北斗在深中通道沉管隧道安裝定位中的應用

成益品，劉兆權，鎖旭宏，張超，孫海豐，董理科，韓戰(zhàn)偉

（1.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；2.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

在工程測繪快速發(fā)展中，測繪技術同步創(chuàng)新和改進，促使工程測繪工作朝著更高層次發(fā)展。以往工程測繪的外業(yè)精確定位采用GPS 定位技術為主，盡管GPS 技術在一般情況下能夠滿足實際工作需要，但在國內某些地區(qū)和特殊時期不能保證全天候精確定位[1]。我國BDS（北斗）衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)是我國獨立自主研發(fā)和建設的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，為全球用戶提供連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的定位、導航、授時服務，當前已經實現(xiàn)了亞太地區(qū)的全面覆蓋。BDS 定位衛(wèi)星系統(tǒng)較之于GPS 具有衛(wèi)星數(shù)量多、信號強，在我國境內星座分布好，三頻定位技術優(yōu)勢突出等優(yōu)點，更能滿足工程測繪的全天候高精度要求。在國內一些重大工程項目中對單一采用BDS 精確定位方法進行了試驗研究，如貴州道新高速公路工程項目中對單BDS 靜態(tài)控制測量在山區(qū)高速公路項目中的應用進行了研究分析[2]，結果表明定位精度達到毫米級。

目前BDS 在外海深水大型精密工程測量應用中案例和研究分析較少，本文主要結合深中通道沉管隧道工程特點，將BDS 引入到沉管隧道深水沉放對接施工中，通過分別選用GPS、BDS 單星系定位方式，對其定位結果進行比較，通過1 a多的工程實踐，驗證了BDS 應用于沉管隧道精密工程測量中的可行性及優(yōu)越性，為提升沉管安裝施工定位的精確性、穩(wěn)定和提高沉管對接精度提供了有益的參考。

1 工程應用背景

深中通道沉管隧道全長5 035 m，由32 個鋼殼管節(jié)組成，標準管節(jié)長165 m，寬46 m，高10.6 m，重約8 萬t，沉管安裝軸線允許偏差±50 mm[3]。管節(jié)的沉放對接定位采用雙測量塔法[4]，最大沉放作業(yè)水深約40 m，與港珠澳大橋沉管隧道工程相比，深中通道沉管體型更大，加之施工區(qū)域航班起降頻繁且位于低緯度地區(qū)，電離層高度活躍環(huán)境影響，給衛(wèi)星定位帶來干擾，沉管安裝測控精度控制難度更大，沉管隧道線形精細化控制難度更高。

測量塔測控系統(tǒng)使用GNSS RTK 定位模式，GNSS 基準站及流動站為GPS、GLONASS、BDS多星任意組合模式。使用我國自主研發(fā)的BDS 系統(tǒng)，發(fā)揮衛(wèi)星數(shù)量多、信號強、三頻定位技術優(yōu)勢突出等優(yōu)點，提高衛(wèi)星定位的穩(wěn)定性，并研發(fā)以BDS 系統(tǒng)為主多源數(shù)據(jù)融合處理的沉管安裝測量塔測控系統(tǒng)，引導待沉放管節(jié)到達指定位置，完成管節(jié)下沉、對接安裝等步驟，在其過程中實時監(jiān)控沉管的水下三維姿態(tài)，提高沉管定位精度。

2 定位原理與方法

測量塔測控系統(tǒng)的目標是通過系統(tǒng)中軟硬件，獲取測控系統(tǒng)安裝在沉管測量塔和浮運安裝一體船上的BDS 和GPS 接收機定位數(shù)據(jù)，結合安裝在沉管和浮運安裝一體船上的雙軸傾斜傳感器數(shù)據(jù)，解算沉管的實時位置及相關參數(shù)，指導沉管的安裝。

雙測量塔解算的目的是得到管節(jié)端面特征點在施工坐標系中的坐標。由BDS 和GPS 測量得到測量塔頂部BDS 和GPS 天線相位中心在施工坐標系中的坐標，BDS 和GPS 天線相位中心位置在標定時已經取得管節(jié)坐標系的坐標，因此可以進行坐標轉換參數(shù)的實時計算。通過計算得到的實時轉換參數(shù)，可以得到管節(jié)端面特征點在施工坐標系中的坐標。雙測量塔法設備與數(shù)據(jù)處理邏輯見圖1。

圖1 雙測量塔法設備與數(shù)據(jù)處理邏輯圖Fig.1 Logic diagram of double measuring tower equipment and data processing

