一种沉管隧道安装测控系统

技术领域

本发明涉及海洋工程领域，尤其涉及一种沉管隧道安装测控系统。

背景技术

目前沉管隧道管节沉放施工时，首先，通过浮运方式将管节浮运至安装位置，通过卫星测量进行大致方向对准后将沉放船进行锚固；然后，开始管节沉放，沉放中利用测量塔上的卫星测量数据调节待沉管节与已沉管节平面上相距约2米，高程基本一致；最后，利用测量塔上卫星测量数据与理论沉放位置比较指导对接。上述方法原理成熟，将水下测量通过测量塔转换为水上测量，通过卫星差分计算进行测量的精度高，基本能满足当前管节沉放对接的技术要求。然而，当前测量塔方法本质上是利用测量塔将水下测量转为水上测量，随着测量塔增高，在水流扰动下测量塔变形加大，加上管节自身变形的耦合作用，测量误差大，无法满足未来大水深建设测量要求。

发明内容

本发明提供一种沉管隧道安装测控系统，旨在解决没有测量塔的情况下安装过程中的高精度测控问题。

第一方面，本发明提供一种沉管隧道安装测控系统，包括沉管船定位系统、水面测量系统、水声测量系统、水下摄影测量系统和水下激光准直系统；

所述沉管船定位系统用于测量沉放船的位置和姿态；

所述水面测量系统用于测量待沉管节在水面阶段的位置和方向；

所述水声测量系统用于将所述沉放船的位置和姿态进行联合解算，测量所述待沉管节在水下沉放过程的位置和方向；

所述水下摄影测量系统测量所述待沉管节与对接目标管节的关系，计算所述待沉管节水下的位置和方向；

所述水下激光准直系统用于将测量结果与所述水下摄影测量系统联合计算出所述待沉管节在水下的位置和方向，并基于系统测量的结果，通过计算软件生成执行控制指令反馈给执行系统执行控制。

在一个实施例中，所述沉管船定位系统包括第一定位系统和惯性传感器；

基于所述第一定位系统和所述惯性传感器，测量出所述沉放船的位置和姿态。

所述水面测量系统包括第二定位系统和第三定位系统；

基于所述第二定位系统和所述第三定位系统测量出两个坐标，再将所述两个坐标进行差分计算，测量出所述待沉管节在水面阶段的位置和方向。

所述水声测量系统包括第一水听器阵列、第二水听器阵列、第一声源系统和第二声源系统；

基于所述第一水听器阵列和所述第一声源系统，以及基于所述第二水听器阵列和所述第二声源系统，与所述沉放船的位置和姿态进行联合解算，得到两个坐标，再将所述两个坐标进行差分计算，测量出所述待沉管节在水下沉放过程的位置和方向。

所述沉管隧道安装测控系统还包括吊索测量系统；

基于所述吊索测量系统的相机测量吊索相对于所述沉放船的角度，通过角度和吊索释放长度或测量管节到吊索固定点的距离计算出所述待沉管节的水下位置，再将所述水下位置与所述沉放船的位姿联合测量计算，得到所述待沉管节在水下沉放过程的位置和方向。

所述水下摄影测量系统包括第一水下摄影测量设备、第二水下摄影测量设备、第一合作靶标设备和第二合作靶标设备；

基于所述第一水下摄影测量设备和所述第一合作靶标设备，以及基于所述第二水下摄影测量设备和所述第二合作靶标设备，得到两个坐标，再将所述两个坐标进行差分计算，测量出所述待沉管节在水下的位置和方向。

所述水下激光准直系统包括平行激光单元和水下激光准直设备；

基于所述平行激光单元和所述水下激光准直设备测量出所要调节的方向，与所述水下摄影测量系统测量出的所述待沉管节在水下的方向进行相互校验对接。

所述沉管隧道安装测控系统还包括测量控制设备；

所述测量控制设备利用卫星和高频晶振维持时间，为所述沉管船定位系统、所述水面测量系统、所述水声测量系统和所述水下摄影测量系统提供时间基准，并为测量系统的传感器提供工作触发信号。

