CN116164735A - 一种沉管管节水中三维姿态测量系统及其方法 - Google Patents

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CN116164735A CN202211604525.7A CN202211604525A CN116164735A CN 116164735 A CN116164735 A CN 116164735A CN 202211604525 A CN202211604525 A CN 202211604525A CN 116164735 A CN116164735 A CN 116164735A
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Abstract

本发明涉及一种沉管管节水中三维姿态测量系统及其方法，该系统包括安装于沉管隧道管节上的测量塔，其中，测量塔上安装有GNSS系统，沉管隧道管节上还安装有惯导系统，沉管隧道管节的两侧安装有水位计，沉管隧道管节上还设置有用于标定GNSS系统安装位置的控制点，GNSS系统、惯导系统和水位计均连接至后台进行数据处理。与现有技术相比，本发明能够准确监测管节浮运及沉放过程中管节姿态，并将监测数据连续、稳定地传输至后台进行处理，无需人工全站仪进行监测，不再受限于测量距离以及环境因素影响，即可高效准确地得到管节在水中的三维姿态。

Description

一种沉管管节水中三维姿态测量系统及其方法
技术领域
本发明涉及沉管隧道施工技术领域，尤其是涉及一种沉管管节水中三维姿态测量系统及其方法。
背景技术
沉管隧道具有适应多种水文地质、隧道埋深浅、断面利用率高等优势，近年来在我国跨海越江通道工程中发展迅速。然而水上自然环境恶劣，且随机因素较多，使得沉管管节运动受波浪、水流、气候等环境因素影响剧烈，即沉管隧道浮运和沉放过程中影响因素众多，管节容易偏离规划路线，给施工安全带来了严峻挑战。
沉管管节的浮运及沉放对接是沉管隧道整个施工过程中最为关键的工序之一，因此，对管节位置及姿态进行实时精密测量与监测，并根据管段运动情况做出决策，这对于保证管节航向稳定、管节间精准沉放对接而言，是必不可少的过程。在以往工程施工中，管节定位及姿态大多采用人工全站仪监测，此种方式存在效率低、精度差、测量距离有限等缺陷，并且容易受气候、能见度等环境因素影响而导致无法准确获得管节在水中的姿态数据。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种沉管管节水中三维姿态测量系统及其方法，能够高效准确地得到管节在水中的三维姿态。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种沉管管节水中三维姿态测量系统，包括安装于沉管隧道管节上的测量塔，所述测量塔上安装有GNSS(Global NavigationSatellite System，全球导航卫星系统)，所述沉管隧道管节上还安装有惯导系统，所述沉管隧道管节的两侧安装有水位计，所述沉管隧道管节上还设置有用于标定GNSS系统安装位置的控制点，所述GNSS系统、惯导系统和水位计均连接至后台进行数据处理。
进一步地，所述测量塔包括分别安装于沉管隧道管节两端的主测量塔和副测量塔。
进一步地，所述主测量塔和副测量塔的顶部均安装有两个GNSS系统。
进一步地，所述惯导系统与主测量塔之间的水平间距在设定的距离范围内。
进一步地，所述沉管隧道管节的两侧均安装有两个水位计。
进一步地，所述GNSS系统包括但不限于GPS系统、GLONASS系统、GALILEO系统及北斗卫星系统。
进一步地，所述惯导系统包括但不限于捷联式惯性导航系统、解析式惯性导航系统、半解析式惯性导航系统。
进一步地，所述水位计包括但不限于浮子式水位计、光纤水位计、跟踪式水位计、压力式水位计、声波式水位计。
进一步地，所述沉管隧道管节的轴线方向等间距均匀布置有多组控制点。
