水下測角測距三維定位技術

鎖旭宏，董理科，朱永帥

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

隨著科學技術的發展，施工技術水平的提高，海洋成為人類生存與發展的新空間，成為沿海各國經濟和社會可持續發展的重要保障，成為影響國家安全的重要因素。海洋中的構筑物越來越多，迫切需要研究水下定位技術，為水下大型構件的安裝提供精準定位[1]。

在海洋大型構件安裝過程中，因為海底沒有參考對象，無法使用相對定位方法。本文使用安裝載體上的GNSS設備，將絕對位置通過測距測角手段傳遞到水下，解決了這一問題。

1 設計原理

1.1 定位原理

安裝海洋大型構件時，安裝載體上有精確定位的GNSS設備，有拉線設備與水下安裝構件連接，將GNSS設備、拉線設備及大型構件事先在統一的船體坐標系進行標定，建立起它們之間的幾何關系[2]。在安裝期間，GNSS設備實時獲取天線相位中心絕對位置，拉線設備鋼絲與大型構件相連接，實時測定距離和角度，同時計算出水下大型構件的絕對位置。通過開發相對應的軟件，在計算機界面上實時顯示大型構件水下的三維姿態，工作人員可根據界面顯示數據調整水下構件至設計位置[3]。實時水下三維定位原理示意圖如圖1所示。

1.2 計算原理

三維定位系統中心位置o（x0，y0，z0），由船體GNSS確定。

圖1 水下三維定位原理圖Fig.1 Principle diagram of underwater 3D positioning

拉線空間姿態：引導拉線的擺臂分別與水平測角傳感器和垂直測角傳感器連接，測定擺臂空間姿態，水平方向角b和垂直角a。計算原理示意圖見圖2。

圖2 計算原理圖Fig.2 Calculation principle diagram

拉線長度：擺臂旋轉中心至待測點（X，Y，Z）的拉線長度L由測距傳感器（絕對多圈編碼器）測定，則有：

傾斜修正：精密雙軸傾斜儀測定水下測角測距三維定位系統縱向傾斜角度P和橫向傾斜角度R，并及時修正待測點的三維坐標。

2 定位方法與過程

利用水下測角測距三維定位系統進行水下定位的方法與過程：

1）測量前，利用定位定向GNSS測定水下測角測距三維定位系統自身的三維坐標，然后確定擺臂旋轉中心位置。

2）電機速度調至低速狀態，將拉線連接到待測物體的測點裝置。

3）待測點到達預設位置，調高電機轉速，增加拉線的拉力，使拉線處于拉緊狀態。

4）測距角度傳感器，水平電子角度傳感器，垂直電子角度傳感器以及傾斜儀等測量單元開始采集數據，分別測定拉線長度、水平方向角、垂直角和水下測角測距三維定位系統的兩維傾斜角度，經過數據傳輸控制器實時采集數據并處理，算出被測點的三維坐標。

5）根據傾斜儀測定水下測角測距三維定位系統的兩維傾斜角度，并即時修正定位待測點的三維坐標[4]。

3 定位精度分析

3.1 設備精度及對定位影響

1）傾斜儀：傾斜儀最小分辨率為0.001°，精度為0.01°。在標準測程30 m時，傾斜儀誤差引起的平面定位誤差為：

對高程的影響精度相同。

2）電子角度傳感器：電子角度傳感器精度指標為0.01°。在標準測程30 m時，電子角度傳感器誤差引起的平面定位誤差為：

對高程的影響精度相同。

3）拉線長度誤差：拉線長度誤差由高分辨率多圈編碼器測定誤差、制作誤差和拉伸變形誤差引起。根據設備選型和經驗，這項誤差可以控制在0.01 m以內。

對高程的影響與測線的傾角有關，最大影響與平面相當[5]。

4）設備綜合影響：以上各項設備誤差綜合影響，在標準測程30 m時，對平面和高程大致相當，均不超過0.02 m。

3.2 標定精度及對定位影響

標定誤差可以分為生產地的產品質量檢測標定和安裝使用時的實地標定。

檢驗設備的制作質量的標定可以在生產地理想條件下進行，其標定誤差可以小于傳感器設備本身的誤差，此項誤差僅用于對設備制作的質量評價。該項誤差也不是影響定位系統的最終使用精度。因此不做詳細討論。

定位系統在使用時的實地標定，由于受實地條件的限制，標定誤差較難控制，也較難給出理論分析。根據經驗，此項誤差在標準測程30 m時，可以控制在0.05 m以內。

3.3 使用條件及對定位影響

三維定位系統可以用于多種場合，使用條件差別加大，因此使用條件對系統的最終精度影響也各不相同。

但對大部分水下施工條件來說，此項誤差的主要影響是水流對拉線的沖擊力導致拉線彎曲和測線長度的計量。其中拉線彎曲導致水平方向的轉角產生誤差，拉線長度影響沿拉線徑向方向的精度。如拉線垂直時拉線長度主要影響高程，拉線接近水平時主要影響水平位置。

