CN117452413B - 一种沉管隧道管节安装声呐定位方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种沉管隧道管节安装声呐定位方法及系统，属于海洋工程技术领域，根据沉放船上的接收装置定位待沉管节顶部首尾安装的声源的位置，并基于待沉管节上的姿态传感器确定待沉管节的姿态，根据测量得到位置和姿态确定待沉管节的位置和方向，将待沉管节沉放到基床设定位置；根据已沉管节上的接收装置定位待沉管节对接端顶部两侧安装的预设构型声源阵列的位置，或者，根据待沉管节上的接收装置定位已沉管节对接端顶部两侧安装的预设构型声源阵列的位置，确定待沉管节的精确位置和精确方向，引导待沉管节与已沉管节进行对接。本发明在对接定位阶段，通过布设有预设构型声源阵列对声呐定位信号进行约束，提高声呐定位的可靠度和精度。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程技术领域，尤其涉及一种沉管隧道管节安装声呐定位方法及系统。
背景技术
沉管隧道采用工场预制管节，浮运到现场沉放安装的建设工艺。水下已沉管节和待沉管节的安装对接是沉管隧道建设的重要环节，沉放对接定位技术是关键技术。当前，沉管管节对接一般采用卫星测量塔的方法，在待沉管节顶部两端安装高于水面的卫星测量塔，将水下定位转为水上定位，但测量塔变形影响定位精度，且塔高受限，安装拆卸耗时费力，管节的免测量塔安装一直是沉管隧道安装定位没有突破的关键技术。
建设过程中，每沉放安装完一节管节就会进行贯通测量，并根据贯通测量的结果计算下一节待沉管节的理论位置，待沉管节沉放安装主要是将管节沉放安装到计算得到的理论位置。
管节沉放安装一般分为两个节段，一是沉放阶段，其核心工作是将管节逐步沉放到基床，并使得待沉管节与已沉管节保持大约2米左右距离，二是对接阶段，其核心工作是保证两管节中轴线平行，且非对接端偏离理论位置的大小满足对接要求，一般要求不大于2厘米/100米。
与测量塔方法通过水上实时动态载波相位差分技术（Real-time Kinematic，RTK）进行水下定位不同，管节免测量塔安装多采用光学或声学方法。对于光学方法，在对接过程中由于水体受到扰动，造成水体浑浊，光学定位精度难以保证，甚至无法完成定位，而水声定位不会存在这方面的影响，但是水声定位容易受温度、盐度、深度等环境影响，精度和可靠性差。
发明内容
本发明提供一种沉管隧道管节安装声呐定位方法及系统，用以解决现有技术中水声定位容易受温度、盐度、深度等环境影响，精度和可靠性差的缺陷。
本发明提供一种沉管隧道管节安装声呐定位方法，基于安装定位系统实现，所述安装定位系统包括沉放定位子系统和对接定位子系统，所述方法包括：
根据沉放船上的接收装置定位待沉管节顶部首尾安装的声源装置的位置，并基于所述待沉管节上安装的姿态传感器确定所述待沉管节的姿态信息，根据所述声源装置的位置和所述姿态信息确定所述待沉管节的位置和方向，将所述待沉管节沉放到基床设定位置；
根据已沉管节上安装的接收装置定位所述待沉管节对接端顶部两侧安装的预设构型声源阵列的位置，或者，根据所述待沉管节上安装的接收装置定位所述已沉管节对接端顶部两侧安装的预设构型声源阵列的位置，确定所述待沉管节的精确位置和精确方向，引导所述待沉管节与所述已沉管节进行对接。
根据本发明提供的一种沉管隧道管节安装声呐定位方法，所述沉放定位子系统包括安装在船艏艉的第一接收装置和安装在所述待沉管节顶部首尾的第一声源装置，所述第一声源装置在所述待沉管节上的位置通过安装标定确定；所述根据沉放船上的接收装置定位待沉管节顶部首尾安装的声源装置的位置，包括：