进一步地，所述水位计采用L型结构：一段采用钣条设计安装在沉管隧道管节顶面侧边缘，另一段采用半圆钣金设计、并以点焊接方式固定到沉管隧道管节外侧墙。
一种沉管管节水中三维姿态测量方法，包括以下步骤：
S1、在待测量的各管节相应位置分别安装GNSS系统、惯导系统和水位计；
S2、对安装点进行标定，标定内容为同一坐标系下安装点和管节结构特征点的三维坐标值；
S3、GNSS系统采集沉管的位置信息并传输至后台；惯导系统采集沉管的姿态信息并传输至后台；水位计采集沉管干舷值并传输至后台；
S4、根据设计图纸预先建立三维模型，并根据现场实际情况对该三维模型进行验证；
S5、基于步骤S3采集的沉管现场数据，驱动三维模型动作，根据预先构建的工程坐标系与管段坐标之间的转换关系，计算得到相邻管节对接点在工程坐标系中的坐标。
进一步地，所述步骤S5中工程坐标系与管段坐标之间的转换关系的构建过程为：
S51、以沉管形心为坐标原点，以沉管轴向为X轴，以沉管横向为Y轴建立沉管三维坐标系；
S52、测量管段中各控制点在沉管三维坐标系中的三维坐标，其中，控制点包括但不限于管段连接点、GNSS观测点；
S53、根据GNSS系统测得的管节平面位置惯导系统测得的管节倾斜角度，建立工程坐标系与管段坐标之间的转换关系。
进一步地，所述步骤S53的具体过程为：
设定工程坐标系为(Xs,Ys,Zs)，管段上的任意2个GNSS测量点对应工程坐标为P1(Xs1,Ys1,Zs1)和P2(Xs2,Ys2,Zs2)；
取管段形心为坐标原点，建立管节坐标系(Xc,Yc,Zc)，2个GNSS测量点对应管段坐标为P1(Xc1,Yc1,Zc1)和P2(Xc2,Yc2,Zc2)，管节坐标系原点对应于工程坐标值为(Xco,Yco,Zco)，即平移坐标，惯导系统获得的基于工程坐标系X轴、Y轴、Z轴的旋转角度为(α,β,θ)，即旋转坐标，根据坐标转换关系：
Figure BDA0003996932090000031
得到管段形心的工程坐标值为：
Figure BDA0003996932090000032
其中，rij为管节坐标系与工程坐标系转换关系中旋转矩阵R的第i行j列元素，R(k)、
Figure BDA0003996932090000037
R(ω)分别为绕工程坐标X轴、Y轴、Z轴旋转的旋转矩阵，分别如下式所示：
Figure BDA0003996932090000033
Figure BDA0003996932090000034
/>
Figure BDA0003996932090000035
总体旋转矩阵如下：
Figure BDA0003996932090000036
将一个GNSS测量点对应工程坐标值P1(Xs1,Ys1,Zs1)和此测量点对应管段坐标值P1(Xc1,Yc1,Zc1)以及总体旋转矩阵R代入管段形心的工程坐标值公式中，即可求得管段形心的第一工程坐标值；
将另一GNSS测量点对应工程坐标值P2(Xs2,Ys2,Zs2)和此测量点对应管段坐标P2(Xc2,Yc2,Zc2)以及总体旋转矩阵R代入管段形心的工程坐标值公式中，即可求得管段形心的第二工程坐标值；
将管段形心的第一工程坐标值和第二工程坐标值的算术平均值作为管段形心坐标。
进一步地，所述步骤S5中相邻管节对接点在工程坐标系中的坐标的计算过程具体为：
设定管段某对接点对应管节坐标系的坐标值为(Xc(ki),Yc(ki),Zc(ki))，将管节坐标系原点对应于工程坐标值为(Xco,Yco,Zco)以及对接点坐标值(Xc(ki),Yc(ki),Zc(ki))代入工程坐标系与管节坐标系转换关系公式中，即可求得控制点在工程坐标系的坐标值(Xs(ki),Ys(ki),Zs(ki))为：
Figure BDA0003996932090000041
与现有技术相比，本发明通过在沉管隧道管节上安装测量塔，并在测量塔上安装有GNSS系统、在沉管隧道管节上安装惯导系统，在沉管隧道管节的两侧安装水位计，将GNSS系统、惯导系统和水位计均连接至后台进行数据处理。由此能够准确监测管节浮运及沉放过程中管节姿态，并将监测数据连续、稳定地传输至后台进行处理，无需人工全站仪进行监测，不再受限于测量距离以及环境因素影响，即可高效准确地得到管节在水中的三维姿态。
