超短基線測量技術(shù)在鋪排施工中的應(yīng)用

焦永強，田維新，潘賢亮

（上海達華測繪有限公司，上海 200136）

0 引言

超短基線的水下定位技術(shù)為鋪排船的鋪排施工提供了很好的測量及控制手段。較傳統(tǒng)的利用潛水員水下探摸的方式，在鋪排施工的精準(zhǔn)控制、進度質(zhì)量等方面都具有很大的優(yōu)勢。針對長江南京以下12.5 m深水航道一期工程鋪排施工項目，通過在長江口白茆沙I標(biāo)工程中實際應(yīng)用，取得了良好的效果，為鋪排施工提供了新的技術(shù)手段。

1 超短基線測量系統(tǒng)的工藝流程

1.1 系統(tǒng)的組成及工作原理

超短基線測量系統(tǒng)主要由兩部分組成：發(fā)射接收單元（俗稱水聲換能器）及水下應(yīng)答信標(biāo)。換能器探頭里有多個水聽器，按三角形布陣，水聽器之間距離只有幾厘米。系統(tǒng)是根據(jù)聲波在水中傳播的往返時間及聲速來測量水聲換能器到水下信標(biāo)的距離（S=vt/2）；利用安裝在水聲換能器探頭中的多個水聽器接收陣接收水下信標(biāo)的應(yīng)答信號的相位差來確定發(fā)射接收機相對船艏的方位。如圖1所示，圖中1、2、3相當(dāng)于組裝在探頭內(nèi)的水聽器，通過1、2、3點可以定位空間中的目標(biāo)物相對于A、B、C三條超短基線構(gòu)成平面的空間位置（距離和方位）。就測量而言3點足以確定空間的位置，而實際上水聲換能器探頭內(nèi)的水聽器都多于3個，如英國Sonardyne公司生產(chǎn)的ScoutPro USBL，其水聲換能器探頭內(nèi)裝有5個水聽器（圖2），所組成的超短基線數(shù)量大大增加，增強了系統(tǒng)的冗余測量能力，提高系統(tǒng)的整體精度。

圖1 空間目標(biāo)的測量定位原理

圖2 超短基線測量示意圖

常用的超短基線測量系統(tǒng)包括：1套水聲換能器探頭及若干個信標(biāo)，采用一對多的模式；由于鋪排施工作業(yè)的特殊性，需要在鋪排船的船艏、船艉分別安裝1套水聲換能器探頭，采用兩對多的方式進行排體的水下實時定位，如圖3所示。

圖3 超短基線鋪排作業(yè)水下定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

其中操控室內(nèi)安裝有2套控制單元及1套鋪排軟件施工作業(yè)系統(tǒng)。兩組超短基線定位系統(tǒng)分別接收固定在排體兩側(cè)的信標(biāo)所發(fā)出的回聲信號進行定位，最終將測量定位信息輸入到鋪排軟件控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)將兩組數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換形成符合施工要求的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過后處理軟件及實時顯示平臺可以很好地監(jiān)測排體在水下的位置信息，從而對鋪排的施工過程進行監(jiān)控，對鋪設(shè)好的水下排體進行準(zhǔn)確定位。

1.2 系統(tǒng)鋪排作業(yè)的工藝流程

1.2.1 系統(tǒng)的安裝

在超短基線測量系統(tǒng)的安裝中，重點是發(fā)射接收機探頭的安裝，由于它是信號的發(fā)射接收系統(tǒng)，且內(nèi)置有動態(tài)的姿態(tài)測量、艏向測量傳感器，對其安裝的位置、穩(wěn)定性及噪聲環(huán)境有一定的要求：

1）探頭的安裝要牢固、穩(wěn)定，施工中不能發(fā)生明顯的抖動；

2）探頭應(yīng)安裝在距離船舶發(fā)動機較遠、噪聲較小的地方；

3）探頭與水下信息的連線上應(yīng)無明顯的物理阻隔；

4）探頭距離船舷應(yīng)保持有10 cm以上的間距，且不易被碰撞。

1.2.2 系統(tǒng)的校準(zhǔn)

系統(tǒng)的校準(zhǔn)是確保測量結(jié)果準(zhǔn)確的關(guān)鍵。校準(zhǔn)的目的：通過一定的測量手段，測量出超短基線發(fā)射接收機安裝后探頭軸線方向與鋪排船艏向間的角度關(guān)系，通過軟件偏移改正實現(xiàn)探頭軸向的校正，以確保測量數(shù)據(jù)成果測量的準(zhǔn)確度。

超短基線測量系統(tǒng)以動態(tài)校準(zhǔn)為主，要求船舶能夠自由航行，而鋪排船較難實現(xiàn)動態(tài)校準(zhǔn)；項目實施中，需要結(jié)合施工船舶特性制作一個校準(zhǔn)桿，分別在探頭左右兩側(cè)水下固定好校準(zhǔn)桿，同時利用超短基線測量系統(tǒng)、雙RTK-DGPS測量探頭與信標(biāo)之間的夾角及距離，最后以RTKDGPS的測量結(jié)果為準(zhǔn)，在超短基線測量軟件中修正探頭的軸向角，確保其方向值一致。

1.2.3 坐標(biāo)的比對

在超短基線校準(zhǔn)結(jié)束后，還要進行相應(yīng)的坐標(biāo)比對工作，同時利用超短基線測量系統(tǒng)、RTKDGPS測量系統(tǒng)測量同一個信標(biāo)點的坐標(biāo)，當(dāng)兩者互差符合施工要求后，即可進行正常的鋪排施工，如比對結(jié)果不理想，要重新進行系統(tǒng)校準(zhǔn)及相關(guān)配置參數(shù)的檢查調(diào)整，直到符合要求為止。