3 BDS 定位精度測試

3.1 設備選型

深中通道建立了覆蓋全線施工范圍的GPS 連續(xù)運行參考站系統(tǒng)，島隧工程建設期間的西人工島施工、沉管隧道施工等工序均采用GPS 測量定位[5]。為了確保沉管隧道施工期間測量定位持續(xù)有效進行，根據(jù)深中通道工程沉管安裝現(xiàn)場施工環(huán)境和測量定位需求，結合BDS 定位設備性能，沉管安裝施工期間在西人工島施工海域測量平臺上單獨建設BDS 參考站系統(tǒng)[6]。定位設備采用M300Pro 接收機作為基準站，BD2000 接收機作為流動站組合方式。

3.2 施工現(xiàn)場測試

在深中通道工程西人工島施工現(xiàn)場的海中測量平臺上架設M300Pro 接收機，建立了BDS 連續(xù)運行參考站。同時在西人工島灌注樁基礎測量平臺施工加密控制點XDP1 架設BD2000 流動站，連續(xù)采集1 個月的觀測數(shù)據(jù)，測試BDS 流動站觀測精度及其BDS 參考站運行的穩(wěn)定性。BD2000 接收機只接收單BDS 衛(wèi)星差分信號解算控制點結果，連續(xù)觀測30 個晝夜，計算每一測點的所有測量值的平均值，再將該平均值與每一測量值求差，統(tǒng)計所有差值的分布情況，計算內符合精度。施工現(xiàn)場BDS 參考站測試結果分析見圖2。

圖2 施工現(xiàn)場BDS 參考站測試結果分析Fig.2 Test result analysis of BDS reference station in construction site

統(tǒng)計測試數(shù)據(jù)分析得出，點位平面中誤差優(yōu)于1.0 cm，定位精度和穩(wěn)定性與傳統(tǒng)RTK 相當[7]；長周期連續(xù)監(jiān)測未發(fā)現(xiàn)BDS 差分數(shù)據(jù)中斷現(xiàn)象，電臺發(fā)射數(shù)據(jù)穩(wěn)定，說明選取的BDS 參考站設備性能穩(wěn)定與可靠。

4 管節(jié)安裝

4.1 設備安裝及標定

在管節(jié)首尾端固定安裝測量塔，在每個測量塔頂部分別安裝1 臺BD2000 天線和2 臺GPSR9S天線（圖 3），分別為 BDS1 和 BDS2、GPS1 和 GPS2。其中，BDS1（GPS1）用于定位，BDS1（GPS1）、BDS2（GPS2）組合定向。

圖3 測量塔BDS 和GPS 天線安裝位置圖Fig.3 Installation position of measuring tower BDS and GPS antenna

BDS 和GPS 天線下面安裝與其同軸的全站儀360 棱鏡，采用全站儀對BDS 和GPS 天線與管節(jié)相互位置關系進行精確標定，獲取沉管安裝測量塔定位參數(shù)。管節(jié)沉放過程中，測量塔的頂端始終露出海水面，以保證BDS 和GPS 正常工作。

4.2 測量塔標定精度比對

測量塔標定完成后，在管節(jié)沉放演練期間檢驗測量塔標定參數(shù)的精度。在深塢區(qū)同時架設BDS 和GPS 參考站，將全站儀標定BDS 與GPS天線標定參數(shù)輸入測量塔測控系統(tǒng)，分別使用BDS 與GPS 定位，與測量塔系統(tǒng)自動解算出來的天線坐標結果與全站儀測量結果進行比對，比對偏差在GNSS 的±20 mm 測量誤差范圍內視為正常，若出現(xiàn)偏差大于±20 mm 且占比較大時，分析并查找原因，重新進行測量塔標定。

統(tǒng)計管節(jié)歷次沉放演練期間測量塔標定精度比對發(fā)現(xiàn)，BDS 定位解算X 方向85%控制在10 mm 以內，15%控制在10~15 mm；Y 方向64%控制在10 mm 以內，26%控制在10~15 mm；Z 方向90%控制在20 mm 以內。GPS 定位解算X 方向77%控制在10 mm 以內，19%控制在10~15 mm；Y 方向66%控制在10 mm 以內，17%控制在10~15 mm；Z 基本控制在20 mm 以內。雖然BDS 與GPS 的X 與Y 方向定位基本都可以控制在20 mm之內，但從目前測量塔精度比對統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析來看，0~15 mm 區(qū)間解算數(shù)據(jù)BDS 占比高于GPS。