本发明在沉管隧道管节的两端分别设置主测量塔、副测量塔，并在两个测量塔上均安装两个GNSS系统、将惯导系统安装在主测量塔附近位置、在管节上上设置用于标定GNSS安装位置的控制点，能够充分保证采集数据信息的准确性与全面性，有利于后续通过数据融合处理得到可靠的结果。
本发明根据设计图纸预先建立三维模型，并采用施工单位提供的最终施工修正值以修正模型，保证尺寸和现场实际模型一致性；并通过建立工程坐标系与管段坐标之间的转换关系，以计算得到相邻关节对接点在工程坐标系中的坐标，即可作为管节对接的依据，能够为施工操作提供准确、即时的参考。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的方法流程示意图；
图3为实施例一中管节三维模型实时状态示意图；
图4为实施例二中管节坐标系与工程坐标系示意图；
图5为实施例二中管节对接监测点布置示意图；
图中标记说明：1、沉管隧道管节，2、测量塔，3、GNSS系统，4、惯导系统，5、控制点，6、水位计。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种沉管管节水中三维姿态测量系统，包括安装于沉管隧道管节1上的测量塔2，测量塔2上安装有GNSS系统3，沉管隧道管节1上还安装有惯导系统4，沉管隧道管节1的两侧安装有水位计6，沉管隧道管节1上还设置有用于标定GNSS系统3安装位置的控制点5，GNSS系统3、惯导系统4和水位计6均连接至后台进行数据处理。
其中，测量塔2包括分别安装于沉管隧道管节1两端的主测量塔和副测量塔，主测量塔和副测量塔的顶部均安装有两个GNSS系统3，惯导系统4则安装在主测量塔的附件位置，其与主测量塔之间的水平间距在设定的距离范围内。
沉管隧道管节1的两侧均安装有两个水位计6。
在实际应用中，GNSS系统3包括但不限于GPS系统、GLONASS系统、GALILEO系统及北斗卫星系统；
惯导系统4包括但不限于捷联式惯性导航系统、解析式惯性导航系统、半解析式惯性导航系统；
水位计6包括但不限于浮子式水位计、光纤水位计、跟踪式水位计、压力式水位计、声波式水位计。
此外，沉管隧道管节1的轴线方向等间距均匀布置有多组控制点5。水位计6可采用L型结构：一段采用钣条设计安装在沉管隧道管节1顶面侧边缘，另一段采用半圆钣金设计、并以点焊接方式固定到沉管隧道管节1外侧墙。
应用上述系统，以实现一种沉管管节水中三维姿态测量方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1、在待测量的各管节相应位置分别安装GNSS系统、惯导系统和水位计；
S2、对安装点进行标定，标定内容为同一坐标系下安装点和管节结构特征点的三维坐标值；
S3、GNSS系统采集沉管的位置信息并传输至后台；惯导系统采集沉管的姿态信息并传输至后台；水位计采集沉管干舷值并传输至后台；
S4、根据设计图纸预先建立三维模型，并根据现场实际情况对该三维模型进行验证；
S5、基于步骤S3采集的沉管现场数据，驱动三维模型动作，根据预先构建的工程坐标系与管段坐标之间的转换关系，计算得到相邻管节对接点在工程坐标系中的坐标，具体的，工程坐标系与管段坐标之间的转换关系的构建过程为：
S51、以沉管形心为坐标原点，以沉管轴向为X轴，以沉管横向为Y轴建立沉管三维坐标系；
S52、测量管段中各控制点在沉管三维坐标系中的三维坐标，其中，控制点包括但不限于管段连接点、GNSS观测点；
S53、根据GNSS系统测得的管节平面位置惯导系统测得的管节倾斜角度，建立工程坐标系与管段坐标之间的转换关系——首先设定工程坐标系为(Xs,Ys,Zs)，管段上的任意2个GNSS测量点对应工程坐标为P1(Xs1,Ys1,Zs1)和P2(Xs2,Ys2,Zs2)；
