一种水下整平架定位系统及其定位方法与流程

本发明涉及一种整平架定位系统及定位方法，特别涉及一种水下整平架定位系统及其定位方法。

背景技术：

目前，国内越来越多的跨河、跨海通道都采用沉管法修建，其突出优点是埋深浅、截面大，较短的路隧过渡段就可承担大流量的交通，是城市中心区域最适宜的跨河、跨海通道。基础整平是沉管法修建隧道中至关重要的一个工序，通常采用具有升降支腿的大型平台式整平船进行整平作业，其定位均采用两个以上的gps。但这种平台式整平船造价高昂，操作复杂，制作周期长，一般均为专用工程定制，通用性较差，而且插拔桩存在较高风险，遇到台风撤离程序也较复杂。目前国内已有沉管隧道工程试验采用水下整平架进行基础整平施工，gps只能在水面以上定位，无法对水下整平架进行定位。

技术实现要素：

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种能够精确定位的水下整平架定位系统及其定位方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种水下整平架定位系统，包括位于水下的整平架，还包括测量船、定位信标系统、基阵信标系统和基阵信标校准系统；所述定位信标系统包括若干个设置在所述整平架上的定位信标；所述基阵信标系统包括若干个设置在整平区域四周的基阵信标；所述基阵信标校准系统，包括用于定位的gps，用于测量所述测量船艏向的罗经，用于测量所述测量船运动姿态的姿态传感器，以及用于测量与所述基阵信标和所述定位信标之间距离的声学收发器，所述gps、所述罗经、所述姿态传感器和所述声学收发器均固定在所述测量船上；所述测量船在基阵信标校准时位于基阵信标上方，所述测量船在整平架定位时位于所述整平架上方。

进一步地，所述定位信标设有四个，分别安装在所述整平架的四个角点上。

进一步地，所述基阵信标布设成长方形阵列。

进一步地，所述长方形阵列的长边侧设置三个所述基阵信标，所述长方形阵列的短边侧设置两个所述基阵信标。

进一步地，其中所述声学收发器安装在所述测量船的舷侧，其入水深度超过船底。

进一步地，还包括数据处理系统，所述数据处理系统接收来自所述gps、所述罗经、所述姿态传感器和所述声学收发器的信号并处理。

本发明还提供一种利用上述水下整平架定位系统的水下整平架定位方法，该方法包括如下步骤：

步骤一，在整平区域四周布设长方形的基阵信标；

步骤二，在测量船上安装固定gps、罗经、姿态传感器和声学收发器；

步骤三，用gps测量其本体的地理坐标，用罗经测量测量船艏向；用姿态传感器测量测量船运动姿态；测量gps和声学收发器的三维偏移量；

步骤四，使测量船位于其中一个基阵信标上方，进行基阵信标的校准，计算各个基阵信标相对大地坐标系的位置坐标；

步骤五，在整平架本体上安装固定定位信标；

步骤六，将整平架放置在水下工程初始区域；

步骤七，使测量船位于整平架上方，用声学收发器测量基阵信标和定位信标之间距离r；

步骤八，根据基阵信标位置和距离r，计算各个定位信标位置，从而确定整平架的位置；

步骤九，移动整平架和测量船，重复步骤六至步骤八直至整平工程结束。

进一步地，所述步骤四的具体方法为，首先根据步骤三测量的数据，计算声学收发器三维坐标位置；再使用声学收发器测量其与各个基阵信标的距离；然后构建以声学收发器三维坐标、各个基阵信标三维坐标以及声学收发器与各个基阵信标间距离为参数的数学模型，求得各个基阵信标三维坐标。

进一步地，计算声学收发器的三维坐标位置的计算公式为式1至式3：

xt＝xg+dx*sinh*cosp(式1)

yt＝yg+dy*cosh*cosk(式2)

zt＝zg+dz*cosk*cosp(式3)

