水下測角測距三維定位技術(shù)

鎖旭宏，董理科，朱永帥

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，施工技術(shù)水平的提高，海洋成為人類生存與發(fā)展的新空間，成為沿海各國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障，成為影響國家安全的重要因素。海洋中的構(gòu)筑物越來越多，迫切需要研究水下定位技術(shù)，為水下大型構(gòu)件的安裝提供精準(zhǔn)定位[1]。

在海洋大型構(gòu)件安裝過程中，因?yàn)楹５讻]有參考對象，無法使用相對定位方法。本文使用安裝載體上的GNSS設(shè)備，將絕對位置通過測距測角手段傳遞到水下，解決了這一問題。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 定位原理

安裝海洋大型構(gòu)件時(shí)，安裝載體上有精確定位的GNSS設(shè)備，有拉線設(shè)備與水下安裝構(gòu)件連接，將GNSS設(shè)備、拉線設(shè)備及大型構(gòu)件事先在統(tǒng)一的船體坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定，建立起它們之間的幾何關(guān)系[2]。在安裝期間，GNSS設(shè)備實(shí)時(shí)獲取天線相位中心絕對位置，拉線設(shè)備鋼絲與大型構(gòu)件相連接，實(shí)時(shí)測定距離和角度，同時(shí)計(jì)算出水下大型構(gòu)件的絕對位置。通過開發(fā)相對應(yīng)的軟件，在計(jì)算機(jī)界面上實(shí)時(shí)顯示大型構(gòu)件水下的三維姿態(tài)，工作人員可根據(jù)界面顯示數(shù)據(jù)調(diào)整水下構(gòu)件至設(shè)計(jì)位置[3]。實(shí)時(shí)水下三維定位原理示意圖如圖1所示。

1.2 計(jì)算原理

三維定位系統(tǒng)中心位置o（x0，y0，z0），由船體GNSS確定。

圖1 水下三維定位原理圖Fig.1 Principle diagram of underwater 3D positioning

拉線空間姿態(tài)：引導(dǎo)拉線的擺臂分別與水平測角傳感器和垂直測角傳感器連接，測定擺臂空間姿態(tài)，水平方向角b和垂直角a。計(jì)算原理示意圖見圖2。

圖2 計(jì)算原理圖Fig.2 Calculation principle diagram

拉線長度：擺臂旋轉(zhuǎn)中心至待測點(diǎn)（X，Y，Z）的拉線長度L由測距傳感器（絕對多圈編碼器）測定，則有：

傾斜修正：精密雙軸傾斜儀測定水下測角測距三維定位系統(tǒng)縱向傾斜角度P和橫向傾斜角度R，并及時(shí)修正待測點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

2 定位方法與過程

利用水下測角測距三維定位系統(tǒng)進(jìn)行水下定位的方法與過程：

1）測量前，利用定位定向GNSS測定水下測角測距三維定位系統(tǒng)自身的三維坐標(biāo)，然后確定擺臂旋轉(zhuǎn)中心位置。

2）電機(jī)速度調(diào)至低速狀態(tài)，將拉線連接到待測物體的測點(diǎn)裝置。

3）待測點(diǎn)到達(dá)預(yù)設(shè)位置，調(diào)高電機(jī)轉(zhuǎn)速，增加拉線的拉力，使拉線處于拉緊狀態(tài)。

4）測距角度傳感器，水平電子角度傳感器，垂直電子角度傳感器以及傾斜儀等測量單元開始采集數(shù)據(jù)，分別測定拉線長度、水平方向角、垂直角和水下測角測距三維定位系統(tǒng)的兩維傾斜角度，經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸控制器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并處理，算出被測點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

5）根據(jù)傾斜儀測定水下測角測距三維定位系統(tǒng)的兩維傾斜角度，并即時(shí)修正定位待測點(diǎn)的三維坐標(biāo)[4]。

3 定位精度分析

3.1 設(shè)備精度及對定位影響

1）傾斜儀：傾斜儀最小分辨率為0.001°，精度為0.01°。在標(biāo)準(zhǔn)測程30 m時(shí)，傾斜儀誤差引起的平面定位誤差為：

對高程的影響精度相同。

2）電子角度傳感器：電子角度傳感器精度指標(biāo)為0.01°。在標(biāo)準(zhǔn)測程30 m時(shí)，電子角度傳感器誤差引起的平面定位誤差為：

對高程的影響精度相同。

3）拉線長度誤差：拉線長度誤差由高分辨率多圈編碼器測定誤差、制作誤差和拉伸變形誤差引起。根據(jù)設(shè)備選型和經(jīng)驗(yàn)，這項(xiàng)誤差可以控制在0.01 m以內(nèi)。