之后取管段形心为坐标原点，建立管节坐标系(Xc,Yc,Zc)，2个GNSS测量点对应管段坐标为P1(Xc1,Yc1,Zc1)和P2(Xc2,Yc2,Zc2)，管节坐标系原点对应于工程坐标值为(Xco,Yco,Zco)，即平移坐标，惯导系统获得的基于工程坐标系X轴、Y轴、Z轴的旋转角度为(α,β,θ)，即旋转坐标，根据坐标转换关系：
Figure BDA0003996932090000061
得到管段形心的工程坐标值为：
Figure BDA0003996932090000062
其中，rij为管节坐标系与工程坐标系转换关系中旋转矩阵R的第i行j列元素，R(k)、
Figure BDA0003996932090000063
R(ω)分别为绕工程坐标X轴、Y轴、Z轴旋转的旋转矩阵，分别如下式所示：
Figure BDA0003996932090000071
Figure BDA0003996932090000072
Figure BDA0003996932090000073
总体旋转矩阵如下：
Figure BDA0003996932090000074
然后将一个GNSS测量点对应工程坐标值P1(Xs1,Ys1,Zs1)和此测量点对应管段坐标值P1(Xc1,Yc1,Zc1)以及总体旋转矩阵R代入管段形心的工程坐标值公式中，即可求得管段形心的第一工程坐标值；
再将另一GNSS测量点对应工程坐标值P2(Xs2,Ys2,Zs2)和此测量点对应管段坐标P2(Xc2,Yc2,Zc2)以及总体旋转矩阵R代入管段形心的工程坐标值公式中，即可求得管段形心的第二工程坐标值；
最后将管段形心的第一工程坐标值和第二工程坐标值的算术平均值作为管段形心坐标；
相邻管节对接点在工程坐标系中的坐标的计算过程具体为：
设定管段某对接点对应管节坐标系的坐标值为(Xc(ki),Yc(ki),Zc(ki))，将管节坐标系原点对应于工程坐标值为(Xco,Yco,Zco)以及对接点坐标值(Xc(ki),Yc(ki),Zc(ki))代入工程坐标系与管节坐标系转换关系公式中，即可求得控制点在工程坐标系的坐标值(Xs(ki),Ys(ki),Zs(ki))为：
Figure BDA0003996932090000075
综上可知，本技术方案中，主要包括：
I、沉管隧道管节；
II、测量塔，安装于沉管隧道管节上，包括主测量塔和副测量塔；
III、GNSS系统，分别安装于沉管隧道管节测量塔上；
IV、惯导系统，安装于沉管隧道管节靠近主测量塔附近部位；
V、控制点，位于沉管隧道管节上；
VI、水位计，包括分别安装于管节两侧；
VII、高精度全站仪，用于管段结构特征点及设备安装点的标定；
VIII、数据来源，包括沉管隧道浮运过程管节的平面轨迹、姿态、干舷；沉放对接过程管节的平面位置、沉放深度、沉放状态、与前后管节关系的数据参数；
IX、三维模型，基于设计单位提供的精确图纸而构建，三维模型的建立方式包括但不限于AutoCAD、SolidWorks等软件，并采用施工单位提供的最终施工修正值以修正模型沉管隧道三维模型；
X、测试坐标系统的构建及转换，基于沉管隧道管节沉放过程中管节位置与姿态沉管数据参数，建立工程坐标系与管段坐标之间转换关系：
X-1、以沉管形心为坐标原点，以沉管轴向为X轴，以沉管横向为Y轴，竖向为Z轴，建立沉管三维坐标系；
X-2、采用VII精确测量管段中各控制点(管段连接点、GNSS观测点、其它部位控制点等)在沉管坐标系中的三维坐标；
X-3、依据III测得的管节平面位置及IV测得的管节倾斜角度，建立工程坐标系与管段坐标之间的转换关系；
X-4、依据工程坐标系与管段坐标之间的转换关系，计算出相邻管节对接点在工程坐标系中的坐标，作为管节对接的依据。
其中，X-3的过程具体为：