4.3 管節(jié)安裝定位

深中通道施工現(xiàn)場處于低緯度地區(qū)，考慮管節(jié)安裝期間BDS 與GPS 衛(wèi)星信號受電離層影響風險，在西人工島及沉管安裝施工區(qū)域分別固定建設一用一備BDS 和GPS 參考站，1 個用于主要定位，1 個用于檢核定位。

管節(jié)在隧址系泊結束，沉放準備期間，測量塔頂上的BDS 和GPS 天線實時接收各自參考站信息，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至雙測量塔系統(tǒng)進行解算，將解算坐標與利用全站儀采集坐標進行同步精度比對，確保此階段的測控系統(tǒng)BDS 定位數(shù)據(jù)正常與可靠。

管節(jié)沉放過程中，測量塔測控系統(tǒng)采用以BDS 定位數(shù)據(jù)為主、GPS 定位數(shù)據(jù)為輔指導管節(jié)沉放對接，并實時對BDS 與GPS 定位結果進行比對。通過測量塔頂BDS 與GPS 天線位置的實時定位數(shù)據(jù)和安裝在沉管上的傾斜儀實時姿態(tài)數(shù)據(jù)，結合BDS 與GPS 天線及傾斜儀的標定數(shù)據(jù)，實時計算管節(jié)各外形特征點的施工坐標及管節(jié)姿態(tài)。待管節(jié)緩慢絞移靠近對接端，下放至管節(jié)著床，測量塔測控系統(tǒng)顯示管節(jié)實時位置與姿態(tài)，此時利用兩個BDS 參考站對測控系統(tǒng)顯示結果進行相互切換檢核，同時利用全站儀實時監(jiān)測360 棱鏡與測量塔測控系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)比對。確認測量塔測控系統(tǒng)定位結果可靠后，繼續(xù)使用BDS 定位數(shù)據(jù)指導管節(jié)拉合直至對接工作全部完成。

5 貫通測量檢驗

目前，在深中通道E2—E9 管節(jié)安裝過程中使用測量塔系統(tǒng)單BDS 定位數(shù)據(jù)指導沉管安裝定位，沉管安裝完成后，分別將測量塔系統(tǒng)BDS 和GPS 定位采集的管節(jié)首尾端軸線偏差與洞內貫通測量軸線偏差進行綜合比對分析。管節(jié)安裝貫通測量結果對比見圖4。

圖4 管節(jié)安裝貫通測量結果對比Fig.4 Comparison of measurement results of pipe joint installation and penetration

圖4 中管節(jié)安裝軸線偏差“+”代表管節(jié)軸線偏設計北，“-”代表管節(jié)軸線偏設計南。E2—E9 管節(jié)安裝采用洞內雙線形聯(lián)合鎖網(wǎng)進行貫通測量，通過計算評估，貫通測量實測精度不足理論估算精度的1/2，遠遠優(yōu)于理論估算精度，說明E2—E9 管節(jié)貫通測量數(shù)據(jù)結果準確可靠[8]。

以貫通測量數(shù)據(jù)作為測量塔系統(tǒng)定位精度的評判基準，測量塔系統(tǒng)BDS 定位與貫通測量對比，最大偏差14.3 mm，最小偏差0.3 mm，累計平均偏差2.9 mm，差值中誤差7.8 mm；測量塔系統(tǒng)GPS 定位與貫通測量對比，最大偏差24.3 mm，最小偏差3.9 mm，累計平均偏差11.0 mm，差值中誤差15.9 mm[9]。

6 結語與展望

截止目前，通過已安管節(jié)綜合對比分析可知，沉管安裝測量塔法采用單BDS 定位技術不僅可以滿足深中通道沉管安裝軸線偏差±50 mm 要求，而且可以有效保障沉管安裝定位精度。同時，通過比對發(fā)現(xiàn)，在相同測量環(huán)境條件下，相對GPS 定位，BDS 定位表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性，定位精度更勝一籌。

深中通道作為國家十四五重點建設工程，在其控制性工程沉管隧道管節(jié)安裝施工期間，成功利用BDS 高精度測量定位技術，實現(xiàn)對管節(jié)沉放對接全程的實時安全監(jiān)測及精細化管理，高質量的指導沉管沉放對接，充分發(fā)揮國家重點工程BDS 綜合應用示范項目的引領作用。

隨著BDS 應用技術的拓展和延伸，深中通道沉管安裝BDS 應用的體驗感和獲得感也將不斷提升，后續(xù)將不斷總結BDS 定位技術使用經驗，結合現(xiàn)場實際需求，著力增強創(chuàng)新能力，擴大使用規(guī)模，編制沉管隧道管節(jié)安裝北斗高精度定位測量標準化指導書，助力在其他類似的海洋工程施工中的發(fā)展應用。