CN204676554U - 一种沉管水下施工定位*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种沉管水下施工定位***,它包括船载GPS、船载姿态传感器、短基线水下声学定位***和水下距离定位***；船载GPS和船载姿态传感器置于拖船上；短基线水下声学定位***包括安设在拖船舷侧下方的4元基阵和4个安设在待定位沉管上方的应答器，4元基阵包括1个收发合置换能器和3个接收换能器；水下距离定位***包括安设在已定位沉管上的距离感应板和安设在待定位沉管上的距离传感器；距离传感器、船载姿态传感器、船载GPS将数据传递给拖船上的主处理器。本实用新型能对水下待定位管段进行高精度的实时定位，有效指导管段水下对接工作，提高施工效率，降低施工风险。

Description

一种沉管水下施工定位***

技术领域

本实用新型涉及一种沉管水下施工定位***，该定位***适用于海底沉管隧道对接施工等海洋工程领域。

背景技术

在大型水下隧道工程中，隧道管段的沉放定位与水下对接是沉管隧道施工中的关键技术，由于管段沉放对接均在水下进行，必须由测量***持续不断地提供管段的位置及其姿态数据，以随时了解待定位的管段相对于设计位置的偏差，因此管段沉放是一个典型水下定位施工问题。

现有的国内外沉管隧道管节沉放实时定位测量方法主要可分为全站仪法，RTK-GPS测量法，声呐法和机械法四种。全站仪法定位测量是利用坐标转换的原理实时测量管节测量塔顶部棱镜的坐标换算特征点的三维坐标，定位测量前需建立管节局部坐标系，管节预制完成后在管节首尾安装测量塔，测量塔顶部棱镜坐标，并在局部坐标系中精确标定棱镜与管节相对位置关系。用全站仪进行管节沉放实时定位测量，测试数据精度高，稳定性好。但当管节离岸较远时，使得测量距离较远，全站仪无法瞄准测量目标，测量精度急速下降。RTK-GPS测量法测量距离远，精度高的，此测量方法具有作业效率高，数据定位无误差积累以及受气候、能见度、光学通视等限制条件小等优点。但全站仪法和RTK-GPS测量法定位测量技术均通过坐标转换实现，为间接测量技术。在深水环境下为了减小测量塔变形对定位测量的影响，需要一种直接测量水下管节特征点坐标的定位测量方法，由此出现了声呐法，声纳法是一种相对定位测量方法，其测量的是待沉管节与已沉管节的相对位置，测量精度受已沉管节的位置精度影响。声呐法通过测量管节沉放时安装在待定位管节上的发射换能器发射的超声波信号到达已定位管节上接收换能器的传播时间，计算发射换能器与各个接收换能器之间的距离，根据所测得的距离，计算待沉管节与已沉管节之间的距离、高差、偏移等信息。由于海水声速与水温、静水压力以及海水盐度等的影响，精确测定海水声速难度较大，从而直接影响了声纳法定位测量的结果。机械法定位测量***由距离传感器、感应板、拉线单元及各种配件组成，管节沉放初期，根据拉线单元测量管节之间的相对斜距和方位角的三角函数关系，计算待沉管节与已沉管节之间的相对位置关系；由于拉线单元距离测量误差较大，当管节距离小于40cm时采用距离传感器取代拉线单元，精确测量管节之间的距离，计算管节之间的相对位置关系。机械法同声纳法一样，只能用于管节对接端的精确定位，不能对长大管节尾部进定位。

上述四种测量定位方法的局限性如下：全站仪法所使用的测量塔通常采用钢桁架结构，其变形受温度，风，波浪和水流等影响，测量塔上端摇摆和振动不能克服，定位距离远，测量精度下降明显，因此全站仪法多用于水文条件较好，隧道距离较短的内河（因测量塔变形较小，对测量精度影响较低）；RTK-GPS法测量对卫星状态的要求较高，测量时截止角度15度以上的卫星不得少于5颗，PDOP值不得大于6，导致RTK-GPS法测量在部分地区不能进行全天候作业，特别是由于受仪器设备***误差所限，当隧道距离较短时，RTK-GPS法的测量精度将变低；声纳法测量***位于水下固定支架上，其测量精度不受风、浪和水流影响，但用声纳法定位测量时，为了增加测量距离，需降低超声波的频率，而超声波频率的降低直接导致测量精度降低。机械法定位测量不受外界气象水文条件影响，但其测量精度由距离和角度的测量精度决定，距离采用距离传感器测量，测量精度极高，机械法定位测量的精度主要取决于角度的测量精度，因角度的测量不准，因此影响整个测量精度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种沉管水下施工定位***，该沉管水下施工定位***同时利用GPS定位信息，水下定位***以及距离传感器对水下待定位管段进行高精度的实时定位，有效指导管段水下对接工作，提高施工的效率，降低施工的风险。