所述沉管隧道安装测控系统还包括服务器计算系统；

所述服务器计算系统用于采集所述沉管船定位系统、所述水面测量系统、所述水声测量系统、所述水下摄影测量系统和所述水下激光准直系统中数据，并对采集到的数据进行计算处理，处理结果生成控制指令由控制系统执行。

第二方面，本发明提供一种沉管隧道安装测控方法，基于第一方面所述的沉管隧道安装测控系统，包括：

将整个安装测控划分为水面测量阶段、沉放过程测量阶段和对接测量阶段；水面测量系统提供沉放船的位姿信息以及管节水面位置和方向测量，水声测量系统提供水下全过程位置和方向测量，水下摄影测量和激光准直测量提供高精度对接测量；

当卫星测量有效时，基于所述水面测量系统量出待沉管节在水下的位置和方向；

当卫星测量失效时，基于所述水声测量系统量出待沉管节在水下的位置和方向；

当水下摄影测量系统测量有效时，基于所述水下摄影测量系统测量出待沉管节在水下的位置和方向；

当水下激光准直系统测量有效时，基于所述水下激光准直系统测量出所述待沉管节的调节方向与所述水下摄影测量系统联合解算出待沉管节在水下的位置和方向；

基于系统测量的结果，通过计算软件生成执行控制指令反馈给执行系统执行控制。

本发明提供的沉管隧道安装测控系统，系统包括沉管船定位系统、水面测量系统、水声测量系统、水下摄影测量系统和水下激光准直系统；沉管船定位系统测量沉放船的位置和姿态；水面测量系统测量待沉管节在水面阶段的位置和方向；水声测量系统将沉放船的位置和姿态进行联合解算，测量待沉管节在水下沉放过程的位置和方向；水下摄影测量系统测量待沉管节与对接目标管节的关系，计算待沉管节水下的位置和方向；水下激光准直系统将测量结果与水下摄影测量系统联合计算出待沉管节在水下的位置和方向，并通过计算软件将解算结果生成执行控制指令反馈给控制系统执行控制。

在沉管隧道安装测控的过程中，通过沉管船定位系统、水面测量系统、水声测量系统、水下摄影测量系统和水下激光准直系统，完成了待沉管节的水面测量阶段、沉放过程测量阶段和对接测量阶段，使得整个过程不需要测量塔，因此使得沉管隧道施工能适应更大水深，并与管节变形无关，提高了沉管隧道施工的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的沉管隧道安装测控系统的示意图；

图2是本发明提供的测量系统组成连接示意图；

图3是本发明提供的沉管隧道安装测控方法的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，图1是本发明提供的沉管隧道安装测控系统的示意图。本发明实施例提供的沉管隧道安装测控系统包括沉管船定位系统、水面测量系统、水声测量系统、水下摄影测量系统和水下激光准直系统；

所述沉管船定位系统用于测量沉放船的位置和姿态；

所述水面测量系统用于测量待沉管节在水面阶段的位置和方向；

所述水声测量系统用于将所述沉放船的位置和姿态进行联合解算，测量所述待沉管节在水下沉放过程的位置和方向；

所述水下摄影测量系统测量所述待沉管节与对接目标管节的关系，计算所述待沉管节在水下的位置和方向；

所述水下激光准直系统用于将测量结果与所述水下摄影测量系统联合计算出所述待沉管节在水下的位置和方向，并基于系统测量的结果，通过计算软件生成执行控制指令反馈给执行系统执行控制。

需要说明的是，所有系统都通过电缆与控制系统连接。本发明将整个待沉管节的沉放对接测量划分为三个阶段，第一阶段为水面测量阶段，第二阶段为沉放过程测量阶段，第三阶段是对接测量阶段。

水面测量阶段采用卫星测量，通过对卫星天线测量差分计算精度能达到厘米级，满足沉放船锚固和水面管节对准要求。

沉放过程测量阶段采用水声测量，利用水下信标和水听器阵列与惯性结合，进行管节水下定位，结合管节连接吊索测量，精度优于10厘米，满足管节沉放过程定位测量要求。

对接测量阶段采用水下摄影测量和水下激光测量，水下摄影测量点位精度可达毫米级，多个测量点位进行差分计算可以精确计算管节方向和位置，水下激光测量只进行管节方向测量，与摄影测量形成互校验，确保管节对接方向精度。