若要減少水流對拉線的影響，主要方法是增大對拉線的拉力。但拉力過大會使得拉線拉伸變形，因此，需要在這幾個因素中找到平衡。

根據海上鋪排使用的經驗，經過一些調整，可以使得此項誤差控制在0.1 m以內。

設備與測點的相對運動速度也是此項誤差的內容，相對運動速度較大時，可導致設備間的數據不同步被反映到最終的相對定位結果中。系統各部件的摩擦力和慣性延遲，也在這種較大的相對運動速度情況下體現出來，影響定位結果。這些誤差的大小隨著相對運動速度提高而增加，并且很難對每臺儀器進行正確的標定或評價。因此，應避免在相對運動速度較大的情況下使用此設備。

3.4 絕對位置定位與定向對定位影響

三維定位系統是采用2臺GNSS RTK進行定位和定向。其中GNSS RTK定位誤差一般情況下為：平面0.02 m，高程0.03 m。

3.5 綜合影響

根據以上分析，水下測角測距三維定位系統定位綜合精度主要來源于設備、標定、使用條件、絕對位置誤差，主要誤差來源于標定和使用條件，誤差統計表[6-7]見表1。

表1 綜合誤差統計表Table 1 Comprehensive error statistics table

4 陸上精度測試

在陸地上模擬測試環境，對系統進行標定，參數錄入系統。在統一的坐標系下，對不同的4個比對點同步使用全站儀和三維定位系統獲取定位數據做差值比對。全站儀陸上測量三維數據誤差很小，可以忽略，認為是正確數據。三維定位系統測量成果與全站儀測量成果差值[8]見表2。

表2 陸上差值比對表Table 2 Land difference comparison table

從表中可以看出，水下測角測距三維定位系統測量各點的偏差較少，測點值穩定；水下測角測距三維定位系統和全站儀比測結果最大較差值ΔX為28 mm，ΔY為-25 mm，ΔZ為32 mm。比測結果較好。

5 水上浮態條件精度測試

5.1 安裝

在船上設置的鋼便橋端部區域安裝水下測角測距三維定位系統，使拉線儀監測和鋪排作業互不干擾。安裝示意圖見圖3。

圖3 安裝示意圖Fig.3 Installation diagram

5.2 入水前坐標比測

拉線儀的標定是在陸上進行的。為了檢查拉線儀實際使用時的精度，在船上，安裝定位儀完成后，使用了一臺GNSS RTK對通過定位儀測定的點的坐標進行檢測。

比測時處于漲潮階段，船體搖晃，位置坐標位置在20 cm范圍跳動，實測結果表明兩者的坐標差別分別是X方向差0.8 cm，Y方向差-9.8 cm。

5.3 同一點不移船多次實測

在船體浮態條件下進行實測，對同一點進行了多次測量。測試系統界面見圖4。

圖4 系統界面圖Fig.4 System interface diagram

數據采集采用計算機連續截屏的方式，對同一點實測數據統計。差值統計表見表3。

表3 水上差值比對表Table 3 Water difference comparison table

以上數據顯示，同一點不移動船舶，多次重復測量差值在-6～10 cm。

5.4 同一點移船實測

第1次實測完成后，測試沒有松開拉線輔繩繼續連接定位小環，隨著鋪排船體向后移動，對水下同一點進行2次測量。第1次測量在排體下水后10.70 m的位置，第2次測量時位于15.48 m。

船不同位置，對拉線同一個點的2次測量結果表明，船體已經移位將近5 m，實測較差ΔX=0.05 m，ΔY=-0.08 m，比對點的坐標變動絕對值＜10 cm。這說明，船移動時，拉線儀測定的水下點位坐標變動較小。

5.5 多次移船同點測試

為了測試水下測角測距三維定位系統的穩定性和精度，在2次移船中對同一定位小環進行了3次測量。

在3個船位位置共進行了12次測量，每個距離測量4個數據。多次移船進行同點比測統計。統計表見表4。

表4 多次移船精度統計表Table 4 Accuracy statistics table of multiple ship movements m

表4所示，ΔX最大絕對值為0.12 m，ΔY最大絕對值為0.21 m，同一組數據比較穩定，不同的船位數據略有偏差。在最遠17.06 m的平距時，拉線在水中約有12 m的長度，拉線在水中的不同長度，其測量精度和穩定性影響不大。從不同船位同一測點的結果看，水下測角測距三維定位系統性能總體比較穩定，且數據可靠[9]。

6 結語

本文介紹了水下測角測距定位技術，通過陸上和水上作業環境做了詳細的系統測試和精度比對，測試成果顯示：該系統精度可靠、性能穩定、方便快捷。同時開發了配套的可視化作業界面，實時顯示作業各項參數及狀態，給船上作業人員提供了便利條件，大大提高了工作效率，降低了施工成本，保障了施工精度。在水下三維定位作業中可以廣泛使用。

隨著科技的進步、現代化進程的加快，大型海上構件安裝逐漸向外海、深水方向發展，傳統的測量方式逐漸無法滿足施工要求，高精度定位技術指引水下作業將成為主流。高精度定位系統用于水下大型構件安裝將對我國的水運工程和大型海洋工程產生巨大的經濟效益和社會效益，同時對海洋測繪工程領域的技術跨越發展具有重要的指導意義。