本实用新型是这样实现的：

一种沉管水下施工定位***,它包括大地坐标定位***、姿态测量***、短基线水下声学定位***和水下距离定位***；

所述大地坐标定位***包括船载GPS，所述姿态测量***包括船载姿态传感器，所述船载GPS和船载姿态传感器置于负责施放沉管的拖船上；

所述短基线水下声学定位***包括4元基阵和4个应答器，所述4元基阵包括1个收发合置换能器和3个接收换能器，所述收发合置换能器和接收换能器安设在拖船舷侧下方，所述4个应答器安设在待定位沉管上方；

所述水下距离定位***包括距离感应板和距离传感器，所述距离感应板安设在已定位沉管的对接面上，所述距离传感器安设在待定位沉管的对接面上；

所述距离传感器、船载姿态传感器、船载GPS将数据传递给拖船上的主处理器；所述4元基阵和4个应答器通过收发单元将数据传递给拖船上的主处理器。

按上述方案，所述收发合置换能器和接收换能器通过刚性杆安设在拖船舷侧下方，且所述收发合置换能器和接收换能器与拖船的船底相距2-6厘米。

按上述方案，所述应答器离待定位沉管的管节面2-6厘米。

按上述方案，所述距离传感器通过电缆与拖船上的主处理器连接。

在负责施放沉管的拖船上安装大地坐标定位***的船载GPS和姿态测量***的姿态传感器，结合短基线水下声学定位***，给出大地坐标系下的短基线***的局部坐标系。短基线水下声学定位***由4元基阵和4个应答器组成，4元基阵的阵元分别固定安装在拖船舷侧，阵元之间的相对位置已知，4个应答器分别安装在待定位沉管管节面4个特征坐标点处。短基线水下声学定位***利用声波在阵元和应答器之间的传播时间计算阵元与应答器之间的距离，基于球面交汇定位原理对应答器位置进行定位，然后通过坐标转换等算法得到待定位管段的位置和姿态信息。由于受海洋环境以及安装误差的影响，短基线水下声学定位***精度一般控制只能在5%以下，在对待定沉管进行精确对接时，此精度是不够的，因此还需在待定沉管上安装4个距离传感器，精确测量待定位管段和已定位管段之间的距离，由于距离传感器测量精度很高，而管段姿态可通过上述短基线水下声学定位***计算得到，且高于一般姿态传感器测量精度，因此计算管段之间的相对位置关系，精度可达到2.5cm。

本实用新型避免采用测量塔，适用于远距离、深水施工，对施工环境要求不高。本实用新型通过短基线水下声学定位***结合GPS定位***对待定位沉管位置进行初定位，当对接沉管相距小于40cm时，通过距离传感器进行精确定位，最终完成沉管管段水下对接工作。

本实用新型能对水下待定位管段进行高精度的实时定位，有效指导管段水下对接工作，提高施工效率，降低施工风险。

附图说明

图1为本实用新型沉管水下施工定位***的结构示意图。

图中：1、已定位沉管，2、待定位沉管，3、拖船，4、船载GPS，5、船载姿态传感器，6、收发合置换能器，7、接收换能器，8、应答器；9、距离传感器，10、距离感应板。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。

参见图1，一种沉管水下施工定位***,它包括采用广域差分全球定位***的大地坐标定位***、姿态测量***、短基线水下声学定位***和水下距离定位***；

所述大地坐标定位***包括船载GPS4，所述姿态测量***包括采用挪威Seatex公司生产的MRU-05系列的船载姿态传感器5，所述船载GPS4和船载姿态传感器5置于负责施放沉管的拖船3上；

所述短基线水下声学定位***包括4元基阵和4个应答器8，所述4元基阵包括1个用于发射应答信号和接收应答器发射信号的收发合置换能器6，以及3个接收换能器7；所述收发合置换能器6和接收换能器7通过刚性杆安设在拖船舷侧下方，并与拖船的底部保持一定距离，通常为2-6厘米，以防止界面声反射和拖船3自身噪声影响测量精度；所述4个应答器安设在待定位沉管2上方，并与待定位沉管2的管节面有一定距离，通常为2-6厘米，以防止待定位沉管2的界面影响测量精度；