因此，本发明实施例提供的沉管隧道安装测控系统包括沉管船定位系统、水面测量系统、水声测量系统、水下摄影测量系统和水下激光准直系统。

沉管船定位系统测量沉放船的位置和姿态。水面测量系统可以理解为卫星测量系统，测量待沉管节在水面阶段的位置和方向。水声测量系统将沉放船的位置和姿态进行联合解算，测量待沉管节在水下沉放过程的位置和方向。水下摄影测量系统测量待沉管节与对接目标管节的关系，计算待沉管节在水下的位置和方向。水下激光准直系统将测量结果与水下摄影测量系统联合计算出待沉管节在水下的位置和方向，并通过计算软件将解算结果反馈给控制系统执行控制。

进一步地，沉管隧道安装测控系统还包括吊索测量系统；沉管船定位系统包括第一定位系统和惯性传感器；水面测量系统包括第二定位系统和第三定位系统。定位系统可以为全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)，因此，第一定位系统可以表示为GNSS3，第二定位系统表示为GNSS2，第三定位系统表示为GNSS1。水声测量系统包括第一水听器阵列、第二水听器阵列、第一声源系统和第二声源系统。

进一步地，水下摄影测量系统包括第一水下摄影测量设备、第二水下摄影测量设备、第一合作靶标设备和第二合作靶标设备；水下激光准直系统包括平行激光单元和水下激光准直设备。

具体地，GNSS3与惯性传感器组成沉管船定位系统，通过星惯组合定位(卫星和惯性传感器)测量出沉放船的位置和姿态。

进一步地，GNSS1和GNSS2组成水面测量系统，通过GNSS1和GNSS2测量出两个坐标，再将两个坐标进行差分计算，测量出待沉管节在水面阶段的位置和方向。

进一步地，第一水听器阵列(水听器阵列1)、第二水听器阵列(水听器阵列2)、第一声源系统(声源1)和第二声源系统(声源2)组成了水声测量系统。

水听器阵列1和声源1组成第一套水声测量系统，水听器阵列2和声源2组成第二套水声测量系统，通过水听器阵列1和声源1，以及水听器阵列2和声源2组成的2套水声测量系统与沉放船的位置和姿态进行联合解算，两套系统得到两个坐标，再将两个坐标进行差分计算，测量出待沉管节在水下沉放过程的位置和方向。

进一步地，吊索测量系统通过相机测量吊索相对于沉放船的角度，通过角度和吊索释放长度或测量管节到吊索固定点的距离计算管节水下位置，再将水下位置与水声测量系统测量出的沉放船的位姿联合测量计算，得到待沉管节在水下沉放过程的位置和方向。

进一步地，第一水下摄影测量设备(水下摄影测量设备1)、第二水下摄影测量设备(水下摄影测量设备2)、第一合作靶标设备(合作靶标1)和第二合作靶标设备(合作靶标2)组成了水下摄影测量系统。水下摄影测量设备1与合作靶标1组成了一套水下摄影测量系统，水下摄影测量设备2与合作靶标2组成一套水下摄影测量系统，其中，合作靶标采用主动光源，一个合作靶标上有多个可测量特征点，水下摄影测量设备由2台相机组成，即可以进行后方交会计算，也可以进行前方交会解算。

因此，2套水下摄影测量系统得到两个坐标，再将两个坐标进行差分计算，测量出待沉管节在水下的位置和方向。

进一步地，平行激光单元和水下激光准直设备组成水下激光准直系统，将测量结果与水下摄影测量系统联合计算待沉管节在水下的位置和方向，即平行激光单元和水下激光准直设备测量出所要调节的方向，与水下摄影测量系统测量出的待沉管节在水下的方向进行相互校验对接。

进一步地，沉管船定位系统、水面测量系统、水声测量系统、水下摄影测量系统和水下激光准直系统都可以看作一种传感器。

所有传感器都在管预制场进行安装，利用预制场的控制网测量出各设备在管节坐标系中的精确坐标。已沉管节通过贯通测量，计算出已沉管节上合作靶标和平行激光单元在施工坐标系中的精确位置。

