 2 2 2 m D 2 mV m∆t = 2 + 2 2 D2 ∆t V Nguyễn Văn Tú - 23 - (2.16b) Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Chương III ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM ĐƯỜNG ĐÁY NGẮN 3.1 Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn 3.1.1 Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn Hình... Sơ đồ bố trí SBL Hệ thống định vị thuỷ âm đường đáy ngắn (SBL) sử dụng hệ thống các đường đáy ngắn có chiều dài từ 20 – 50m Các đường đáy ngắn được bố trí dưới đáy tầu và xác lập trong hệ toạ độ tầu Giới hạn ( đầu, cuối) của các đường đáy ngắn là các thiết bị nghe hoặc các đầu phát biến Hệ thống định vị SBL có thể làm việc ở trạng thái tầu đứng yên hoặc tầu chuyển động Để đảm bảo đồ hình định vị tốt. .. phương pháp định vị thuỷ âm đường đáy ngắn bị hạn chế trong phạm vi nhỏ như xác định vị trí động của một hệ thống cố định Phương pháp định vị thuỷ âm đường đáy ngắn được áp dụng cho : - 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... đáp cố định( nếu bộ ứng đáp được gắn cố định dưới đáy biển tại điểm đã có toạ độ trong hệ toạ độ quy ước của khu đo thì sẽ xác định được vị trí của tầu trong quá trình di chuyển với sự hỗ trợ của các thiết bị cảm biến và các giá trị đo theo nguyên lý thuỷ âm) - 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... biến lắc) Toạ độ tầu được tính dựa trên các trị đo khoảng cách và góc tới từ mốc thuỷ âm đến đầu ống nghe nằm trong hệ toạ độ xác lập bởi các đường đáy ngắn Nguyễn Văn Tú - 24 - Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Ngược lại với vị trí tầu đã được xác định bằng DGPS thì từ các khoảng cách và hướng đo được bằng thiết bị thuỷ âm sẽ xác định được vị trí của bộ ứng đáp trong hệ toạ độ tầu Theo... Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào các yếu tố sau: Nhiệt độ: Nhiệt độ tại bề mặt biển thay đổi theo vị trí địa lý trên trái đất, theo mùa trong năm, theo thời gian trong ngày Sự phân bố nhiệt độ là một trường phức tạp và không thể dự đoán một cách chính xác cho mục đích khảo sát thuỷ văn Sự biến đổi của nước theo độ sâu khá phức tạp vì thế dự đoán một cách chính xác mặt cắt tốc độ âm phục vụ cho nhiệm vụ khảo. .. Các đầu nghe tín hiệu âm gắn dưới đáy tầu phải nằm cùng một mặt phẳng Vị trí tương hỗ(Khoảng cách, hướng) giữa các đầu thu tín hiệu ở đáy tầu phải biết trước Có ba trường hợp sử dụng hệ thống định vị thuỷ âm đường đáy ngắn: - Tầu cố định và bộ phát tín hiệu di động ( Nếu bộ ứng đáp được gắn trên thiết bị di động dưới nước và tầu cố định, vị trí của thiết bị dưới nước có thể xác định liên tục) - Tầu... bình để xác định vận tốc âm trong nước: VTB t2 D1, 2 1 = = V (t ) dt (t 2 − t1 ) (t 2 − t1 ) t∫ 1 (2.4) Trong đó D1,2 là khoảng cách, V(t) là vận tốc âm (phụ thuộc vào độ sâu H, nhiệt độ T và độ muối S) 2.2.2 Phương pháp xác định tốc độ âm: Chúng ta có rất nhiều cách để xác định tốc độ âm thanh trong môi trường nước Hiện nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, việc xác định tốc đô âm trở... Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa 3.1.3 Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn sử dụng thiết bị bộ ứng đáp Thông qua các thiết bị thuỷ âm người ta sẽ tính được thời gian truyền tín hiệu từ bộ ứng đáp đến các ống nghe tín hiệu âm Hệ toạ độ trục của ống nghe tín hiệu âm sẽ được xác định thông qua mối quan hệ hình học của ống nghe theo hình sau : Hình 3.3 Mối quan hệ hình học giữa nguồn âm và các ống... f(T,p,S) = f (T, H, S) (2.5) Người ta đa nghiên cứu và đưa ra một số công thức thực nghiệm để xác định tốc độ âm trong nước: Công thức xác định tốc độ âm với đơn vị m/s với các thông số nhiệt độ (T), độ sâu (H) , độ mặn S(ppt) Nguyễn Văn Tú - 14 - Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Bảng 2.1 Công thức tốc độ âm theo T,H,P Các công thức Giới hạn sử dụng v = 1492.9 + 3 * ( T − 10 ) − 6 * 10 −3 (