一種沉管水下施工定位系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種沉管水下施工定位系統(tǒng)，該定位系統(tǒng)適用于海底沉管隧道對接施工等海洋工程領域。
【背景技術】
[0002]在大型水下隧道工程中，隧道管段的沉放定位與水下對接是沉管隧道施工中的關鍵技術，由于管段沉放對接均在水下進行，必須由測量系統(tǒng)持續(xù)不斷地提供管段的位置及其姿態(tài)數(shù)據(jù)，以隨時了解待定位的管段相對于設計位置的偏差，因此管段沉放是一個典型水下定位施工問題。
[0003]現(xiàn)有的國內外沉管隧道管節(jié)沉放實時定位測量方法主要可分為全站儀法，RTK-GPS測量法，聲吶法和機械法四種。全站儀法定位測量是利用坐標轉換的原理實時測量管節(jié)測量塔頂部棱鏡的坐標換算特征點的三維坐標，定位測量前需建立管節(jié)局部坐標系，管節(jié)預制完成后在管節(jié)首尾安裝測量塔，測量塔頂部棱鏡坐標，并在局部坐標系中精確標定棱鏡與管節(jié)相對位置關系。用全站儀進行管節(jié)沉放實時定位測量，測試數(shù)據(jù)精度高，穩(wěn)定性好。但當管節(jié)離岸較遠時，使得測量距離較遠，全站儀無法瞄準測量目標，測量精度急速下降。RTK-GPS測量法測量距離遠，精度高的，此測量方法具有作業(yè)效率高，數(shù)據(jù)定位無誤差積累以及受氣候、能見度、光學通視等限制條件小等優(yōu)點。但全站儀法和RTK-GPS測量法定位測量技術均通過坐標轉換實現(xiàn)，為間接測量技術。在深水環(huán)境下為了減小測量塔變形對定位測量的影響，需要一種直接測量水下管節(jié)特征點坐標的定位測量方法，由此出現(xiàn)了聲吶法，聲納法是一種相對定位測量方法，其測量的是待沉管節(jié)與已沉管節(jié)的相對位置，測量精度受已沉管節(jié)的位置精度影響。聲吶法通過測量管節(jié)沉放時安裝在待定位管節(jié)上的發(fā)射換能器發(fā)射的超聲波信號到達已定位管節(jié)上接收換能器的傳播時間，計算發(fā)射換能器與各個接收換能器之間的距離，根據(jù)所測得的距離，計算待沉管節(jié)與已沉管節(jié)之間的距離、高差、偏移等信息。由于海水聲速與水溫、靜水壓力以及海水鹽度等的影響，精確測定海水聲速難度較大，從而直接影響了聲納法定位測量的結果。機械法定位測量系統(tǒng)由距離傳感器、感應板、拉線單元及各種配件組成，管節(jié)沉放初期，根據(jù)拉線單元測量管節(jié)之間的相對斜距和方位角的三角函數(shù)關系，計算待沉管節(jié)與已沉管節(jié)之間的相對位置關系；由于拉線單元距離測量誤差較大，當管節(jié)距離小于40cm時采用距離傳感器取代拉線單元，精確測量管節(jié)之間的距離，計算管節(jié)之間的相對位置關系。機械法同聲納法一樣，只能用于管節(jié)對接端的精確定位，不能對長大管節(jié)尾部進定位。
[0004]上述四種測量定位方法的局限性如下:全站儀法所使用的測量塔通常采用鋼桁架結構，其變形受溫度，風，波浪和水流等影響，測量塔上端搖擺和振動不能克服，定位距離遠，測量精度下降明顯，因此全站儀法多用于水文條件較好，隧道距離較短的內河(因測量塔變形較小，對測量精度影響較低)；RTK-GPS法測量對衛(wèi)星狀態(tài)的要求較高，測量時截止角度15度以上的衛(wèi)星不得少于5顆，PDOP值不得大于6，導致RTK-GPS法測量在部分地區(qū)不能進行全天候作業(yè)，特別是由于受儀器設備系統(tǒng)誤差所限，當隧道距離較短時，RTK-GPS法的測量精度將變低；聲納法測量系統(tǒng)位于水下固定支架上，其測量精度不受風、浪和水流影響，但用聲納法定位測量時，為了增加測量距離，需降低超聲波的頻率，而超聲波頻率的降低直接導致測量精度降低。機械法定位測量不受外界氣象水文條件影響，但其測量精度由距離和角度的測量精度決定，距離采用距離傳感器測量，測量精度極高，機械法定位測量的精度主要取決于角度的測量精度，因角度的測量不準，因此影響整個測量精度。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型的目的在于提供一種沉管水下施工定位系統(tǒng)，該沉管水下施工定位系統(tǒng)同時利用GPS定位信息，水下定位系統(tǒng)以及距離傳感器對水下待定位管段進行高精度的實時定位，有效指導管段水下對接工作，提高施工的效率，降低施工的風險。