其中，式1至式3中：

xt，为声学收发器的x向坐标；

yt，为声学收发器的y向坐标；

zt，为声学收发器的z向坐标；

xg，为gps的x向坐标；

yg，为gps的y向坐标；

zg，为gps的z向坐标；

h，为测量船的艏向；

k，为测量船的横摇角；

p，为测量船的纵摇角；

dx，为声学收发器和gps间x向偏移量；

dy，为声学收发器和gps间y向偏移量；

dz，为声学收发器和gps间z向偏移量。

进一步地，所述数学模型按照间接平差的原理，其构建步骤为：

步骤a-1,首先构建声学收发器至某基阵信标之间的距离函数：

l＝f(x)+δl(式4)

步骤a-2,对距离函数进行线性化得到如下公式：

步骤a-3,求得误差方程为：

步骤a-4,测量船沿此基阵信标做圆周运行，每次测量都可以得到声学收发器和此基阵信标之间的距离，设共有n条测量距离，则可构建如下矩阵：

l＝bxs(式7)

则有：

xs＝(b^tb)^-1b^tl(式8)

其中：

δli＝δli+li-f(x)i⁰，(式10)

则得到基阵信标的坐标为：

其中式4至式14中，

xs，为声学收发器与基阵信标之间的距离改正数函数；

b，为待求系数；

l，为声学收发器至基阵信标之间斜距离的测量值；

l，为声学收发器至基阵信标之间斜距离真值；

δl，为声学收发器至基阵信标之间斜距离真值的测量误差；

f(x)，为声学收发器至基阵信标之间的距离函数；

li，为声学收发器至基阵信标之间第i次测量的斜距离的测量值,i＝1,n；

δli，为声学收发器至基阵信标之间第i次测量的斜距离真值的测量误差,i＝1,n；

f(x)⁰i，为声学收发器至基阵信标之间第i次测量的距离函数,i＝1,n；

为声学收发器至基阵信标之间坐标的改正数；

为声学收发器至基阵信标之间坐标的改正数；

为声学收发器至基阵信标之间坐标的改正数；

xi，为第i次测量时声学收发器的x向坐标,i＝1,n；

yi，为第i次测量时声学收发器的y向坐标,i＝1,n；

zi，为第i次测量时声学收发器的z向坐标,i＝1,n；

x，为基阵信标坐标的x向坐标的真值；

y，为基阵信标坐标的y向坐标的真值；

z，为基阵信标坐标的z向坐标的真值；

x0，为基阵信标坐标的x向坐标的近似值；

y0，为基阵信标坐标的y向坐标的近似值；

z0，为基阵信标坐标的z向坐标的近似值。

本发明具有的优点和积极效果是：通过船载的基阵信标校准系统，将绝对位置传递给每个基阵信标，基阵信标通过相互之间的声学测距和平差处理，得到高精度的相对位置；装在整平架上的定位信标，通过与基阵信标之间的声学测距，交会得到整平架的位置，并实现相邻两幅基础条带之间的精准搭接。从而实现整平架在水下的绝对定位和比较高精度的相对定位，使得整平后基础条带之间的拼接更加精准，提高了整平作业的效率。

附图说明

图1是本发明的工作原理示意图；

图2是本发明中的定位信标系统和基阵信标系统的信标布局示意图。

图中：101、第一基阵信标；102、第二基阵信标；103、第三基阵信标；104、第四基阵信标；105、第五基阵信标；106、第六基阵信标；200、整平架；201、第一定位信标；202、第二定位信标；203、第三定位信标；204、第四定位信标。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1至图2，一种水下整平架定位系统，包括位于水下的整平架200，还包括测量船、定位信标系统、基阵信标系统和基阵信标校准系统；所述定位信标系统包括若干个设置在所述整平架200上的定位信标；所述基阵信标系统包括若干个设置在整平区域四周的基阵信标；所述基阵信标校准系统，包括用于定位的gps，用于测量所述测量船艏向的罗经，用于测量所述测量船运动姿态的姿态传感器，以及用于测量与所述基阵信标和所述定位信标之间距离的声学收发器，所述gps、所述罗经、所述姿态传感器和所述声学收发器均固定在所述测量船上；所述测量船在基阵信标校准时位于基阵信标上方，所述测量船在整平架200定位时位于所述整平架200上方。所述声学收发器是指发送和接收水下声学信号的换能器，比如sonardynefusion系列的dunker6声学收发器等。