1.2.4 鋪排施工作業(yè)

系統(tǒng)校準(zhǔn)比對結(jié)束后，即可進行相應(yīng)的鋪排施工。一般要準(zhǔn)備4～6個水下定位信標(biāo)，如圖3所示，將信標(biāo)固定在排體的邊緣，分3組循環(huán)使用。每組由兩個信標(biāo)組成，對稱分布在排體的兩邊，每組間距20～30 m；當(dāng)某一組水下信標(biāo)到達水底穩(wěn)定后，測量其最終坐標(biāo)并釋放回收該設(shè)備，繼續(xù)進行下一組的測量控制，如此循環(huán)完成整個排體的施工定位及檢測工作。

在施工過程中，通過鋪排軟件的坐標(biāo)成圖、比對、報警功能實現(xiàn)排體鋪設(shè)的測量控制，為下一張排體的鋪設(shè)、搭接提供最為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)成果。

2 超短基線在鋪排施工中的優(yōu)勢

2.1 傳統(tǒng)的方法

傳統(tǒng)的鋪排施工，水下排體搭接及位置的檢測主要通過水面浮標(biāo)及潛水員水下探摸來實現(xiàn)，浮標(biāo)的移動性、潛水員的判斷能力都影響鋪排的質(zhì)量控制及檢測的精度及速度，特別在水深較深、流速較快的區(qū)域進行鋪排時，拴系在排邊的浮標(biāo)到水面后偏移排體實際位置較多，無法準(zhǔn)確測量并判定排體在水下的真實位置，往往會造成搭接過多或搭接不上的情況，致使返工及補排的現(xiàn)象屢有發(fā)生，不但影響施工進度，還影響鋪排的施工質(zhì)量。加之潛水員下水的風(fēng)險較大，費用也較高。

2.2 超短基線測量技術(shù)的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的鋪排施工測量定位及檢測方法相比，有以下幾項優(yōu)點：

1）可對施工中的水下排體實現(xiàn)實時動態(tài)定位及檢測，速度快、效率高，可實現(xiàn)鋪排施工的動態(tài)控制；

2）檢測手段簡單，風(fēng)險小，不用配備專用的檢測船及專業(yè)的潛水員，成本費用較低；

3）檢測精度高，信息量豐富，有利于數(shù)據(jù)成果分析處理；

4）不受水深及排體檢測點多少的影響，易于實現(xiàn)全覆蓋檢測，檢測質(zhì)量高。

3 應(yīng)用實例

長江南京以下12.5 m深水航道一期工程鋪排施工項目是長江口航道整治拓展的關(guān)鍵性工程，分4個標(biāo)段進行鋪排施工，僅白茆沙I標(biāo)段的砂肋軟體排、混凝土聯(lián)鎖軟體排的鋪設(shè)總量達355.1萬m2，鋪設(shè)工作量大，工期長，精度要求高。施工區(qū)域同時有多條大型鋪排船同時作業(yè)，采用傳統(tǒng)的鋪排定位檢測方式將嚴重制約鋪排的進度。根據(jù)項目需求，在2012-10-10—11-28，先后在交建2號及交建4號鋪排船上進行了鋪排定位的實際應(yīng)用，重點對交建4號鋪排船鋪設(shè)的第37號、第39號軟體排進行了系統(tǒng)的施工定位及水下檢測，兩張排布長同為250 m，排寬36 m，鋪設(shè)段的水深10 m，搭接要求不小于3 m。

在施工定位與檢測中，將信標(biāo)定位實測排體位置與理論位置的比較如圖4所示。此次鋪排區(qū)處于拐彎段，第37、39號排體的搭接區(qū)域最窄處在北側(cè)，搭接寬度約3.5 m，最大處在南側(cè)，搭接寬度約13 m，搭接符合鋪排施工作業(yè)要求。

從圖4可以看出：

1）排體施工實測位置與設(shè)計位置比較吻合；搭接滿足設(shè)計要求；有效避免了漏鋪排、補鋪排及重復(fù)鋪設(shè)等問題的發(fā)生，施工工效高且比較經(jīng)濟。

圖4 水下排體位置比對圖

2）從圖4右側(cè)的測點位置放大圖中可以看出，超短基線所測量的排體位置離散度相對較低，測量坐標(biāo)點位比較集中，所有的測點坐標(biāo)位置都集中在半徑為0.3 m的圓內(nèi),測點的定位中誤差在0.2～0.6 m之間，定位精度高，穩(wěn)定性好。

3）從兩張排的搭接看，利用超短基線測量技術(shù)可以準(zhǔn)確定位，能比較準(zhǔn)確地反應(yīng)水下排體的真實搭接信息。

4）結(jié)合潮水情況來分析，在落水施工過程中，短基線測量的排體連線位置略向下游方面（東側(cè)）偏移；而平潮及初漲時，實測的排體位置與設(shè)計排體位置非常吻合；很顯然，如扣除潮水的影響，將顯現(xiàn)出超短基線突出的定位優(yōu)勢。

4 結(jié)語

超短基線測量技術(shù)應(yīng)用于軟體排鋪設(shè)施工的定位與檢測，在國內(nèi)外尚屬首次，是鋪排施工中定位控制與檢測工藝的又一創(chuàng)新?，F(xiàn)場試驗及正式投入使用的效果證明，其工藝先進，作業(yè)方法及控制手段穩(wěn)定可靠，測量精度完全滿足鋪排施工的需求。

超短基線測量技術(shù)在鋪排施工中的成功應(yīng)用，不但大幅提高鋪排施工的進度與質(zhì)量，而且還可以有效降低施工作業(yè)成本，降低深水探摸排體的安全風(fēng)險，可在同行業(yè)內(nèi)大力推廣應(yīng)用。

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