通过所述沉放船上的卫星传感器和惯性测量单元确定所述第一接收装置的位置；
根据所述第一接收装置的位置、所述第一声源装置在所述待沉管节上的位置和所述第一声源装置发出的声呐定位信号，确定所述第一声源装置的位置。
根据本发明提供的一种沉管隧道管节安装声呐定位方法，所述根据所述声源装置的位置和所述姿态信息确定所述待沉管节的位置和方向，将所述待沉管节沉放到基床设定位置，包括：
根据所述第一声源装置的位置，分别确定所述待沉管节在工程坐标系下的位置和所述待沉管节在工程坐标系下的方向角；
根据所述待沉管节的位置和所述基床设定位置，确定所述待沉管节的沉放平移参数；
根据所述方向角和经贯通测量确定的所述待沉管节的理论方向角，确定所述待沉管节的沉放水平旋转角度；
根据所述姿态信息确定所述待沉管节的俯仰角，并根据所述俯仰角确定所述待沉管节的沉放水平调节角度；
将所述沉放平移参数、所述沉放水平旋转角度和所述沉放水平调节角度反馈给所述沉放船上的执行系统，以便所述执行系统对所述待沉管节进行平移、旋转和调节，将所述待沉管节沉放到基床设定位置。
根据本发明提供的一种沉管隧道管节安装声呐定位方法，所述对接定位子系统包括安装在所述已沉管节对接端上的第二接收装置和安装在所述待沉管节对接端顶部两侧的第二声源装置，或者，包括安装在所述已沉管节对接端上的第二声源装置和安装在所述待沉管节对接端顶部两侧的第二接收装置；所述确定所述待沉管节的精确位置和精确方向，包括：
所述第二接收装置根据所述第二声源装置的声呐定位信号确定所述第二声源装置的声源阵列中每个声源的位置；
根据所述声源阵列的预设构型对所述声源阵列每个声源的位置进行拟合修正，确定所述待沉管节的精确位置和精确方向。
根据本发明提供的一种沉管隧道管节安装声呐定位方法，所述第二声源装置的声源数量为1个时，在准静态条件下对所述待沉管节进行定位观测，所述第二接收装置在预设时间内根据所述第二声源装置的声呐定位信号获取所述第二声源装置的多个位置数据，对所述位置数据进行筛选和平均处理，得到所述第二声源装置的声源坐标。
根据本发明提供的一种沉管隧道管节安装声呐定位方法，所述第二声源装置的声源数量为多个时，所述根据所述声源阵列的预设构型对所述声源阵列每个声源的位置进行拟合修正，确定所述待沉管节的精确位置和精确方向，包括：
基于预设拟合算法将所述声源阵列的位置拟合为所述声源阵列的预设构型，确定拟合最优解；
基于所述拟合最优解对所述声源阵列的位置进行修正，得到所述待沉管节的精确位置和精确方向。
根据本发明提供的一种沉管隧道管节安装声呐定位方法，所述第二声源装置相同位置的声源构成声源对，所述引导所述待沉管节与所述已沉管节进行对接，包括：
根据所述第二声源装置的声源阵列的坐标以及所述第二声源装置的声源阵列的理论坐标，确定所述待沉管节的对接平移参数；
根据所述声源对的坐标连线，确定所述声源对与所述待沉管节的中轴线的观测夹角；
根据所述观测夹角以及预设的参考夹角，确定所述待沉管节的对接旋转参数；
将所述对接平移参数和所述对接旋转参数反馈给所述沉放船上的执行系统，以便所述执行系统对所述待沉管节进行平移和旋转，实现所述待沉管节与所述已沉管节的对接。
根据本发明提供的一种沉管隧道管节安装声呐定位方法，还包括：
对所述声源对的坐标连线进行筛选或对所述对接旋转参数进行筛选以优化所述对接旋转参数。
根据本发明提供的一种沉管隧道管节安装声呐定位方法，所述待沉管节上的声源装置的声源的频率和所述已沉管节上的声源装置的声源的频率互不相同。
本发明还提供一种沉管隧道管节安装声呐定位系统，包括：