进一步地，为便于安装和定位，所述定位信标可设有四个，包括第一定位信标201、第二定位信标202、第三定位信标203以及第四定位信标204，四个所述定位信标可分别对应安装在所述整平架200的四个角点上。即第一定位信标201可位于四个角点的第一个角点上；第二定位信标202可位于四个角点的第二个角点上；第三定位信标203可位于四个角点的第三个角点上；第四定位信标204可位于四个角点的第四个角点上。

进一步地，为便于校准计算定位信标相对基阵信标的位置，所述基阵信标可布设成长方形阵列。进一步地，为便于安装和计算，所述长方形阵列的长边侧可设置三个所述基阵信标，所述长方形阵列的短边侧可设置两个所述基阵信标。如图2所示，可包括第一基阵信标101、第二基阵信标102、第三基阵信标103、第四基阵信标104、第五基阵信标105以及第六基阵信标106；这六个基阵信标排列成长方形，长边可设置三个基阵信标，短边侧可设置两个基阵信标。为沉管是长方形，这样布置可以覆盖整个沉管范围，且便于安装在深挖的基槽中。

进一步地，为便于安装和匹配所述整平架200，所述基阵信标的间距可为40-50m。

进一步地，为提高测量精度以及****，所述基阵信标距水底的高度可为2-2.5m。

进一步地，为减少声波多路径反射干扰，其中所述声学收发器可安装在所述测量船的舷侧，其入水深度可超过船底，即所述声学收发器位于船底的下方。

进一步地，还可包括安装架，所述安装架固定在所述测量船上，所述gps、所述罗经、所述姿态传感器和声学收发器可分别固定安装在所述安装架上。

进一步地，还可包括如计算机等数据处理系统，所述数据处理系统可接收来自所述gps、所述罗经、所述姿态传感器和所述声学收发器的信号并处理。数据处理系统可以是计算机，也可以是以微处理器cpu为核心，相应配置存贮器、无线信号收发器等模块，组成能够进行数据处理运算的数据处理系统。

进一步地，还可包括显示器，所述显示器可接收来自所述数据处理系统的信号并显示。

本发明还提供一种利用上述水下整平架定位系统的水下整平架定位方法实施例，该实施例包括如下步骤：

步骤一，在整平区域四周布设长方形的基阵信标；

步骤二，在测量船上安装固定gps、罗经、姿态传感器和声学收发器；可采用安装架，将gps、罗经、姿态传感器和声学收发器固定在安装架上，再将安装架固定在测量船上；

步骤三，用gps测量其本体的地理坐标，用罗经测量测量船艏向；用姿态传感器测量测量船运动姿态，包括测量测量船的横摇角和纵摇角等；测量gps和声学收发器的三维偏移量；可用尺子，或其他测量装置，来测量gps中心点至声学收发器的中心点三维偏移量。如果有安装架，则通过安装架两个安装点的三维投影求得；也可以用全站仪，直接观测gps中心和声学收发器中心的三维坐标，这样就可以得到两个设备的三维相对关系，即三维偏移量。

