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超短基線定位系統(tǒng)在沉管測控中的應(yīng)用隨著水上交通的發(fā)展單一的沉管定位方法已經(jīng)很難滿足施工的需求隨著沉管的施工環(huán)境向遠(yuǎn)岸、深水發(fā)展將多種定位方法進(jìn)行組合,集合成綜合定位系統(tǒng)已成為現(xiàn)代沉管隧道沉放定位技術(shù)的主流。其中將水聲定位技術(shù)與廣域差分GPS定位技術(shù)相結(jié)合可獲取沉管的大地坐標(biāo),且受環(huán)境因素影響較小,無需安裝測量塔,已成為解決深水沉管隧道管節(jié)沉放的有效途徑。 提出將沉管沉放定位分為兩個(gè)階段:粗測階段及精測階段。在粗測階段將超短基線(USBL) 聲學(xué)定位系統(tǒng)與 GPS 組合,對下沉階段的管節(jié)位 姿進(jìn)行實(shí)時(shí)測量,引導(dǎo)待沉管節(jié)沉放至預(yù)定位置,省去測量塔的安裝,提高施工深度,在精測階段,由精測定位系統(tǒng)(如超聲波定,機(jī)械定位) 完成沉管最終對接,本文重點(diǎn)圍繞粗測階段,詳細(xì)給出基于水聲定位系統(tǒng)和GPS定位系統(tǒng)的沉管定位方案。 1 沉管定位方案 1. 1 方案布置 針對待沉管道下沉施工階段,提出基于超短基線定位系統(tǒng)對待沉管節(jié)姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)測控。安裝在施工平臺(tái)(如駁船)舷側(cè)的超短基線系統(tǒng)以聲波作為載體,對固定在待沉管節(jié)表面的應(yīng)答器進(jìn)行定位,駁船上安裝有 GPS 天線以及姿態(tài)傳感器,用于將超短基線坐標(biāo)系下的定位信息,轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)中,因此,需要建立3個(gè)坐標(biāo)系: 以GPS天線為原點(diǎn)的大地坐標(biāo)系、以駁船重心為原點(diǎn)的船心坐標(biāo)系和以超短基線基陣中心為原點(diǎn)的,基陣坐標(biāo)系,通過姿態(tài)傳感器測量的船姿態(tài)信息及GPS天線的大地坐標(biāo),根據(jù)歐拉旋轉(zhuǎn)矩陣對3個(gè)坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換,最終可獲取待沉沉管在大地坐標(biāo)系中的位姿信息,見圖 1 圖 1 基于USBL定位系統(tǒng)的沉管定位方案 從管節(jié)下沉開始,位于沉管上表面的應(yīng)答器便不間斷地發(fā)射預(yù)置脈沖信號(hào),基陣持續(xù)接收脈沖信號(hào),超短基線系統(tǒng)根據(jù)基陣陣元間的相位差解算出應(yīng)答器在基陣坐標(biāo)系中的位置,并通過位姿解算方法獲得沉管的位姿信息,然后 通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲取沉管在大地坐標(biāo)系中的絕對位姿信息,最終,顯示器實(shí)時(shí)顯示沉管在大地坐標(biāo)系中的三維位姿,對現(xiàn)場施工進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。 1. 2 位姿解算 已知應(yīng)答器安裝在待沉管節(jié)上,且待沉管節(jié)上的應(yīng)答器在一個(gè)平面上,即可根據(jù)三點(diǎn)共面條件,通過求解應(yīng)答器坐標(biāo)獲取待沉管節(jié)平面上的3個(gè)點(diǎn),繼而求出待沉管節(jié)平面在基陣坐標(biāo)系中的姿態(tài)信息。 設(shè)待沉管節(jié)平面的平面方程為 式中 A、B、C 為未知參數(shù),至少需要3個(gè)不共線的坐標(biāo),可解出A、B、C之后可通過平面的法線式方程得到待沉管節(jié)平面在基陣坐標(biāo)系中的法向矢量,即待沉管節(jié)平面的方向余弦向量。 