對高程的影響與測線的傾角有關(guān)，最大影響與平面相當(dāng)[5]。

4）設(shè)備綜合影響：以上各項(xiàng)設(shè)備誤差綜合影響，在標(biāo)準(zhǔn)測程30 m時(shí)，對平面和高程大致相當(dāng)，均不超過0.02 m。

3.2 標(biāo)定精度及對定位影響

標(biāo)定誤差可以分為生產(chǎn)地的產(chǎn)品質(zhì)量檢測標(biāo)定和安裝使用時(shí)的實(shí)地標(biāo)定。

檢驗(yàn)設(shè)備的制作質(zhì)量的標(biāo)定可以在生產(chǎn)地理想條件下進(jìn)行，其標(biāo)定誤差可以小于傳感器設(shè)備本身的誤差，此項(xiàng)誤差僅用于對設(shè)備制作的質(zhì)量評價(jià)。該項(xiàng)誤差也不是影響定位系統(tǒng)的最終使用精度。因此不做詳細(xì)討論。

定位系統(tǒng)在使用時(shí)的實(shí)地標(biāo)定，由于受實(shí)地條件的限制，標(biāo)定誤差較難控制，也較難給出理論分析。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，此項(xiàng)誤差在標(biāo)準(zhǔn)測程30 m時(shí)，可以控制在0.05 m以內(nèi)。

3.3 使用條件及對定位影響

三維定位系統(tǒng)可以用于多種場合，使用條件差別加大，因此使用條件對系統(tǒng)的最終精度影響也各不相同。

但對大部分水下施工條件來說，此項(xiàng)誤差的主要影響是水流對拉線的沖擊力導(dǎo)致拉線彎曲和測線長度的計(jì)量。其中拉線彎曲導(dǎo)致水平方向的轉(zhuǎn)角產(chǎn)生誤差，拉線長度影響沿拉線徑向方向的精度。如拉線垂直時(shí)拉線長度主要影響高程，拉線接近水平時(shí)主要影響水平位置。

若要減少水流對拉線的影響，主要方法是增大對拉線的拉力。但拉力過大會(huì)使得拉線拉伸變形，因此，需要在這幾個(gè)因素中找到平衡。

根據(jù)海上鋪排使用的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過一些調(diào)整，可以使得此項(xiàng)誤差控制在0.1 m以內(nèi)。

設(shè)備與測點(diǎn)的相對運(yùn)動(dòng)速度也是此項(xiàng)誤差的內(nèi)容，相對運(yùn)動(dòng)速度較大時(shí)，可導(dǎo)致設(shè)備間的數(shù)據(jù)不同步被反映到最終的相對定位結(jié)果中。系統(tǒng)各部件的摩擦力和慣性延遲，也在這種較大的相對運(yùn)動(dòng)速度情況下體現(xiàn)出來，影響定位結(jié)果。這些誤差的大小隨著相對運(yùn)動(dòng)速度提高而增加，并且很難對每臺(tái)儀器進(jìn)行正確的標(biāo)定或評價(jià)。因此，應(yīng)避免在相對運(yùn)動(dòng)速度較大的情況下使用此設(shè)備。

3.4 絕對位置定位與定向?qū)Χㄎ挥绊?/h3>

三維定位系統(tǒng)是采用2臺(tái)GNSS RTK進(jìn)行定位和定向。其中GNSS RTK定位誤差一般情況下為：平面0.02 m，高程0.03 m。

3.5 綜合影響

根據(jù)以上分析，水下測角測距三維定位系統(tǒng)定位綜合精度主要來源于設(shè)備、標(biāo)定、使用條件、絕對位置誤差，主要誤差來源于標(biāo)定和使用條件，誤差統(tǒng)計(jì)表[6-7]見表1。

表1 綜合誤差統(tǒng)計(jì)表Table 1 Comprehensive error statistics table

4 陸上精度測試

在陸地上模擬測試環(huán)境，對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，參數(shù)錄入系統(tǒng)。在統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，對不同的4個(gè)比對點(diǎn)同步使用全站儀和三維定位系統(tǒng)獲取定位數(shù)據(jù)做差值比對。全站儀陸上測量三維數(shù)據(jù)誤差很小，可以忽略，認(rèn)為是正確數(shù)據(jù)。三維定位系統(tǒng)測量成果與全站儀測量成果差值[8]見表2。

表2 陸上差值比對表Table 2 Land difference comparison table

從表中可以看出，水下測角測距三維定位系統(tǒng)測量各點(diǎn)的偏差較少，測點(diǎn)值穩(wěn)定；水下測角測距三維定位系統(tǒng)和全站儀比測結(jié)果最大較差值ΔX為28 mm，ΔY為-25 mm，ΔZ為32 mm。比測結(jié)果較好。

