海上地震勘探罗经鸟数据分析范文

1引言

在海洋拖缆地震勘探中，由于海浪、海流等的作用，勘探船只每时每刻都处于运动状态，它拖带的电缆的形状也随时处于变化之中。为实现精确的导航定位，在综合导航定位系统计算中，需要处理来自多种传感器的定位数据。即针对每类数据，需要考虑影响数据质量的多种因素，逐一进行分析，找出相应对策和解决方案，才能保证拖缆的最终精确定位。对于拖缆勘探中电缆的定位研究，国外早于国内，且已有相对成熟的应用产品。随着中国石油勘探领域拓展至深海，自主研发同类产品势在必行，拖缆定位技术的研究为开发综合导航系统提供理论和方法支持，罗经鸟（安装在拖缆上用于测定电缆方位及控制电缆位置的设备）数据是确定电缆空间形态的关键数据，其精度直接影响检波点的定位结果。本文通过将罗经鸟数据应用于拖缆定位计算，并进行分析、研究，在实践中探讨了其改正值对拖缆空间位置的影响。

2拖缆空间形态确定方法

拖缆勘探的导航定位是通过多种设备协作完成的。通过安装在船上的DGPS（差分GPS），利用星站差分获取船体的参考位置，作为整个定位网络的起算坐标。通过电缆尾标上和枪阵上的RGPS（相对定位GPS），得到相对于船上RGPS参考站之间的基线向量，以确定枪阵和电缆尾部的位置（图1），这样基于DGPS和RGPS可得到精确的电缆头尾坐标。电缆中部坐标则主要由声学定位和罗经鸟来控制。通过电缆上的声学定位设备，测得各声学节点间的距离，组成一个声学测边网，然后通过网平差得到声学节点坐标。但电缆上声学节点未能覆盖全部检波点，节点间的检波点定位需先通过罗经鸟方位和电缆理论距离确定电缆形状，再计算得到检波点坐标。在实际应用中，一般采用曲线积分法或多项式拟合法确定电缆形状。

2．1曲线积分法曲线积分法是将电缆看作一条光滑曲线，且电缆的弯曲程度非常小，每两个检波点之间的电缆是一个小弧段，长度定义为S，两者之间的方位用罗经鸟方位内插得到，则检波点Pi＋1（Xi＋1，Yi＋1）的坐标可由Pi（Xi，Yi）求出。电缆头尾的声学节点为已知点，故第一个检波点可由头部声学节点计算得到，依次迭代，即可得到所有检波点坐标。

2．2多项式拟合法多项式拟合法是将罗经鸟数据及其在电缆上的偏移量拟合为一条光滑曲线，通过最小二乘法计算曲线系数，得到与电缆形状最接近的曲线模型，利用该模型就可计算电缆上任何检波点的位置。

3罗经鸟数据改正及影响分析

无论采用哪种方法确定电缆形态，罗经鸟方位数据都起至关重要的作用。尤其是单缆的二维地震勘探，由于没有声学网络的约束作用，电缆的形态和定位更依赖于电缆上的罗经鸟数据。海上拖缆的长度通常为数千米，故很小的方位误差就可能导致电缆横向较大偏差，从而影响到整个电缆的定位，因此必须对罗经鸟数据进行精确改正。罗经鸟测得的是每个罗经鸟节点处电缆的切线方位（磁北方位），而在利用罗经鸟方位计算电缆检波点坐标时使用的是投影平面上的坐标北方位，故应对测得的原始数据进行改正，得到基于坐标北的方位（图2）。校正包含三项：①罗经鸟本身的校正值，是指在罗经鸟安装到电缆上时的固定校正值；②磁偏角（δ）改正，是指磁北方位到真北方位的改正值；③子午线收敛角（γ）改正，从真北方位到坐标方位还需进行子午线收敛角的改正（图3）。若已知磁偏角δ和子午线收敛角γ，则罗经鸟所在节点的坐标方位角为α＝罗经鸟原始观测值＋固定校正值＋δ－γ下面分别就磁偏角和子午线收敛角这两项改正值对罗经鸟数据和定位结果的影响进行分析。

3．1磁偏角改正地球的磁北和子午线的真北方位之间有个夹角，即磁偏角。磁北在真北以东称东偏，磁偏角取正值；在真北以西称西偏，磁偏角为负值。地球上各点的磁偏角随地理位置不同而异，一般纬度越高，偏角越大，同时它还随时间发生复杂的周期性变化，在地球南北两磁极区域附近年变化幅度高达±1°以上［2］。因此，不同的工区和测线，不同的时间，磁偏角的差异可能很大。磁偏角数据通常可通过地磁图或海图查得。国际性组织和世界各国建立了许多固定的地磁观测站，不间断地获取地球磁场数据，通过对这些数据进行综合分析，建立了全球或区域地磁场模型，并定期出版世界（图4）或国家地磁图，通过这些地磁图可获取当地的磁偏角数据。