工程坐标系为(Xs,Ys,Zs)，管段上的任意2个III测量点对应工程坐标为P1(Xs1,Ys1,Zs1)和P2(Xs2,Ys2,Zs2)。取管段形心为坐标原点，建立管节坐标系(Xc,Yc,Zc)，2个Ⅲ测量点对应管段坐标为P1(Xc1,Yc1,Zc1)和P2(Xc2,Yc2,Zc2)。管节坐标系原点对应工程坐标值为(Xco,Yco,Zco)，即平移坐标。IV获得的基于工程坐标系X轴、Y轴、Z轴的旋转角度为(α,β,θ),即旋转坐标。根据坐标转换关系：
Figure BDA0003996932090000081
管段形心的工程坐标值为：
Figure BDA0003996932090000091
式中，rij表示管节坐标系与工程坐标系转换关系中的旋转矩阵R的i行j列元素，R(k),
Figure BDA0003996932090000097
R(ω)分别为绕工程坐标X轴、Y轴、Z轴旋转的旋转矩阵，分别如下式所示：
Figure BDA0003996932090000092
Figure BDA0003996932090000093
Figure BDA0003996932090000094
总体旋转矩阵如下：
Figure BDA0003996932090000095
将III测量点对应工程坐标值P1(Xs1,Ys1,Zs1)和此测量点对应管段坐标值P1(Xc1,Yc1,Zc1)以及总体旋转矩阵R代入管段形心的工程坐标值公式中可求得管段形心的工程坐标值。将另一III测量点对应工程坐标值P2(Xs2,Ys2,Zs2)和此测量点对应管段坐标P2(Xc2,Yc2,Zc2)以及总体旋转矩阵R代入管段形心的工程坐标值公式中可求得管段形心的工程坐标值。为提高监测计算精度和可靠度，取两个计算结果的算术平均值作为管段形心坐标。
X-4的过程具体为：
设管段某对接点对应管节坐标系的坐标值为(Xc(ki),Yc(ki),Zc(ki))，将X-3求得的(Xco,Yco,Zco)及对接点坐标值(Xck,Yck,Zck)代入工程坐标系与管节坐标系转换关系公式中，可求得控制点在工程坐标系的坐标值(Xs(ki),Ys(ki),Zs(ki))，如下式：
Figure BDA0003996932090000096
实施例一
本实施例中，GNSS系统采用GPS系统，惯导系统采用倾斜测量传感器系统，针对沉管浮运过程进行说明。
其中，GPS系统的管节平面定位采用RTK定位模式，高程采用GPS拟合高程。为了准确地将平面坐标和高程从GPS天线中心传递至管节各个控制点，需要进行安装点的标定。为保证标定精度不低于5mm，在管节顶推入水前采用高精度全站仪对同一坐标系下安装点和管节结构特征点(主要是端头的角点)三维坐标值进行标定。
控制点沿管节轴线方向布置3排，每排3个。中心位置的3个控制点采用带强制对中标记的钢标，其余控制点则采用标准棱镜杆安装基座，均以四周点焊方式固定到管顶。控制点不仅用于管节浮运过程中的GPS站点，也用于沉放过程中测量塔上GPS安装点的标定。
水位计安装在管节两侧，共设置4个安装点。在联合设计施工阶段确定好预安装位置，并在管节预制完成顶推入水前安装好预安装件并测出该点的三维坐标。
浮运前准备，将GPS系统在测量塔上校核，与实际值进行比对，平面互差应当≤3cm，高程互差应当≤6cm；倾斜测量传感器系统在水平板上检核；GPS系统在干坞内检核，与钢尺测量深度进行比对，测深互差应当≤1cm。校核完成后，按照要求调试和检查测量系统状况、通讯系统运行状况、网络数据库系统运行状况、软件系统运行状况及系统一体化组合运行状况。
然后进行技术、安全、文明施工交底。
浮运安装一体船起锚前检查，测量、通讯、数据库、软件系统进入工作状态，此时管节的三维模型实时状态已经显示在屏幕上，如图3所示，工作人员在安装船起锚前检查各系统是否正常。关键检查内容有：当前有效卫星数量、星历表查询的未来12小时内测区有效卫星数量、GPS站点坐标；管节三维模型与当前周边地形的逻辑一致性；管节坐标的逻辑合理性；管节模型与警戒线的逻辑一致性；管节姿态的逻辑合理性；通讯系统的传输速率和稳定性；数据库系统的输入输出正常性；软件控制测量系统的有效性和稳定性；软件接收数据并处理、建模、显示结果的即时性、流畅性和稳定性。