沉放定位子系统，用于根据沉放船上的接收装置定位待沉管节顶部首尾安装的声源装置的位置，并基于所述待沉管节上安装的姿态传感器确定所述待沉管节的姿态信息，根据所述声源装置的位置和所述姿态信息确定所述待沉管节的位置和方向，将所述待沉管节沉放到基床设定位置；
对接定位子系统，根据已沉管节上安装的接收装置定位所述待沉管节对接端顶部两侧安装的预设构型声源阵列的位置，或者，根据所述待沉管节上安装的接收装置定位所述已沉管节对接端顶部两侧安装的预设构型声源阵列的位置，确定所述待沉管节的精确位置和精确方向，引导所述待沉管节与所述已沉管节进行对接。
本发明提供的一种沉管隧道管节安装声呐定位方法及系统，通过在对接定位阶段，通过布设有预设构型声源阵列对声呐定位信号进行约束，提高声呐定位的可靠度和精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要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是本发明提供的水声定位系统的安装示意图；
图2是本发明提供的沉管隧道管节安装声呐定位方法的流程示意图；
图3是本发明提供的步骤S210的流程示意图；
图4是本发明提供的管节沉放的流程示意图；
图5是本发明提供的步骤S220的流程示意图；
图6是本发明提供的第二声源装置和第二接收装置的结构示意图；
图7是本发明提供的步骤S520的流程示意图；
图8是本发明提供的管节对接的流程示意图；
图9是本发明提供的第二声源装置中声源对的结构示意图；
图10是本发明提供的沉管隧道管节安装声呐定位系统的结构示意图；
图11是本发明提供的基于沉管隧道管节安装声呐定位系统实现的管节安装流程示意图。
附图标记：
1-待沉管节、2-已沉管节、3-第一声源装置、4-第二声源装置、5-第一接收装置、6-第二接收装置、7-姿态传感器。
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。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
本发明提出一种沉管隧道管节安装声呐定位方法，将管节安装定位分为沉放定位和对接定位两个阶段，沉放船根据多套水声定位系统测量得到的待沉管节水下位置和姿态，进行管节沉放与对接。水声定位系统分为声源装置和接收装置。声源装置可以是单个声源，也可以是多个声源组成的特定构型的声源阵列；接收装置由四个或四个以上水听器组成的接收阵列，还可以引入光学、拉线等技术辅助。
可选的，水声定位系统还可采用短基线、超短基线、或混合基线定位系统构成，短基线定位系统（Short Baseline Positioning System，SBAS）是一种基于GPS技术的定位系统，用于在相对较短的距离范围内进行精确测量，SBAS系统由一组水下接收器和水下传感器组成，可以测量水下传感器相对于水下接收器的位置和姿态，从而确定水下结构物的位置和姿态。超短基线定位系统（Ultra-Short Baseline Positioning System，USBL）是一种用于水下定位的技术，通常由水下声纳、水下传感器和水面控制单元组成。USBL系统通过在水下发射声波信号，并在水面控制单元上接收反射回来的信号，从而确定水下设备的位置。混合基线定位系统是一种结合了不同类型基线的定位系统。通常情况下，混合基线定位系统结合了短基线和长基线两种定位技术，以实现更高精度和更可靠的定位结果。