3．2子午线收敛角改正海上地震勘探多采用TM（横轴墨卡托）或UTM（通用横轴墨卡托）投影。在3°经差以内，TM投影和高斯投影的子午线收敛角改正差异极小。本文采用高斯平面的子午线收敛角计算公式。由式（6）可知，在一个投影带内，子午线收敛角的变化有一定规律。距离中央子午线越远，收敛角越大，在中央子午线（l＝0）上收敛角等于零；距离赤道越远，则收敛角越大，在赤道线（B＝0）上收敛角等于零。当待算点在中央子午线以东时，经差为正，γ也为正；当待算点在中央子午线以西时，经差为负，γ也为负。TM和UTM投影一般采用6°分带，最大经差可达3°，因此据式（6）对该范围内的子午线收敛角进行了计算，以便从具体量值分析子午线收敛角的大小。表1展示了不同纬度和经度差下的子午线收敛角。拖缆地震勘探测线长度范围是几十千米至上百千米，在中低纬度区的子午线收敛角最大可达1°。若测线沿东西方向展布，则在测线两端的子午线收敛角的差值约为10′～20′。而且由于不同位置处的各点对应的子午线收敛角也不同，无法通过电缆旋转来消除，因此需对每个罗经鸟数据进行子午线收敛角改正。在计算检波点坐标时，若缆长为6km，则累积误差可达数十米，导致非常严重的定位误差。

4算例分析

算例1磁偏角改正对计算结果的影响采用肯尼亚某二维拖缆项目数据，测线长为25km，测线方位是90．061°，缆长为1．5km。该测线两端点磁偏角差异约为0．02°，年变化率为0．07°，属磁偏角较小且变化较平缓区域。基于WMM磁场模型计算了测线中间位置的磁偏角值为1．693°，将其视作固定校正值。然后分别以加磁偏角改正和不加磁偏角改正方式计算检波点坐标，其他各项参数选择均完全相同。通过对电缆首尾角度闭合差、单炮整条缆的检波点坐标、多炮多点坐标进行统计、对比和分析，验证磁偏角对电缆定位的影响。角度闭合差的大小直接反映电缆定位的准确性。对比两次计算的角度闭合差（图5），可看出加上磁偏角改正后，角度闭合差显著减小。图6为相同炮时刻的两次检波点计算结果的对比。在电缆中部和尾部各取一点进行多炮的对比统计，表2展示了421炮的坐标偏差统计结果。从以上对比结果可看出，磁偏角对电缆检波点的定位影响是非常大的，尤其在磁偏角较大地区，更应高度重视。

由于整条测线采用的是同一个磁偏角，可认为是整条电缆存在一个系统误差。若是在磁场变化剧烈地区，仅通过模型得到的磁偏角还不足以校正磁场异常导致的电缆方位误差，此残留的方位误差可通过旋转电缆对方位进行补偿。作为验证，再以尾标RGPS为电缆控制点，计算电缆的旋转量，将此作为电缆方位误差的补偿，再次分别对同一数据计算检波点坐标；通过精确的电缆头尾坐标，对电缆方位进行整体旋转，以补偿磁偏角的残余误差。若无尾标RGPS数据，即无法得到精确的电缆尾部坐标，则必须对罗经鸟数据做磁偏角精确改正。算例2子午线收敛角改正对计算结果的影响选用红海某二维拖缆项目数据，测线长为112km，测线方位是57．87°，缆长为10．2km。分别计算方位数据在有、无子午线收敛角改正时的检波点坐标，再对角度闭合差、单炮全缆数据和多点多炮数据进行统计和对比。首先对整条电缆的子午线收敛角差异做直观展示。勘探船行至纬度22．418218°、经度38．084827°时，电缆上各点的子午线收敛角如图7所示，其首尾差值约为0．027°。在此子午线收敛角差异下，对有、无子午线收敛角改正的计算结果做角度闭合差对比（图8），并对比该改正对最终检波点坐标计算结果的影响。图9为子午线收敛角导致的单炮整条缆的坐标偏差。表3是在电缆中部和尾部各取一点进行的多炮计算结果统计、对比。从上述对比结果可看出，由于电缆较长，其各点的子午线收敛角差异也较大，不宜采用单一值进行改正，整条电缆都应采用实时计算的多点的子午线收敛角进行方位校正，否则会因累积角度误差导致较大定位偏差。

5结论

经过本文的研讨，得到以下认识。（1）由磁偏角造成的罗经鸟的1°多的误差，可导致电缆最终定位20多米的偏差，因此必须对罗经鸟数据进行精确的磁偏角改正，其残余误差可通过电缆旋转进行补偿。（2）由子午线收敛角引起的罗经鸟方位的误差，随电缆的不同位置而异，可导致电缆最终定位几十米的偏差。对于每个罗经鸟方位数据，均须逐一做子午线收敛角改正，从而以精确的罗经鸟方位数据实施对拖缆空间位置的准确定位。

作者：易昌华 韩华 方守川 曹国发 张瑞天 单位：中国石油东方地球物理公司 武汉大学测绘学院