所述水下距离定位***包括距离感应板10和距离传感器9，所述距离感应板10安设在已定位沉管1的对接面上，所述距离传感器9安设在待定位沉管2的对接面上；

所述距离传感器9、船载姿态传感器5、船载GPS4将数据传递给拖船3上的主处理器；所述4元基阵和4个应答器8通过收发单元将数据传递给拖船3上的主处理器，主处理器接收这些数据后进行计算和存储，并在主处理器的显示屏上显示数据。

为了确保数据传输的准确性及连接的方便性，所述距离传感器9通过电缆与拖船3上的主处理器连接；收发合置换能器6和接收换能器7通过电缆与拖船3上的主处理器连接；所述应答器8采用电池供电。

本实用新型中的收发单元包括多路接收机，数字信号处理***，大功率发射机和水声数据传输编解码器；本实用新型中的主处理器为带标准输入输出接口的计算机。

本实用新型处于应答工作方式时，主要实现以下功能：

1、实时显示水下待定位沉管2的位置和姿态；

2、实时显示待定位沉管2与已定位沉管1之间相对空间关系的三维定位图。

本实用新型的具体实施步骤如下：

1、在拖船舷侧用刚性杆固定四个水声换能器基阵（1个收发合置换能器6和3个接收换能器7），组成四元短基线阵，收发合置换能器6和接收换能器7施放深度应低于拖船底面一定距离，以防止界面声反射和拖船自身噪声的影响；精确测量四个阵元之间的距离；在拖船3上安装船载GPS4的天线和姿态传感器5，精确测量GPS4天线和姿态传感器5与水声换能器基阵之间的距离；接收换能器7和收发合置换能器6可以发射信号通过应答模式对待定位沉管2上的四个应答器8进行实时定位；接收换能器7和收发合置换能器6都连接电缆，电缆连接主处理器，用以供电和传输信号；

2、待定位沉管2上布置有4个应答器8，4个应答器8在待定位沉管2上的位置应精确固定，安装时应答器8离待定位沉管2的管节面需有一定距离，以防止管节面的影响，应答器8之间的位置也需要精确测量，应答器8采用水下电池供电；

3、根据短基线水声定位原理，通过收发合置换能器6、接收换能器7和应答器8之间的水声信号结合球面交汇原理求解待定位沉管2上应答器8的坐标，并通过坐标转换等算法实时解算出待定位沉管2的位置及姿态信息；

4、在已定位沉管1对接面安装四个距离感应板10，待定位沉管2的对接面布置四个距离传感器9，当已定位沉管1与待定位沉管2距离小于40cm时，应用距离传感器9对两管段进行精确定位，距离传感,9通过电缆与拖船3上的主处理器连接，并通过电缆提供电源和传输数据；

5、拖船3上布置有收发单元和主处理器，主处理器用于处理实时数据，并可显示已定位沉管1和待定位沉管2的相对位置和姿态信息，可以显示其大地坐标，指导沉管管段施工定位。

本实用新型中短基线水下声学定位***利用声波在阵元和应答器之间的传播时间计算阵元与应答器之间的距离，基于球面交汇定位原理对应答器位置进行定位，然后通过坐标转换等算法得到待定位沉管的位置和姿态信息，当对接沉管相距小于40cm时，通过距离传感器进行精确定位，最终完成管节水下对接工作。

Claims (4)

1.一种沉管水下施工定位***,其特征在于：它包括大地坐标定位***、姿态测量***、短基线水下声学定位***和水下距离定位***；

所述大地坐标定位***包括船载GPS，所述姿态测量***包括船载姿态传感器，所述船载GPS和船载姿态传感器置于负责施放沉管的拖船上；

所述短基线水下声学定位***包括4元基阵和4个应答器，所述4元基阵包括1个收发合置换能器和3个接收换能器，所述收发合置换能器和接收换能器安设在拖船舷侧下方，所述4个应答器安设在待定位沉管上方；

所述水下距离定位***包括距离感应板和距离传感器，所述距离感应板安设在已定位沉管的对接面上，所述距离传感器安设在待定位沉管的对接面上；

所述距离传感器、船载姿态传感器、船载GPS将数据传递给拖船上的主处理器；所述4元基阵和4个应答器通过收发单元将数据传递给拖船上的主处理器。

2.如权利要求1所述的沉管水下施工定位***,其特征在于：所述收发合置换能器和接收换能器通过刚性杆安设在拖船舷侧下方，且所述收发合置换能器和接收换能器与拖船的船底相距2-6厘米。

3.如权利要求1所述的沉管水下施工定位***,其特征在于：所述应答器离待定位沉管的管节面2-6厘米。

4.如权利要求1所述的沉管水下施工定位***,其特征在于：所述距离传感器通过电缆与拖船上的主处理器连接。