测量组监控并预测卫星数量和信号的稳定状况，做好故障发生的应急恢复准备；负责人根据监测结果分析和判断管节位置、姿态是否在安全区间，就出现的问题和潜在的问题作出应答，确保监测工作顺利进行。
管节浮运至指定位置，安装船抛锚稳定后结束浮运监测工作。
实施例二
本实施例针对管节沉放过程进行说明，本实施例管节沉放过程平面定位、高程测量设备及安装点定位均与实施例一相同，这里不多赘述。
本实施例中，利用GNSS RTK技术实时测量并转换至工程坐标系，利用姿态传感器实时采集管节倾斜角度，并依照观测数据建立三维模型，最后计算出对接点在工程坐标系中的坐标，作为管节对接的依据，具体的：
如图4所示，设管段公称尺寸为[L,D,h]，工程坐标系为(Xs,Ys,Zs)，取管段形心为坐标原点，建立管节坐标系(Xc,Yc,Zc)，管节坐标系原点对应于工程坐标值为(Xco,Yco,Zco)。设GPS-1距离管段顶面高度为H1，对应工程坐标P1(Xs1,Ys1,Zs1)，对应管段坐标为P1(Xc1,Yc1,Zc1)，即P1(Xc1,Yc1,H1+h/2)。设GPS-2距离管段顶面高度为H2，对应工程坐标为P2(Xs2,Ys2,Zs2)，对应管段坐标为P2(Xc2,Yc2,Zc2)即P2(Xc2,Yc2,H2+h/2)。惯导系统获得的基于坐标系X轴、Y轴、Z轴的旋转角度为(α,β,θ),根据坐标转换关系：
Figure BDA0003996932090000111
管段形心的工程坐标值为：
Figure BDA0003996932090000112
式中，rij表示管节坐标系与工程坐标系转换关系中的旋转矩阵R的i行j列元素，R(k),
Figure BDA0003996932090000117
R(ω)分别为绕工程坐标X轴、Y轴、Z轴旋转的旋转矩阵，分别如下式所示：
Figure BDA0003996932090000113
Figure BDA0003996932090000114
Figure BDA0003996932090000115
总体旋转矩阵如下：
Figure BDA0003996932090000116
Figure BDA0003996932090000121
将GPS-1测量点对应工程坐标值P1(Xs1,Ys1,Zs1)和GPS-1测量点对应管段坐标值P1(Xc1,Yc1,Zc1)以及总体旋转矩阵R代入管段形心的工程坐标值公式中可求得管段形心的工程坐标值P′0(X′co,Y′co,Z′co)，其中X′co、Y′co、Z′co求解结果如下式：
Figure BDA0003996932090000122
Figure BDA0003996932090000123
/>
Figure BDA0003996932090000124
将GPS-2测量点对应工程坐标值P2(Xs2,Ys2,Zs2)和GPS-2测量点对应管段坐标值P2(Xc2,Yc2,Zc2)以及总体旋转矩阵R代入管段形心的工程坐标值公式中可求得管段形心的工程坐标值P″o(X″co,Y″co,Z″co)，其中X″co、Y″co、Z″co求解结果如下式：
Figure BDA0003996932090000125
Figure BDA0003996932090000126
Figure BDA0003996932090000127
为提高监测计算精度和可靠度，取两个计算结果的算术平均值作为管段形心坐标值Po(Xco,Yco,Zco)，Xco、Yco、Zco的求解结果分别为下式：
Figure BDA0003996932090000128
Figure BDA0003996932090000129
Figure BDA0003996932090000131
如图5所示，为实现管段精准对接，选取管段端面4个控制点。各控制点对应管节坐标系的坐标值分别为k1(L/2,D/2,0)，k2(L/2,0,h/2)，k3(L/2,-D/2,0)，k4(L/2,0,-h/2)。
