水下工程中现代测量定位技术的运用

林永洲 董小文

摘 要：水下工程的开展离不开水下测量技术，而现代测量定位技术能够提升水下资源测量精确度。目前，随着经济技术的不断发展，现代测量定位技术已经逐渐运用于海洋资源等水下工程项目中。由此本文分析了现代测量定位技术运用现状，并对其中的GPS测量定位技术进行了较为详细的分析，对现代测量技术的发展趋势进行了探讨。

关键词：水下工程；现代测量定位技术；现代测量

中图分类号：P229 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）03-0121-03

The Application of Modern Surveying and Positioning Technology

in Underwater Engineering

LIN Yongzhou，DONG Xiaowen

（CCCC Third Harbor Engineering Co.，Ltd.，Xiamen Branch，Xiamen 361006，China）

Abstract：Underwater engineering can't develop without underwater measurement technology. Modern measurement and positioning technology can improve the accuracy of underwater resource measurement. At present，with the continuous development of economy and technology，modern measurement and positioning technology has gradually been applied to underwater projects such as marine resources. This article analyzes the current status of the modern measurement and positioning technology，and analyzes the GPS measurement and positioning technology in detail，and discusses the development trend of modern measurement technology.

Keywords：underwater engineering；modern surveying and positioning technology；modern measurement

0 引 言

隨着我国社会经济与科学技术的不断发展，现代测量定位技术在水利、电力和交通等诸多领域中，获得了广泛的推广，如：GPS测量定位技术等。本文以国投湄洲湾第二发电厂2×1000MW机组取、排水管道水下工程为例，对GPS测量定位技术进行了分析。

1 现有水下现代测量定位技术应用现状

1.1 超声波设备

在水下工程中，尤其是深水领域中，借助超声波设备，能够提升测量结果的精准度，实现对水中定点的有效测量。在实际应用过程中，将GPS与超音波设备安装好后，借助三艘作业船，利用相应的接收器来测出船体与物体间的距离。为了实现定点测量，可在此基础上调整好作业船的位置。但在实际的运用过程中，超声波设备因需借助作业船进行测量，因此容易受船体摇晃等因素的影响，导致测量精准度不是很高，需要借助GPS技术来弥补这一缺陷，以使测量定位的精准度得到提高。

1.2 NASNet声学系统与GPS测量技术

实际上，为了取代空中卫星，NASNet声学系统在水下搭建相应的基准站，是GPS方向的调转。其原理与GPS相同，都是以声波代替无线电波，主要借助声波进行定位。在水下工程中，传统方式是采用无线电波进行定位，在传输过程中，难以避免会受到影响与限制。而为了实现对信号的有效接受，采用声波技术是最好的选择。但是，在实际运用过程中，该技术需要采用多套堵路声学定位系统，才能弥补该技术的缺陷，实现其准确定位功能。并且该技术的系统间协调配合难度较大，成本投入也过大。另外，GPS定位可分为位置、伪距以及相位差三类。GPS测量技术借助基准站来实现该整数的发送，为了确保实现精准测量定位结果，相应用户站接收信息后会改正测量结果。在此过程中，定位的精准程度会受相应整数内容的影响。目前，在工程测绘勘察领域中，GPS测量技术被广泛运用，并且在水下工程中借助该技术，能够实现对控制点的测量与定位。但是对于用户端来说，却无法将信息传输到中控系统中，仅能满足系统信息发送之需，难以实现交互操作功能。

1.3 北斗导航系统与全站仪

在当前军事、航空以及民用领域中，北斗导航系统应用十分广泛，是卫星定位系统中的一种。而在水下工程的测量定位上，相信在将来也会运用到该系统。目前，全站仪在水下工程测量中已被广泛运用。在水下工程测量定位中，为了实现准确测量与定位，全站仪技术需借助数据线测量范围点对点间的三维坐标体系，借助其测量的工程范围标尺的搭建。在实际运用过程中，为了避免外界干扰因素的影响，全站仪可借助电子测速仪，以提升测量的精准度。为了实现相应测量结果的计算，需要配合使用计算机。该技术的优势在于其自动化程度高，具有较高的精准度。但一般情况下，该技术只适用于浅水区域，当水位过深时，无法有效发挥作用，相应的棱镜无法伸出水面，并且测量范围在一公里以内，容易受到天气的影响，需要搭建固定测量站。