5 水上浮態(tài)條件精度測試

5.1 安裝

在船上設(shè)置的鋼便橋端部區(qū)域安裝水下測角測距三維定位系統(tǒng)，使拉線儀監(jiān)測和鋪排作業(yè)互不干擾。安裝示意圖見圖3。

圖3 安裝示意圖Fig.3 Installation diagram

5.2 入水前坐標(biāo)比測

拉線儀的標(biāo)定是在陸上進(jìn)行的。為了檢查拉線儀實(shí)際使用時(shí)的精度，在船上，安裝定位儀完成后，使用了一臺(tái)GNSS RTK對通過定位儀測定的點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行檢測。

比測時(shí)處于漲潮階段，船體搖晃，位置坐標(biāo)位置在20 cm范圍跳動(dòng)，實(shí)測結(jié)果表明兩者的坐標(biāo)差別分別是X方向差0.8 cm，Y方向差-9.8 cm。

5.3 同一點(diǎn)不移船多次實(shí)測

在船體浮態(tài)條件下進(jìn)行實(shí)測，對同一點(diǎn)進(jìn)行了多次測量。測試系統(tǒng)界面見圖4。

圖4 系統(tǒng)界面圖Fig.4 System interface diagram

數(shù)據(jù)采集采用計(jì)算機(jī)連續(xù)截屏的方式，對同一點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。差值統(tǒng)計(jì)表見表3。

表3 水上差值比對表Table 3 Water difference comparison table

以上數(shù)據(jù)顯示，同一點(diǎn)不移動(dòng)船舶，多次重復(fù)測量差值在-6～10 cm。

5.4 同一點(diǎn)移船實(shí)測

第1次實(shí)測完成后，測試沒有松開拉線輔繩繼續(xù)連接定位小環(huán)，隨著鋪排船體向后移動(dòng)，對水下同一點(diǎn)進(jìn)行2次測量。第1次測量在排體下水后10.70 m的位置，第2次測量時(shí)位于15.48 m。

船不同位置，對拉線同一個(gè)點(diǎn)的2次測量結(jié)果表明，船體已經(jīng)移位將近5 m，實(shí)測較差ΔX=0.05 m，ΔY=-0.08 m，比對點(diǎn)的坐標(biāo)變動(dòng)絕對值＜10 cm。這說明，船移動(dòng)時(shí)，拉線儀測定的水下點(diǎn)位坐標(biāo)變動(dòng)較小。

5.5 多次移船同點(diǎn)測試

為了測試水下測角測距三維定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度，在2次移船中對同一定位小環(huán)進(jìn)行了3次測量。

在3個(gè)船位位置共進(jìn)行了12次測量，每個(gè)距離測量4個(gè)數(shù)據(jù)。多次移船進(jìn)行同點(diǎn)比測統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)表見表4。

表4 多次移船精度統(tǒng)計(jì)表Table 4 Accuracy statistics table of multiple ship movements m

表4所示，ΔX最大絕對值為0.12 m，ΔY最大絕對值為0.21 m，同一組數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，不同的船位數(shù)據(jù)略有偏差。在最遠(yuǎn)17.06 m的平距時(shí)，拉線在水中約有12 m的長度，拉線在水中的不同長度，其測量精度和穩(wěn)定性影響不大。從不同船位同一測點(diǎn)的結(jié)果看，水下測角測距三維定位系統(tǒng)性能總體比較穩(wěn)定，且數(shù)據(jù)可靠[9]。

6 結(jié)語

本文介紹了水下測角測距定位技術(shù)，通過陸上和水上作業(yè)環(huán)境做了詳細(xì)的系統(tǒng)測試和精度比對，測試成果顯示：該系統(tǒng)精度可靠、性能穩(wěn)定、方便快捷。同時(shí)開發(fā)了配套的可視化作業(yè)界面，實(shí)時(shí)顯示作業(yè)各項(xiàng)參數(shù)及狀態(tài)，給船上作業(yè)人員提供了便利條件，大大提高了工作效率，降低了施工成本，保障了施工精度。在水下三維定位作業(yè)中可以廣泛使用。

隨著科技的進(jìn)步、現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，大型海上構(gòu)件安裝逐漸向外海、深水方向發(fā)展，傳統(tǒng)的測量方式逐漸無法滿足施工要求，高精度定位技術(shù)指引水下作業(yè)將成為主流。高精度定位系統(tǒng)用于水下大型構(gòu)件安裝將對我國的水運(yùn)工程和大型海洋工程產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，同時(shí)對海洋測繪工程領(lǐng)域的技術(shù)跨越發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。