設(shè)USBL基陣所在的平面為 XOY則基陣平面的法向量就可表示為 則從管節(jié) 平面法向量到 USBL基陣平面法向量的旋轉(zhuǎn)矩陣可表示為 設(shè)從USBL平面到待沉管節(jié)平面的繞基陣坐 標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的歐拉角為 θx、θy、θz則 R 是關(guān)于 θx、 θy、θz 的旋轉(zhuǎn)矩陣,根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣R即可以求出待沉管節(jié)平面的姿態(tài)角度 。 1. 3 多址定位技術(shù) 由位姿解算方法可知,對沉管定位過程中需要對多個(gè)應(yīng)答器(≥3)進(jìn)行定位,因此涉及水下多址定位技術(shù),即每個(gè)應(yīng)答器通過發(fā)射不同形式的脈沖信號(hào),超短基線系統(tǒng)根據(jù)接收到的脈沖信號(hào)來分辨不同的應(yīng)答器,并確定每個(gè)應(yīng)答器在基陣坐標(biāo)系下的坐標(biāo),由于自身具有調(diào)節(jié)參數(shù)的能力以及對信號(hào)和噪聲的先驗(yàn)知識(shí)要求少,且在高信噪比下,Notch濾波器有著良好的相位差估計(jì) 能力,可以作為超短基線系統(tǒng)多址信號(hào)檢測器及相位差估計(jì)器。 首先根據(jù)應(yīng)答器的個(gè)數(shù)來設(shè)計(jì)可用帶寬,Notch的每路參考信號(hào)的頻率分別對應(yīng)應(yīng)答器的中心頻率,假設(shè)需要安裝3個(gè)應(yīng)答器,則其對應(yīng)的3路并聯(lián)Notch濾波器的結(jié)構(gòu)圖見圖2。 對每一個(gè)應(yīng)答器X(t)為基陣接收的信號(hào) 式中:n(t)為背景噪聲 圖2 3路并聯(lián)的Notch濾波器 ri(t)為兩路正交的參考信號(hào),y( t)為參考信 號(hào)正交信號(hào)的內(nèi)積,ε(t)為接收信號(hào)與參考信號(hào)內(nèi)積的誤差。對參考信號(hào)的頻率已知,分別對應(yīng)單個(gè)應(yīng)答器發(fā)射信號(hào)的中心頻率。 式中:A 為參考信號(hào)的幅值下標(biāo) i 代表應(yīng)答器的 身份編號(hào)i = 1、2、3 基陣接收的每一路信號(hào)都要通過3路并聯(lián)的Notch濾波器,選擇合適的自適應(yīng)算法,通過濾波器的輸出結(jié)果就可以檢測出發(fā)送該信號(hào)所對應(yīng)的 應(yīng)答器,然后通過相位差估計(jì)器解算出該信號(hào)在基陣相鄰陣元間的相位差。 式中:下標(biāo) i 代表應(yīng)答器的身份m、n代表基陣中相鄰的陣元 2 仿真計(jì)算 通過仿真計(jì)算來驗(yàn)證USBL對應(yīng)答器進(jìn)行定位解算待沉管節(jié)平面位姿的有效性,仿真中USBL定位系統(tǒng)測時(shí)誤差取值為0. 1 ms定位精度誤差取值為0. 1% 斜距待沉管節(jié)上安裝有3個(gè)不共線的應(yīng)答器,組成一個(gè)直角三角形,管節(jié)平面相對于USBL基陣坐標(biāo)的歐拉旋轉(zhuǎn)角度設(shè)置為θx = 5°,θy = 10°,θz = 15°。 通過上述位姿解算方法,求解出待沉管節(jié)平面相對于USBL基陣的歐拉角:θx= 4.95°,θy = 10.04°,其中繞,Z軸的歐拉角出現(xiàn)無解狀態(tài),這是由于方向余弦矩陣有 9 個(gè)分量,實(shí)際只有3個(gè)自由度,假設(shè)歐拉角為未知量,通過法向量直接求解方向余弦矩陣,則使得矩陣為非滿秩陣,從而出現(xiàn)繞Z軸歐拉角度無解的狀態(tài),為此,配合應(yīng)答器初始位置并通過已解算出來的 θx、θy 值再解算繞Z軸的歐拉角,最終得到管節(jié)平面繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)的歐拉角,仿真求解的歐拉角均值:θx =5. 001 4°,θy = 10. 038°,θz = 15. 78°,計(jì)算誤差:Δθx = 0. 01°, Δθy = 0. 02°,Δθz = 0. 03°,見圖 3 圖 3 管節(jié)平面位姿角度仿真計(jì)算結(jié)果(基陣坐標(biāo)系) 2. 