2 水下工程中使用GPS测量定位技术的案例分析

本工程项目中的沉管为国投湄洲湾第二发电厂2×1000MW机组取排水管道，工程厂址位于福建省莆田市忠门半岛的西部，地处湄洲湾北岸经济开发区东埔镇塔林村。

2.1 沉管安装工艺流程

沉管装船、出运采用半潜驳。每次半潜驳装1节沉管，沉管上驳后由拖轮拖带至下潜坑下潜；半潜驳到达下潜坑就位，起重船与半潜驳成一字型布置；半潜驳注水下潜，当沉管下沉到其顶板的下表面高于浮箱顶面约0.3m时，用工作艇将浮箱逐个推入沉管内。半潜驳继续下潜，当沉管顶板上表面潜入水下1m时，起重船起吊沉管退出半潜驳，并保持沉管完全没水状态，随后半潜驳排水上浮，并移出航道位置，起重船抛锚收缆移船至安装位置抛锚就位。半潜驳由拖轮拖带回预制场码头，进行下节箱涵上驳、运输，重复循环进行；起重船就位后开始安装，沉管安装采用GPS测量定位（RTK设备平面位置精度可控制在1cm以内，高程精度可控制在2cm以内，可满足施工精度要求），在測量人员的指引下和潜水员水下指导下，起重船将沉管安装到位，完成初步对接。潜水员安装拉合装置，启动拉合千斤顶，将沉管拉合，将止水带压缩，直到对接缝宽度符合设计要求为止。最后进行沉管基础灌砂施工，灌砂施工完成后，解除吊索，浮箱注水拉出，安装完成。

2.2 沉管定位控制点

根据上述沉管的特点和安装工艺，可以把沉管整体等效于一个普通长方体，在安装过程中只要定位沉管上/下表面的4个角点，并控制好各个角点和设计位置的偏差，即可顺利安装。其中AB为前端。

2.3 系统设备与安装

为确定沉管位置，需要在沉管上安装以下各种位置与姿态传感器：

（1）2台RTK GPS。考虑到系统标定，需另外配备3台RTK GPS作为流动站。

（2）2台双轴倾斜传感器。考虑到沉管在制作过程中表面的平整度不高，故在沉管头尾各安装1台倾斜传感器，也方便互相检校。

（3）串口通讯设备。8口串口服务器。

（4）无线微功率数传电台+电源组。考虑到施工现场铺设电缆不方便，所以使用电台进行无线数据发送。另外，考虑测量塔上供电不方便，设备的供电均采用独立电池组供电（12V，20A，可连续供电3天）。

（5）PC电脑1台。

各设备的安装位置需要根据每根沉管的实际情况选择恰当位置安装。

两端的GPS和倾斜仪设备均接入到电台+电源组，进行设备供电（12V）以及数据发送。监控电脑端接入通讯模块的串口服务器，串口服务器的每个端口连接电台接收数据。此处需要特别注意设备的接入顺序，即对应串口服务器接入的电台编号，以便在软件中设置每台设备相应的通讯参数。

2.4 沉管3维定位方法

沉管坐标示意图如图1所示。

建立沉管坐标系圆心：以CD边的中心点为圆心；X轴：以CD和AB的中心轴线为X轴；Y轴：沿着DC方向垂直于X轴建立Y轴；Z轴：以C点高程面为参考面。

系统标定：本系统是通过建立GPS和沉管各角点的相对关系模型来计算沉管各角点坐标的，所以必须严格标定他们的相对位置。

同时考虑到倾斜传感器安装时存在误差，所以也需要通过标定的参数计算一个沉管当前姿态的实际倾斜状况，并结合倾斜传感器的当前读数计算一个初始改正值。

【预制厂】需要获取的数据有：沉管四角ABCD的坐标和高程、GPS3、4、5的坐标和高程。（需在沉管四角适当位置预埋测量杆，测量杆顶有GPS固定头。考虑到需要精确检验，所以四角需要各安装1根测量杆。）