GNSS3和惯性传感器安装在沉放船已知位置，利用星惯组合测量沉放船的位置和姿态，为水下测量提供在管节施工坐标系中的绝对位置和姿态数据。

水面测量系统中的GNSS1和GNSS2安装在待沉管节的顶部首尾两端已知位置，GNSS1和GNSS2安装采用小型塔安装，确保在浮运过程不发生自身变形。水面测量系统(卫星测量)实现待沉管节水面浮运和对准测量，两个卫星天线(GNSS1和GNSS2)测量得到两个坐标，计算待沉管节当前的方向和位置，直到沉放船锚固结束。

水声测量定位系统由安装在待沉管节上的水下声源(声信标)、安装在沉放船底部对应位置的水听器阵列组成，声源安装附近和水听器间没有遮挡，减少声波混响。

声源安装在待沉管节的顶部首尾端已知位置发射声波信号，水听器阵列组成接收单元，安装在沉放船对应的已知位置，接收声源发射声波并检波计算各自到声源距离，与惯性传感器结合计算声源相对于水听器阵列的位置和姿态，该位姿与GNSS3及惯性传感器测量的沉放船的绝对位置和姿态进行解算，得到水下声源在施工坐标系定位，通过两个声源在施工坐标系中的坐标计算待沉管节入水后的位置和方向，直到待沉管节沉放至水下摄影测量系统的作用范围结束。

水下摄影测量系统由测量合作靶标和水下摄影测量设备组成，合作靶标安装在已沉管节的对接端已知位置，水下摄影测量设备安装在待沉管节的对接端对应位置，水下摄影测量设备根据情况可以采用塔式安装，以减少对接中水体影响，塔具体高度依据现场确定。

水下摄影测量系统通过合作靶标在施工坐标系的坐标测量得到水下摄影测量设备在施工坐标系中的坐标，2套水下摄影测量设备得到两个坐标，利用水下摄影测量设备与待沉管节的关系，计算当前待沉管节在施工坐标系中的位置和方向。

水下激光测量系统由平行激光和水下激光测量设备组成，平行激光单元安装在已沉管节的对接端，水下激光测量设备安装在待沉管节对应位置，计算待沉管节的方向，与摄影测量计算的方向互指导对接。

进一步地，参照图2，图2是本发明提供的测量系统组成连接示意图，沉管隧道安装测控系统还包括测量控制设备。

所有传感器统一由供电系统供电，通过有线连接到测量控制设备，测量控制设备时间由GNSS和高频率晶振维持，所有传感器获取的数据时间都由测量控制设备产生。因此可以理解为，测量控制设备利用卫星和高频晶振维持时间，为沉放船定位系统、水面测量系统、水声测量系统和水下摄影测量系统提供时间基准。

进一步地，所有传感器采用外触发模式工作是，统一由测量控制设备提供触发信号，保证传感器的高精度同步工作。

进一步地，沉管隧道安装测控系统还包括服务器计算系统。

服务器计算系统采集沉管船定位系统、水面测量系统、水声测量系统、水下摄影测量系统和水下激光准直系统中数据。

服务器计算系统对采集到的数据进行计算处理，可以理解为，服务器计算系统接收沉管船定位系统、水面测量系统、水声测量系统、水下摄影测量系统和水下激光准直系统输入数据并计算得到水下待沉管节的方向和位置，形成调节控制信息给沉放船执行控制系统。

本发明实施例提供的沉管隧道安装测控系统，系统包括沉管船定5位系统、水面测量系统、水声测量系统、水下摄影测量系统和水下激

光准直系统；沉管船定位系统测量沉放船的位置和姿态；水面测量系统测量待沉管节在水面阶段的位置和方向；水声测量系统将沉放船的位置和姿态进行联合解算，测量待沉管节在水下沉放过程的位置和方