1 姿態(tài)角估計(jì)精度 管節(jié)姿態(tài)角估計(jì)精度與超短基線定位精度有直接關(guān)系,因此仿真驗(yàn)算了定位精度和姿態(tài)角估 計(jì)精度之間的關(guān)系,仿真步驟:沉管在大地坐標(biāo)系下的歐拉角精確值為[5° 10° 15°],改變超短 基線定位系統(tǒng)的定位精度,求姿態(tài)角的誤差,以繞 X 軸姿態(tài)角誤差為例ꎬ結(jié)果見表1 表 1 USBL 定位精度與繞 X 軸歐拉角的關(guān)系 表 1 中 R 為基陣坐標(biāo)系原點(diǎn)到局部坐標(biāo)系 原點(diǎn)的斜距, 由表 1 可見,超短基線定位精度由 0. 050R 增加到 0. 001R 時(shí),回收平臺(tái)姿態(tài)角度誤 差也就越來越小,在水文環(huán)境較好的背景下,基 于Notch濾波器的超短基線定位系統(tǒng)的精度高于0. 010R時(shí),此時(shí)姿態(tài)角誤差達(dá)到了 0. 010°,可以 滿足工程需要2. 2 沉管表面 2. 2 沉管表面應(yīng)答器個(gè)數(shù) 理論上 3 個(gè)應(yīng)答器即可決定沉管的定位面,且應(yīng)答器個(gè)數(shù)越多,冗余信息量增加,參數(shù)估計(jì)的 精度有相應(yīng)提高,但應(yīng)答器個(gè)數(shù)太多,會(huì)增加成本和計(jì)算復(fù)雜度,為了研究應(yīng)答器個(gè)數(shù)和姿態(tài)角估計(jì)精度之間的關(guān)系,進(jìn)行了如下仿真計(jì)算:改變 應(yīng)答器的個(gè)數(shù),對每個(gè)應(yīng)答器的位置進(jìn)行解算,每增加一個(gè)應(yīng)答器,就利用新的冗余信息對前一 次計(jì)算的歐拉角進(jìn)行修正,求解管節(jié)平面的姿態(tài) 角(以繞 X 軸歐拉角為例)見圖 4 圖 4 管節(jié)平面安裝應(yīng)答器個(gè)數(shù)與姿態(tài)角度 (繞 X 軸)誤差的關(guān)系 圖 4 表明當(dāng)應(yīng)答器個(gè)數(shù)從3增至 1000個(gè)姿態(tài)角估計(jì)精度也逐漸提高,但精度的提高僅在,極小的量級(jí),最高不超過 0.020°,不符合工程實(shí),際,并且由仿真可知,當(dāng)定位精度高于0.010R 時(shí),安裝,3個(gè)應(yīng)答器的角度估計(jì)誤差便小于 0.010°. 表 2 應(yīng)答器構(gòu)成形狀與姿態(tài)角估計(jì)的關(guān)系 (°) 由表 2 可見應(yīng)答器的布放形式對姿態(tài)估計(jì)精度沒有影響,這一結(jié)論使得應(yīng)答器在沉管上的安裝變得更為方便,可以根據(jù)施工要求靈活選取,避開高噪聲區(qū),同時(shí),可將應(yīng)答器安裝在USBL定位精度較高的基陣正下方,有助于提高位姿算法的精度。 3 結(jié)論 相比于單一的傳統(tǒng)沉管下沉測控方法,本文 提出基于USBL定位系統(tǒng)的管節(jié)沉放測控方案,在管節(jié)下沉階段可輔助待沉管節(jié)較為精確地布放到待沉區(qū)域(粗測階段),而后結(jié)合高精度相對法完成最終的對接定位過程(精測階段),該方案的優(yōu)勢如下。 1)滿足遠(yuǎn)岸、深水的沉管施工要求,超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)不依靠岸基上的輔助設(shè)施,擺脫 了離岸距離的限制,同時(shí),與傳統(tǒng)定位方法相比,在深水區(qū)依然滿足施工精度,與GPS系統(tǒng)結(jié)合后,可以實(shí)時(shí)顯示沉管在大地坐標(biāo)中的三維姿態(tài)參數(shù),可有效輔助遠(yuǎn)岸、深水環(huán)境下的沉管水下沉放施工。 2)設(shè)備成本低,安裝方便,作業(yè)安全性高,超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)體積小、成本低廉,作業(yè) 前只需要在沉管上表面按需求安裝3個(gè)應(yīng)答器,無需安裝測量塔,安裝過程在水面進(jìn)行,可減少施 工人員下水作業(yè)次數(shù),整個(gè)施工過程效率高、安全性高、操作復(fù)雜性低。 參考文獻(xiàn) [1] 王解先 許琛 陸彩萍. 沉管沉放的實(shí)時(shí)監(jiān)測[ J]. 測 繪學(xué)報(bào) 2002 31(增刊 1):70 ̄72. 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