[0006]本實用新型是這樣實現(xiàn)的:
[0007]一種沉管水下施工定位系統(tǒng)，它包括大地坐標定位系統(tǒng)、姿態(tài)測量系統(tǒng)、短基線水下聲學定位系統(tǒng)和水下距離定位系統(tǒng)；
[0008]所述大地坐標定位系統(tǒng)包括船載GPS，所述姿態(tài)測量系統(tǒng)包括船載姿態(tài)傳感器，所述船載GPS和船載姿態(tài)傳感器置于負責施放沉管的拖船上；
[0009]所述短基線水下聲學定位系統(tǒng)包括4元基陣和4個應答器，所述4元基陣包括I個收發(fā)合置換能器和3個接收換能器，所述收發(fā)合置換能器和接收換能器安設在拖船舷側下方，所述4個應答器安設在待定位沉管上方；
[0010]所述水下距離定位系統(tǒng)包括距離感應板和距離傳感器，所述距離感應板安設在已定位沉管的對接面上，所述距離傳感器安設在待定位沉管的對接面上；
[0011]所述距離傳感器、船載姿態(tài)傳感器、船載GPS將數(shù)據(jù)傳遞給拖船上的主處理器；所述4元基陣和4個應答器通過收發(fā)單元將數(shù)據(jù)傳遞給拖船上的主處理器。
[0012]按上述方案，所述收發(fā)合置換能器和接收換能器通過剛性桿安設在拖船舷側下方，且所述收發(fā)合置換能器和接收換能器與拖船的船底相距2-6厘米。
[0013]按上述方案，所述應答器離待定位沉管的管節(jié)面2-6厘米。
[0014]按上述方案，所述距離傳感器通過電纜與拖船上的主處理器連接。
[0015]在負責施放沉管的拖船上安裝大地坐標定位系統(tǒng)的船載GPS和姿態(tài)測量系統(tǒng)的姿態(tài)傳感器，結合短基線水下聲學定位系統(tǒng)，給出大地坐標系下的短基線系統(tǒng)的局部坐標系。短基線水下聲學定位系統(tǒng)由4元基陣和4個應答器組成，4元基陣的陣元分別固定安裝在拖船舷側，陣元之間的相對位置已知，4個應答器分別安裝在待定位沉管管節(jié)面4個特征坐標點處。短基線水下聲學定位系統(tǒng)利用聲波在陣元和應答器之間的傳播時間計算陣元與應答器之間的距離，基于球面交匯定位原理對應答器位置進行定位，然后通過坐標轉換等算法得到待定位管段的位置和姿態(tài)信息。由于受海洋環(huán)境以及安裝誤差的影響，短基線水下聲學定位系統(tǒng)精度一般控制只能在5%以下，在對待定沉管進行精確對接時，此精度是不夠的，因此還需在待定沉管上安裝4個距離傳感器，精確測量待定位管段和已定位管段之間的距離，由于距離傳感器測量精度很高，而管段姿態(tài)可通過上述短基線水下聲學定位系統(tǒng)計算得到，且高于一般姿態(tài)傳感器測量精度，因此計算管段之間的相對位置關系，精度可達到2.5cm。
[0016]本實用新型避免采用測量塔，適用于遠距離、深水施工，對施工環(huán)境要求不高。本實用新型通過短基線水下聲學定位系統(tǒng)結合GPS定位系統(tǒng)對待定位沉管位置進行初定位，當對接沉管相距小于40cm時，通過距離傳感器進行精確定位，最終完成沉管管段水下對接工作。
[0017]本實用新型能對水下待定位管段進行高精度的實時定位，有效指導管段水下對接工作，提高施工效率，降低施工風險。
【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型沉管水下施工定位系統(tǒng)的結構示意圖。
[0019]圖中:1、已定位沉管，2、待定位沉管，3、拖船，4、船