将上述计算获得的(Xco,Yco,Zco)作为坐标平移值代入工程坐标系与管节坐标系转换关系中，各控制点对应于工程坐标的坐标值可用下式分别计算。
Figure BDA0003996932090000132
控制点k1在工程坐标系中Xs(k1)、Ys(k1)、Zs(k1)分别为：
Figure BDA0003996932090000133
Figure BDA0003996932090000134
Figure BDA0003996932090000135
控制点k2在工程坐标系中Xs(k2)、Ys(k2)、Zs(k2)分别为：
Figure BDA0003996932090000136
Figure BDA0003996932090000137
Figure BDA0003996932090000141
控制点k3在工程坐标系中Xs(k3)、Ys(k3)、Zs(k3)分别为：
Figure BDA0003996932090000142
Figure BDA0003996932090000143
/>
Figure BDA0003996932090000144
控制点k4在工程坐标系中Xs(k4)、Ys(k4)、Zs(k4)分别为：
Figure BDA0003996932090000145
Figure BDA0003996932090000146
Figure BDA0003996932090000147
管段对接完成后关键点位的坐标复核，以及沉管的沉降和位移监测。
由此，本技术方案通过架设GNSS系统和惯导系统，能够准确、实时定位管段的实际姿态，GNSS系统和惯导系统的精度能够保证实际采集数据是正确的；
本技术方案具有模型完整性及可拓展性，管节三维模型采用设计单位提供的精确图纸而构建，并采用施工单位提供的最终施工修正值以修正模型，保证尺寸和现场实际模型一致性。三维模型最终可结合渲染软件进行场景渲染及美化，软件通过配置文件将模型读入并实现可视化，此外，输出结果能够以图形输出，结果清晰直观，且可进行实时对接距离等数据计算及输出，具有良好的直观性，方便用户及时准确获知当前管节状态，能够提供可靠的参考信息。

Claims (10)

1.一种沉管管节水中三维姿态测量系统，其特征在于，包括安装于沉管隧道管节(1)上的测量塔(2)，所述测量塔(2)上安装有GNSS系统(3)，所述沉管隧道管节(1)上还安装有惯导系统(4)，所述沉管隧道管节(1)的两侧安装有水位计(6)，所述沉管隧道管节(1)上还设置有用于标定GNSS系统(3)安装位置的控制点(5)，所述GNSS系统(3)、惯导系统(4)和水位计(6)均连接至后台进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的一种沉管管节水中三维姿态测量系统，其特征在于，所述测量塔(2)包括分别安装于沉管隧道管节(1)两端的主测量塔和副测量塔，所述主测量塔和副测量塔的顶部均安装有两个GNSS系统(3)。
3.根据权利要求2所述的一种沉管管节水中三维姿态测量系统，其特征在于，所述惯导系统(4)与主测量塔之间的水平间距在设定的距离范围内。
4.根据权利要求1所述的一种沉管管节水中三维姿态测量系统，其特征在于，所述沉管隧道管节(1)的两侧均安装有两个水位计(6)，所述水位计(6)包括但不限于浮子式水位计、光纤水位计、跟踪式水位计、压力式水位计、声波式水位计；
所述水位计(6)采用L型结构：一段采用钣条设计安装在沉管隧道管节(1)顶面侧边缘，另一段采用半圆钣金设计、并以点焊接方式固定到沉管隧道管节(1)外侧墙。
5.根据权利要求1所述的一种沉管管节水中三维姿态测量系统，其特征在于，所述GNSS系统(3)包括但不限于GPS系统、GLONASS系统、GALILEO系统及北斗卫星系统；
所述惯导系统(4)包括但不限于捷联式惯性导航系统、解析式惯性导航系统、半解析式惯性导航系统。
6.根据权利要求1所述的一种沉管管节水中三维姿态测量系统，其特征在于，所述沉管隧道管节(1)的轴线方向等间距均匀布置有多组控制点(5)。