（1）近似量测各个参数，作为标定前的参考数据（可用设计值）。

（2）在预制厂使用全站仪量测每节沉管的精确尺寸和四角坐标，GPS3、4、5的坐标和高程。（4测量杆顶部坐标和高程）。

（3）在合适的位置安装好各个仪器，并建立通讯，开启软件接收数据。

（4）通过4角点坐标计算沉管当前倾斜姿态，结合倾斜传感器的读数计算初始改正值。

半潜驳需要获取的数据有：2测量塔上GPS的安装位置坐标和高程。

（5）安装好各个仪器，并建立通讯，开启“系统反标定软件”接收数据。

（6）在GPS数据质量较好的情况下，软件接收数据至少20分钟以上。

（7）反标定软件计算出测量塔上GPS精确的安装坐标和高程。

在安装定位软件中重新设置这些参数，并使用全站仪、背包检核最后结果是否达到设计的精度要求。

监控软件具备的基本功能包括：

（1）实时定位沉管。通过输入GPS和沉管特征点的相对坐标，建立数学计算模型，从而实时接收GPS数据，以实时定位沉管。

（2）设计位置导入。导入沉管安装的设计位置和基床面的标高数据（CSV格式）。沉管的设计位置需要根据前一个安装的实际位置来确定。

（3）偏差计算。实时计算沉管实际位置和设计位置的偏差。包括沿着和垂直施工轴线2个方向上的距离偏差，标高（或者沉放深度）的偏差，以及轴线方向角度的偏差。

（4）以上内容的图形化显示。以不同颜色标记已安装沉管和在安装沉管，并设置相关施工区域背景图（支持DWG文件格式）。

（5）显示设备状态信息。包括GPS和倾斜仪的信息等。

另外我们根据已有工程项目经验还开发了部分补充的功能模块，可根据需要添加：

（1）输出报表功能。安装数据存档并形成数据档案，根据用户提供的报表模板，生成报表。

（2）工程回放功能。记录安装过程数据，可在安装完成后回放施工过程。

GPS测量定位技术是一种新型测量定位手段，无需联测或同步观测即可进行，操作简单、精确度优良、设备布设方便，极大地降低了作业人员工作强度，提升了工程项目的施工质量。

3 水下工程中现代测量定位技术发展趋势展望

在水下工程中，为了提升测量定位的精准度，避免干扰因素带来的影响，需要借助现代化技术手段来不断缩短测量所需时间。因此，为了提高水下测量计算的速度，就应该借助相应专业软件的开发与运用，在降低测量定位时间的基础上，实现精准定位，有效控制影响因素。因此，在实际开发这一软件的过程中，要满足简单方便操作秩序，结合水下工程的实际特点并配置轻量级的数据存储系统。同时，在工程测量中，目前GPS测量技术下的RTK技术借助载波纤维动态实施差分技术，在提高测量效率、降低测量工作压力的同时，为提高测量的精准度奠定了基础，实现了对水下测量定位干扰因素的有效规避和控制。另外，在水下工程发展中，需要注重相应人才的引进与培训，充分利用现代化测量定位技术，并借助专业人才的力量实现不断创新和进步。

参考文献：

[1] 胡振东.现代测量定位技术在水下工程中的应用研究 [J].绿色环保建材，2017（12）：177.

[2] 延陆军.浅谈现代测量技术在煤矿测量中的应用 [J].能源与节能，2016（10）：136-137.

[3] 丁旭.现代测量技术的应用与发展 [J].工程技术研究，2016（8）：00256.

作者简介：林永洲（1989.03-），男，汉族，福建龙岩人，本科，助理工程师。研究方向：工程测量；董小文（1989.09-），男，汉族，福建龙岩人，助理工程师。研究方向：工程测量。