管节安装过程中，首先将管节从水面下沉到基床，并保持两管节相距一定距离。此过程中，管节既要下沉，也需要逐步向已沉管节靠拢；沉放到基床后，两管节高程几乎等高，但相距一定距离，然后开始对接，此过程中，管节将以平移运动为主。
图1是本发明提供的水声定位系统的安装示意图，参照图1所示的多套水声定位系统安装的一个实施例，待沉管节1上表面设有至少一声源装置，沉放船上设有对应的接收装置，用于确定待沉管节1与沉放船之间的距离，从而确定待沉管节1的水下位置，待沉管节1靠近已沉管节2的一端设有至少一声源装置，已沉管节2上设有对应的接收装置，用于确定待沉管节1与已沉管节2之间的距离，从而实现待沉管节1与已沉管节2的对接，图1中的xyz为大地坐标系。
图2是本发明提供的沉管隧道管节安装声呐定位方法的流程示意图，如图2所示，本发明提供一种沉管隧道管节安装声呐定位方法，基于安装定位系统实现，所述安装定位系统包括沉放定位子系统和对接定位子系统，所述方法包括：
步骤S210，根据沉放船上的接收装置定位待沉管节1顶部首尾安装的声源装置的位置，并基于所述待沉管节1上安装的姿态传感器7确定所述待沉管节1的姿态信息，根据所述声源装置的位置和所述姿态信息确定所述待沉管节1的位置和方向，将所述待沉管节1沉放到基床设定位置；
具体的，待沉管节1顶部首尾安装的声源装置为第一声源装置3，沉放船下表面设有与所述第一声源装置3对应的第一接收装置5。第一声源装置3发出声呐定位信号，第一接收装置5接收声呐定位信号，根据接收到声呐定位信号的时间，确定待沉管节1与沉放船之间的距离，沉放船的位置可通过船载全球导航卫星系统（Global Navigation SatelliteSystem，GNSS）和船载惯性测量单元(Inertial measurement unit，IMU)确定。即沉放船在图1所示的坐标系的坐标是已知的，通过第一声源装置3和第一接收装置5确定待沉管节1与沉放船之间的距离后，即可确定待沉管节1在图1所示坐标系中的坐标，将待沉管节1的坐标作为待沉管节1的水下位置。
第一声源装置3在待沉管节1上的安装位置预先标定，第一声源装置3可为多个，构成预设的形状，比如设在待沉管节1中轴线上的线段或者设在待沉管节1上表面的三角形或多边形或圆形等等，也可以是设在待沉管节1上表面的多条线段，可以根据不同形状的声源装置的声呐定位信号之间的关系确定待沉管节1的位姿。还可通过对多个第一声源装置3声呐定位信号进行平均、剔除异常值等操作提高定位精度。
步骤S220，根据已沉管节2上安装的接收装置定位所述待沉管节1对接端顶部两侧安装的预设构型声源阵列的位置，或者，根据所述待沉管节1上安装的接收装置定位所述已沉管节2对接端顶部两侧安装的预设构型声源阵列的位置，确定所述待沉管节1的精确位置和精确方向，引导所述待沉管节1与所述已沉管节2进行对接。
以已沉管节2上安装接收装置为例，已沉管节2上安装的接收装置为第二接收装置6，待沉管节1上安装有第二声源装置4，第二声源装置为预设构型声源阵列。
具体的，待沉管节1的理论位置通过贯通测量确定，可通过待沉管节1的理论位置、预先确定的已沉管节2的位置以及预先确定的基床设定位置与已沉管节2之间的距离确定，一般情况下，基床设定位置是与已沉管节2保持大约2米左右距离。
若待沉管节1已到达基床设定位置，表示待沉管节1从沉放阶段进入对接阶段。
待沉管节1靠近已沉管节2的一端设有至少一第二声源装置4，已沉管节2靠近待沉管节1的一端设有与第二声源装置4对应的第二接收装置6，第二声源装置4发出声呐定位信号，第二接收装置6接收声呐定位信号，根据接收到声呐定位信号的时间，确定待沉管节1与已沉管节2之间的距离。其中，第二接收装置6的位置和姿态通过贯通测量确定。在其他实施例中，还可将第二声源装置4安装在已沉管节2上，第二接收装置6安装在待沉管节1上。