7.一种沉管管节水中三维姿态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在待测量的各管节相应位置分别安装GNSS系统、惯导系统和水位计；
S2、对安装点进行标定，标定内容为同一坐标系下安装点和管节结构特征点的三维坐标值；
S3、GNSS系统采集沉管的位置信息并传输至后台；惯导系统采集沉管的姿态信息并传输至后台；水位计采集沉管干舷值并传输至后台；
S4、根据设计图纸预先建立三维模型，并根据现场实际情况对该三维模型进行验证；
S5、基于步骤S3采集的沉管现场数据，驱动三维模型动作，根据预先构建的工程坐标系与管段坐标之间的转换关系，计算得到相邻管节对接点在工程坐标系中的坐标。
8.根据权利要求7所述的一种沉管管节水中三维姿态测量方法，其特征在于，所述步骤S5中工程坐标系与管段坐标之间的转换关系的构建过程为：
S51、以沉管形心为坐标原点，以沉管轴向为X轴，以沉管横向为Y轴建立沉管三维坐标系；
S52、测量管段中各控制点在沉管三维坐标系中的三维坐标，其中，控制点包括但不限于管段连接点、GNSS观测点；
S53、根据GNSS系统测得的管节平面位置惯导系统测得的管节倾斜角度，建立工程坐标系与管段坐标之间的转换关系。
9.根据权利要求8所述的一种沉管管节水中三维姿态测量方法，其特征在于，所述步骤S53的具体过程为：
设定工程坐标系为(Xs,Ys,Zs)，管段上的任意2个GNSS测量点对应工程坐标为P1(Xs1,Ys1,Zs1)和P2(Xs2,Ys2,Zs2)；
取管段形心为坐标原点，建立管节坐标系(Xc,Yc,Zc)，2个GNSS测量点对应管段坐标为P1(Xc1,Yc1,Zc1)和P2(Xc2,Yc2,Zc2)，管节坐标系原点对应于工程坐标值为(Xco,Yco,Zco)，即平移坐标，惯导系统获得的基于工程坐标系X轴、Y轴、Z轴的旋转角度为(α,β,θ)，即旋转坐标，根据坐标转换关系：
Figure FDA0003996932080000021
得到管段形心的工程坐标值为：
Figure FDA0003996932080000022
其中，rij为管节坐标系与工程坐标系转换关系中旋转矩阵R的第i行j列元素，R(k)、
Figure FDA0003996932080000031
R(ω)分别为绕工程坐标X轴、Y轴、Z轴旋转的旋转矩阵，分别如下式所示：
Figure FDA0003996932080000032
Figure FDA0003996932080000033
Figure FDA0003996932080000034
总体旋转矩阵如下：
Figure FDA0003996932080000035
将一个GNSS测量点对应工程坐标值P1(Xs1,Ys1,Zs1)和此测量点对应管段坐标值P1(Xc1,Yc1,Zc1)以及总体旋转矩阵R代入管段形心的工程坐标值公式中，即可求得管段形心的第一工程坐标值；
将另一GNSS测量点对应工程坐标值P2(Xs2,Ys2,Zs2)和此测量点对应管段坐标P2(Xc2,Yc2,Zc2)以及总体旋转矩阵R代入管段形心的工程坐标值公式中，即可求得管段形心的第二工程坐标值；
将管段形心的第一工程坐标值和第二工程坐标值的算术平均值作为管段形心坐标。
10.根据权利要求9所述的一种沉管管节水中三维姿态测量方法，其特征在于，所述步骤S5中相邻管节对接点在工程坐标系中的坐标的计算过程具体为：
设定管段某对接点对应管节坐标系的坐标值为(Xc(ki),Yc(ki),Zc(ki))，将管节坐标系原点对应于工程坐标值为(Xco,Yco,Zco)以及对接点坐标值(Xc(ki),Yc(ki),Zc(ki))代入工程坐标系与管节坐标系转换关系公式中，即可求得控制点在工程坐标系的坐标值(Xs(ki),Ys(ki),Zs(ki))为：
Figure FDA0003996932080000036
/>
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