步骤四，使测量船位于其中一个基阵信标上方，进行基阵信标的校准，计算各个基阵信标相对大地坐标系的位置坐标；

步骤五，在整平架本体上安装固定定位信标；

步骤六，将整平架放置在水下工程初始区域；

步骤七，使测量船位于整平架上方，用声学收发器测量基阵信标和定位信标之间距离r；

步骤八，根据基阵信标位置和距离r，计算各个定位信标位置，从而确定整平架的位置；

步骤九，移动整平架和测量船，重复步骤六至步骤八直至整平工程结束。

进一步地，所述步骤四的具体方法可为，首先根据步骤三测量的数据，计算声学收发器三维坐标位置；再使用声学收发器测量其与各个基阵信标的距离；然后构建以声学收发器三维坐标、各个基阵信标三维坐标以及声学收发器与各个基阵信标间距离为参数的数学模型，求得各个基阵信标三维坐标。

进一步地，计算声学收发器的三维坐标位置的计算公式可为式1至式3：

xt＝xg+dx*sinh*cosp(式1)

yt＝yg+dy*cosh*cosk(式2)

zt＝zg+dz*cosk*cosp(式3)

其中，式1至式3中：

xt，为声学收发器的x向坐标；

yt，为声学收发器的y向坐标；

zt，为声学收发器的z向坐标；

xg，为gps的x向坐标；

yg，为gps的y向坐标；

zg，为gps的z向坐标；

h，为测量船的艏向；

k，为测量船的横摇角；

p，为测量船的纵摇角；

dx，为声学收发器和gps间x向偏移量；

dy，为声学收发器和gps间y向偏移量；

dz，为声学收发器和gps间z向偏移量。

进一步地，所述数学模型可按照间接平差的原理，其构建步骤可为：

步骤a-1,首先构建声学收发器至某基阵信标之间的距离函数：

l＝f(x)+δl(式4)

步骤a-2,对距离函数进行线性化得到如下公式：

步骤a-3,求得误差方程为：

步骤a-4,测量船沿此基阵信标做圆周运行，每次测量都可以得到声学收发器和此基阵信标之间的距离，设共有n条测量距离，则可构建如下矩阵：

l＝bxs(式7)

则有：

xs＝(b^tb)^-1b^tl(式8)

其中：

δli＝δli+li-f(x)i⁰，(式10)

则得到基阵信标的坐标为：

其中式4至式14中，

xs，为声学收发器与基阵信标之间的距离改正数函数；

b，为待求系数；

l，为声学收发器至基阵信标之间斜距离的测量值；

l，为声学收发器至基阵信标之间斜距离真值；

δl，为声学收发器至基阵信标之间斜距离真值的测量误差；

f(x)，为声学收发器至基阵信标之间的距离函数；

li，为声学收发器至基阵信标之间第i次测量的斜距离的测量值,i＝1,n；

δli，为声学收发器至基阵信标之间第i次测量的斜距离真值的测量误差,i＝1,n；

f(x)⁰i，为声学收发器至基阵信标之间第i次测量的距离函数,i＝1,n；

为声学收发器至基阵信标之间坐标的改正数；

为声学收发器至基阵信标之间坐标的改正数；

为声学收发器至基阵信标之间坐标的改正数；

xi，为第i次测量时声学收发器的x向坐标,i＝1,n；

yi，为第i次测量时声学收发器的y向坐标,i＝1,n；

zi，为第i次测量时声学收发器的z向坐标,i＝1,n；

x，为基阵信标坐标的x向坐标的真值；

y，为基阵信标坐标的y向坐标的真值；

z，为基阵信标坐标的z向坐标的真值；

x0，为基阵信标坐标的x向坐标的近似值；

y0，为基阵信标坐标的y向坐标的近似值；

z0，为基阵信标坐标的z向坐标的近似值。

本发明的工作原理：

定位信标和基阵信标均可采用英国sonardyne公司制造的compatt6g型号的信标。声学收发器可发送命令给定位信标，要求定位信标进行测距。定位信标发射声学信号至基阵信标，并记录发射时刻t1，基阵信标接收到声学信号后随即返回一个声学信号给定位信标，定位信标记录接收到返回声学信号的时刻t2，则定位信标和基阵信标的距离s＝v*(t2-t1)/2，v为水下的声速，即距离等于速度乘以时间。定位信标将得到的距离信号发送给声学收发器，上述所有信号传输均采用无线传输方式。