第二声源装置4的声源按照预设构型排布，预设构型的声呐定位信号具有与预设构型对应的关系，可通过预设构型对待沉管节1与已沉管节2之间的距离或待沉管节1的坐标进行修正，实现对待沉管节1的定位，还可提高声呐定位准确性。第二声源装置4内的声源数量可根据需求灵活增减，预设构型可为任意形状，本发明对此不做限定。
可选的，所述第一声源装置3的每个声源的频率和所述第二声源装置4的每个声源的频率互不相同，避免相互干扰。
可选的，第一声源装置3和第二声源装置4包括至少一声源和结构件，声源固定在结构件上，结构件由预设强度材料制成，需确保所需的强度，保证管节对接过程中各个声源间不会发生相对位移。
可以理解的是，沉放阶段对定位精度要求不高，只需通过第一声源装置3和第一接收装置5对待沉管节1进行水下定位即可，对接阶段对定位精度要求高，本发明通过预设构型声源阵列对声呐定位信号进行约束，对第二声源装置4的声呐定位信号确定的定位信息进行修正和优化，提高声呐定位的可靠度和精度。
图3是本发明提供的步骤S210的流程示意图，如图3所示，在上述实施例的基础上，作为一个可选的实施例，所述沉放定位子系统包括安装在船艏艉的第一接收装置5和安装在所述待沉管节1顶部首尾的第一声源装置3，所述第一声源装置3在所述待沉管节1上的位置通过安装标定确定；所述根据沉放船上的接收装置定位待沉管节顶部首尾安装的声源装置的位置，包括：
步骤S310，通过所述沉放船上的卫星传感器和惯性测量单元确定所述第一接收装置5的位置；沉放船的位置可通过船载全球导航卫星系统（Global Navigation SatelliteSystem，GNSS）和船载惯性测量单元(Inertial measurement unit，IMU)确定。
在步骤S310中，根据每一所述第一声源装置3的声呐定位信号以及沉放船的位置，确定每一所述第一声源装置3在大地坐标系或工程坐标系中的坐标。
步骤S320，根据所述第一接收装置5的位置、所述第一声源装置3在所述待沉管节1上的位置和所述第一声源装置3发出的声呐定位信号，确定所述第一声源装置3的位置。
具体的，两个第一声源装置3设在所述待沉管节1上表面的中轴线处，待沉管节1中轴线的位置和方向通过贯通测量后计算得到，待沉管节1上声源装置中各声源点的理论位置通过贯通测量后计算得到。
在步骤S320中，沉放船在图1所示的坐标系的坐标是已知的，通过第一声源装置3和第一接收装置5确定待沉管节1与沉放船之间的距离后，即可确定待沉管节1在图1所示坐标系中的坐标，将待沉管节1的坐标作为待沉管节1的水下位置。
将所述第一声源装置3的坐标作为所述待沉管节1的水下位置，还可根据两个第一声源装置3的z轴数据确定待沉管节1与沉放船之间的夹角。
可以理解的是，本发明提供了一种通过第一声源装置3和第一接收装置5确定第一声源装置3的位置的技术方案，无需设置测量塔，降低了安装成本，解决了光学定位精度难以保证，甚至无法完成定位的问题。
图4是本发明提供的管节沉放的流程示意图，如图4所示，在上述实施例的基础上，作为一个可选的实施例，所述根据所述声源装置的位置和所述姿态信息确定所述待沉管节的位置和方向，将所述待沉管节沉放到基床设定位置，包括：
步骤S410，根据所述第一声源装置3的位置，分别确定所述待沉管节1在工程坐标系下的位置和所述待沉管节1在工程坐标系下的方向角；