向；水下摄影测量系统测量待沉管节与对接目标管节的关系，计算待0沉管节在水下的位置和方向；水下激光准直系统将测量结果与水下摄

影测量系统联合计算出待沉管节在水下的位置和方向，并通过计算软件将解算结果生成执行控制指令反馈给控制系统执行控制。

在沉管隧道安装测控的过程中，通过沉管船定位系统、水面测量

系统、水声测量系统、水下摄影测量系统和水下激光准直系统，完成5了待沉管节的水面测量阶段、沉放过程测量阶段和对接测量阶段，使

得整个过程不需要测量塔，因此使得沉管隧道施工能适应更大水深，并与管节变形无关，提高了沉管隧道施工的测量精度。

进一步地，本发明实施例提供的沉管隧道安装测控系统的设备安装和拆卸周期短，效率高、成本低，大大减少了水下作业时间。

0进一步地，参照图3，图3是本发明提供的沉管隧道安装测控方

法的示意图。

将整个安装测控划分为水面测量阶段、沉放过程测量阶段和对接测量阶段；水面测量系统提供沉放船的位姿信息以及管节水面位置和

方向测量，水声测量系统提供水下全过程位置和方向测量，水下摄影5测量和激光准直测量提供高精度对接测量；

当卫星测量有效时，基于所述水面测量系统量出待沉管节在水下的位置和方向；

当卫星测量失效时，基于所述水声测量系统量出待沉管节在水下的位置和方向；

当水下摄影测量系统测量有效时，基于所述水下摄影测量系统测量出待沉管节在水下的位置和方向；

当水下激光准直系统测量有效时，基于所述水下激光准直系统测量出所述待沉管节的调节方向与所述水下摄影测量系统联合解算出待沉管节在水下的位置和方向；

基于系统测量的结果，通过计算软件生成执行控制指令反馈给执行系统执行控制。

具体地，测量计算时，三个阶段根据传感器返回数据自动判别。将整个安装测控划分为水面测量阶段、沉放过程测量阶段和对接测量阶段。水面测量系统提供沉放船的位姿信息以及管节水面位置和方向测量，水声测量系统提供水下全过程位置和方向测量，水下摄影测量和激光准直测量提供高精度对接测量。

当GNSS1和GNSS2测量有效，即沉管船定位系统和水面测量系统有效(卫星测量有效)时，始终采用水面测量系统的测量数据，并与水声数据比较，以确认水声测量系统工作状态，此时测量出沉放船的位置和姿态，以及测量出待沉管节在水面阶段的位置和方向。

当卫星测量的卫星数据失效，即水面测量系统失效时，开始采用水声和吊索测量出的水声数据进行计算，即水声测量系统和吊索测量系统有效，此时测量出的水声数据为待沉管节在水下沉放过程的位置和方向，并与沉放船测量数据融合。需要说明的是，在整个安装过程中，水声数据一直有效，持续提供。

当水下摄影测量数据有效，即水下摄影测量系统测量有效时，此时，测量出的水下摄影测量数据为待沉管节在水下的位置和方向，采用水下摄影测量数据计算，如果由于水体影响，导致水下摄影测量短时间失效时，以水声测量数据为准。

当水下激光准直测量数据有效，即水下激光准直系统测量有效时，测量出待沉管节的调节方向。进一步地，参考水下激光准直测量数据，修正水下摄影测量计算的方向偏差，即根据水下激光准直系统测量出的待沉管节的调节方向，修正水下摄影测量系统测量出的待沉管节的方向。因此可以理解为，水下激光准直系统将测量出的结果与水下摄影测量系统联合解算出待沉管节在水下的位置和方向。最后，根据系统测量的结果，通过计算软件生成执行控制指令反馈给执行系统执行控制。

在沉管隧道安装测控的过程中，通过沉管船定位系统、水面测量系统、水声测量系统、水下摄影测量系统和水下激光准直系统，完成了待沉管节的水面测量阶段、沉放过程测量阶段和对接测量阶段，使得整个过程不需要测量塔，因此使得沉管隧道施工能适应更大水深，并与管节变形无关，提高了沉管隧道施工的测量精度。

进一步地，本发明实施例提供的沉管隧道安装测控系统的设备安装和拆卸周期短，效率高、成本低，大大减少了水下作业时间。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。