(1)基阵信标位置的计算

设gps测量的地理坐标为(xg，yg，zg)，罗经得到的艏向为h，姿态传感器得到的横摇角为k，纵摇角为p，船载声学收发器的地理坐标为(x,y,z)，声学收发器和gps间的三维偏移量为(dx，dy，dz)，则声学收发器的坐标为：

x＝xg+dx*sinh*cosp(式1)

y＝yg+dy*cosh*cosk(式2)

z＝zg+dz*cosk*cosp(式3)

声学收发器的地理坐标为(x,y,z)，设待测定的海底基阵信标的坐标为(x0，y0，z0)，两者之间的斜距离真值为l，测量误差为δl，f(x)为声学收发器至基阵信标之间的距离函数，l表达为：

l＝f(x)+δl(式4)

对上式线性化得：

则误差方程为：

由n条测量距离构建如下矩阵形式：

l＝bxs(式7)

则有：

xs＝(b^tb)^-1b^tl(式8)

其中：

δli＝δli+li-f(x)i⁰，(式10)

则可得到基阵信标的坐标为：

采用上述计算方法，以此类推，这样就可得到全部海底基阵信标的坐标。

按照该方法就可以以此计算出六个基阵信标的位置坐标。比如第一基阵信标101的坐标为(x101，y101，z101)，第二基阵信标102为(x102，y102，z102)，第三基阵信标103为(x103，y103，z103)，第四基阵信标104为(x104，y104，z104)，第五基阵信标105为(x105，y105，z105)，第六基阵信标106为(x106，y106，z106)

(2)定位信标位置的计算

以第一定位信标201位置计算为例进行说明。设第一定位信标201位置坐标为(x201，y201，z201)，第一基阵信标101的坐标为(x101，y101，z101)，第二基阵信标102为(x102，y102，z102)，第三基阵信标103为(x103，y103，z103)，第四基阵信标104为(x104，y104，z104)，第五基阵信标105为(x105，y105，z105)，第六基阵信标106为(x106，y106，z106)。

定位信标发出声学信号，被基阵信标感知，基阵信标感知声学信号后通过无线方式向声学收发器等数据处理装置发送感知信号，计算机等数据处理系统根据基阵信标的信号，进行计算得定位信标与基阵信标的实测距离r101的相关参数。

比如：第一定位信标201发出声学信号，被第一基阵信标101感知，第一基阵信标101感知声学信号后通过无线方式向声学收发器等数据处理装置发送感知信号，计算机等数据处理系统根据第一基阵信标101的信号，进行计算得第一定位信标201与第一基阵信标101的实测距离r101的相关参数。

同理：可得到第一定位信标201与第二基阵信标102的实测距离为r102，第一定位信标201与第三基阵信标103的为r103，第一定位信标201与第四基阵信标104的的实测距离为r104，第一定位信标201与第五基阵信标105的的实测距离为r105，第一定位信标201与第六基阵信标106的的实测距离为r106，

则有：

通过解上述方程，根据测量平差理论，就可以得到第一定位信标201的位置坐标，同理依次得到第二定位信标202、第三定位信标203以及第四定位信标204的坐标，可计算得到：第一定位信标201位置坐标为(x201，y201，z201)，第二定位信标202位置坐标为(x202，y202，z202)，第三定位信标203位置坐标为(x203，y203，z203)，第四定位信标204位置坐标为(x204，y204，z204)，这样整平架200的位置就可以得到。

整平架200定位到沉管隧道整平设计施工区域后，随即开始本幅区域的基础整平作业，整平结束后，整平架200和测量船移动到下一幅区域，基阵信标系统布放在水底，其位置不会发生变动，因此可以精确得到整平架200在两幅区域的相对位置关系，确保碎石沟垄的精准搭接。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。