步骤S420，根据所述待沉管节1的位置和所述基床设定位置，结合安装规范设定要求，确定所述待沉管节1的沉放平移参数；一般工程上安装规范设定要求会设定待沉管节1每次向前移动的最大距离，若待沉管节1的位置和所述基床设定位置之间的距离差大于最大距离，则沉放平移参数则等于最大距离，并进行多次平移，否则，沉放平移参数为待沉管节1的位置和所述基床设定位置之间的距离差，只需进行一次平移。
步骤S430，根据所述方向角和经贯通测量确定的所述待沉管节1的理论方向角，确定所述待沉管节的沉放水平旋转角度；具体的，一般情况下，所述方向角与理论方向角的偏差比较小，不需要设定每次调整角度的阈值，也就是说，沉放水平旋转角度的取值为方向角和理论方向角的差值，只需要一次旋转即可。
步骤S440，根据所述姿态信息确定所述待沉管节1的俯仰角，并根据所述俯仰角确定所述待沉管节1的沉放水平调节角度；俯仰角即为待沉管节1与z轴平面的角度，通过调整沉放水平调节角度，即可将待沉管节1调整为与z轴平面平行。
步骤S450，将所述沉放平移参数、所述沉放水平旋转角度和所述沉放水平调节角度反馈给所述沉放船上的执行系统，以便所述执行系统对所述待沉管节1进行平移、旋转和调节，将所述待沉管节沉放到基床设定位置。
若待沉管节1未到达基床设定位置，继续下沉待沉管节1，对下沉管节进行持续定位，由于沉放是从水面向基床运动，此过程中，温度、盐度、深度变化大，水声定位精度较差，但此阶段的主要目的是将管节沉放到基床设定位置，精度要求较低，可以称之为引导。
第一声源装置3包括至少一声源，本实施例以一个声源为例进行说明。
通过解算两个第一声源装置3的声源坐标，此坐标在大地坐标系中，可以通过两个第一声源装置3的水平坐标计算出待沉管节1的中轴线在工程坐标系下的方向角/>：
；
通过安装在待沉管节1上的姿态传感器7，可以实时获得待沉管节1的俯仰角。当待沉管节1下沉过程中，利用待沉管节1中轴线当前方向角和根据贯通测量计算的待沉管节1的理论方向角计算中轴线水平旋转角度参数，根据第一声源装置3和第一接收装置5测量的待沉管节1的水下位置和设定的需要移动到的基床设定位置计算平移参数，根据姿态传感器7得到的俯仰角计算水平调节参数，实时反馈给沉放船的执行系统控制待沉管节1沉放至基床设定位置。
可以理解的是，本发明通过第一声源装置3和姿态传感器7实现待沉管节1在沉放阶段的控制，无需设置测量塔，降低成本。
图5是本发明提供的步骤S220的流程示意图，如图5所示，在上述实施例的基础上，作为一个可选的实施例，所述对接定位子系统包括安装在所述已沉管节对接端上的第二接收装置6和安装在所述待沉管节对接端顶部两侧的第二声源装置4，或者，包括安装在所述已沉管节对接端上的第二声源装置4和安装在所述待沉管节对接端顶部两侧的第二接收装置6；所述确定所述待沉管节的精确位置和精确方向，包括：
步骤S510，所述第二接收装置6根据所述第二声源装置4的声呐定位信号确定所述第二声源装置4的声源阵列中每个声源的位置；
步骤S520，根据所述声源阵列的预设构型对所述声源阵列每个声源的位置进行拟合修正，确定所述待沉管节的精确位置和精确方向。
图6是本发明提供的第二声源装置和第二接收装置的结构示意图，如图6所示，以第二声源装置4的左下角为原点，第二声源装置4左下角与右下角为Y轴，第二声源装置4左下角与左上角为Z轴，构建声源装置坐标系，根据预设构型即可确定第二声源装置4中每个声源的坐标。设第二声源装置4中每个声源的坐标，k为第二声源装置4编号，i为第二声源装置4中的声源编号。
第二声源装置4中的声源按照预设构型组成声源阵列，沉管对接开始时，待沉管节1和已沉管距离较近，且几乎等高，每个第二声源装置4通过向各自对应的第二接收装置6解算各自的声源坐标，将解算出的坐标值作为观测坐标。具体的，通过建立声源与水听器之间的测量方程，进行多次迭代解算，即可解算得到观测坐标。
