一种沉管水下施工定位系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种沉管水下施工定位系统，该定位系统适用于海底沉管隧道对接施工等海洋工程领域。
【背景技术】
[0002]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，必须由测量系统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。
[0003]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。机械法定位测量系统由距离传感器、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。
[0004]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系统误差所限，当隧道距离较短时，RTK-GPS法的测量精度将变低；声纳法测量系统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】
[0005]本实用新型的目的在于提供一种沉管水下施工定位系统，该沉管水下施工定位系统同时利用GPS定位信息，水下定位系统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。
[0006]本实用新型是这样实现的:
[0007]一种沉管水下施工定位系统，它包括大地坐标定位系统、姿态测量系统、短基线水下声学定位系统和水下距离定位系统；
[0008]所述大地坐标定位系统包括船载GPS，所述姿态测量系统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；
[0009]所述短基线水下声学定位系统包括4元基阵和4个应答器，所述4元基阵包括I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；
[0010]所述水下距离定位系统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；
[0011]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。
[0012]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。
[0013]按上述方案，所述应答器离待定位沉管的管节面2-6厘米。
[0014]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。
[0015]在负责施放沉管的拖船上安装大地坐标定位系统的船载GPS和姿态测量系统的姿态传感器，结合短基线水下声学定位系统，给出大地坐标系下的短基线系统的局部坐标系。短基线水下声学定位系统由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系统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系统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系统计算得到，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。
[0016]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系统结合GPS定位系统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。
[0017]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】
[0018]图1为本实用新型沉管水下施工定位系统的结构示意图。
[0019]图中:1、已定位沉管，2、待定位沉管，3、拖船，4、船