随着待沉管节1和已沉管节2之间的距离越来越近，第二声源装置4和第二接收装置6的定位精度越来越高。预设构型上多个声源之间的关系已知，水声定位系统获取每个声源位置具有误差，为此，可通过以下两种方法提高声源位置精确度，1）每个声源进行多次定位，可以得到一个时序结果，可以进行平差计算，提供定位的可靠性和精度；2）多个声源的定位结果以标准坐标为参考进行拟合，方差最小时为最优定位结果，可以进一步提高定位的可靠性和精度。在其他实施例中，两个方法还可结合使用，以提高定位的可靠性和精度。
可选的，所述第二声源装置的声源数量为1个时，在准静态条件下对所述待沉管节进行定位观测，所述第二接收装置在预设时间内根据所述第二声源装置的声呐定位信号获取所述第二声源装置的多个位置数据，对所述位置数据进行筛选和平均处理，得到所述第二声源装置的声源坐标。
沉管对接不是连续运动过程，一般是在准静态条件下定位观测，然后再移动，因此，可以在t时间内重复观测，得到n个观测值，每个声源可以得到一个时序数据集合，即声呐序列信号。
如果每个第二声源装置4中只有1个声源，可以先对声呐序列信号进行离群数据筛查，然后对筛查后的声呐序列信号平差或直接平均，各第二声源装置4中声源坐标的计算公式如下：
；
其中，为第k个第二声源装置4中声源坐标，/>为第k个第二声源装置4第j个声源坐标。
如果每个第二声源装置4包括多个声源，先按照上式计算每个声源坐标，得到各第二声源装置4中每个声源的观测坐标，观测坐标是点云数据。
图7是本发明提供的步骤S520的流程示意图，如图7所示，可选的，所述第二声源装置4的声源数量为多个时，所述根据所述声源阵列的预设构型对所述声源阵列每个声源的位置进行拟合修正，确定所述待沉管节的精确位置和精确方向，包括：
步骤S710，基于预设拟合算法将所述声源阵列的位置拟合为所述声源阵列的预设构型，确定拟合最优解；
步骤S720，基于所述拟合最优解对所述声源阵列的位置进行修正，得到所述待沉管节的精确位置和精确方向。
可通过点云配准算法（Iterative Closest Point，ICP）对所述标准坐标和所述观测坐标进行点云配准，点云配准算法用于将两个或多个点云数据集对齐，使它们在同一坐标系下重叠，该算法通过迭代优化来最小化两个点云之间的距离，从而实现点云的配准。
将第二声源装置4中观测坐标对应的点云数据记为A，已知第二声源装置4中各声源点在声源装置坐标系中的理论坐标为，理论坐标为不变的已知点云，记为B，对A和B进行点云配准，配准后计算每个声源观测坐标所需的修正量，通过最小二乘法确定坐标方差，并评估，确定最优修正量后，基于最优修正量对所述观测坐标进行优化包括将最优修正量与观测坐标进行线性加减。
可以理解的是，本发明将预设构型作为约束，对第二声源装置4的声呐定位信号确定的定位信息进行修正和优化，提高声呐定位的可靠度和精度。
图8是本发明提供的管节对接的流程示意图，如图8所示，在上述实施例的基础上，作为一个可选的实施例，所述第二声源装置相同位置的声源构成声源对，所述引导所述待沉管节与所述已沉管节进行对接，包括：
步骤S810，根据所述第二声源装置的声源阵列的坐标以及所述第二声源装置的声源阵列的理论坐标，结合安装规范设定要求，确定所述待沉管节的对接平移参数；一般工程上安装规范设定要求会设定待沉管节1每次向前对接移动的最大距离，若待沉管节1的位置和所述已沉管节2之间的距离差大于最大距离，则对接平移参数则等于最大距离，并进行多次平移，否则，对接平移参数为待沉管节1的位置和已沉管节2之间的距离差，只需进行一次平移。
步骤S820，根据所述声源对的坐标连线，确定所述声源对与所述待沉管节的中轴线的观测夹角；
步骤S830，根据所述观测夹角以及预设的参考夹角，确定所述待沉管节的对接旋转参数；还可对所述声源对的坐标连线进行筛选或对所述对接旋转参数进行筛选以优化所述对接旋转参数。
步骤S840，将所述对接平移参数和所述对接旋转参数反馈给所述沉放船上的执行系统，以便所述执行系统对所述待沉管节进行平移和旋转，实现所述待沉管节与所述已沉管节的对接。
管节对接包括两个参数，一是待沉管节1平移的距离，而是待沉旋转的角度，此时，不考虑管节俯仰情况。
可通过第二声源装置4向第二接收装置6发送声呐定位信号确定第二接收装置6和第二声源装置4之间的距离，再根据已经预先确定的第二接收装置6在大地坐标系中的坐标，至少确定第二声源装置4的声源在大地坐标系的x坐标和y坐标。
平移的目的是为了将待沉管节1向已沉管节2移动，并保证中轴线与其贯通测量得到的理论中轴线对齐，x方向移动距离根据施工要求设定，y方向移动距离通过所述第二声源装置4的声源的y坐标与声源的理论坐标y之差计算得到。
图9是本发明提供的第二声源装置4中声源对的结构示意图，如图9所示，两个第二声源装置4设在待沉管节1的同一垂直平面上，相同位置的声源构成声源对，预先测量得到声源对连线与管节中轴线的夹角作为理论夹角，这个角度在管节安装过程中不发生变化。
管节旋转的目的是为了待沉管节1中轴线与其贯通测量得到的理论中轴线平行，对于计算得到的两个第二声源装置4中声源坐标，计算声源对连线与待沉管节1理论中轴线的夹角与参考角度的差值得到旋转参数。可选的，还对所述声源对的坐标进行筛选或对所述旋转参数进行筛选以优化所述对接控制指令。
将所述平移参数和所述旋转参数反馈给沉放船的执行系统，沉放船的执行系统根据平移参数对待沉管节1进行平移，根据旋转参数对待沉管节1进行选择，最终实现管节安装。
可以理解的是，本发明通过第二声源装置4实现管节对接，使用水声技术实现沉管隧道管节免测量塔对接安装定位。
下面对本发明提供的沉管隧道管节安装声呐定位系统进行描述，下文描述的沉管隧道管节安装声呐定位系统与上文描述的沉管隧道管节安装声呐定位方法可相互对应参照。
图10是本发明提供的沉管隧道管节安装声呐定位系统的结构示意图，如图10所示，本发明还提供一种沉管隧道管节安装声呐定位系统，包括：
沉放定位子系统1010，用于根据沉放船上的接收装置定位待沉管节1顶部首尾安装的声源装置的位置，并基于所述待沉管节1上安装的姿态传感器7确定所述待沉管节的姿态信息，根据所述声源装置的位置和所述姿态信息确定所述待沉管节1的位置和方向，将所述待沉管节1沉放到基床设定位置；
对接定位子系统1020，根据已沉管节2上安装的接收装置定位所述待沉管节1对接端顶部两侧安装的预设构型声源阵列的位置，或者，根据所述待沉管节1上安装的接收装置定位所述已沉管节2对接端顶部两侧安装的预设构型声源阵列的位置，确定所述待沉管节1的精确位置和精确方向，引导所述待沉管节1与所述已沉管节2进行对接。
图11是本发明提供的基于沉管隧道管节安装声呐定位系统实现的管节安装流程示意图，如图11所示，管节安装过程中，首先将管节从水面下沉到基床，并保持两管节相距一定距离。此过程中，管节既要下沉，也需要逐步向已沉管节2靠拢；沉放到基床后，两管节高程几乎等高，但相距一定距离，然后开始对接，此过程中，管节将以平移运动为主。
沉放初始阶段，由于两管节高差大，对接定位系统一般不会有正确数据，定位数据以沉放系统位置为主，指导沉放，随着两管节高差逐步缩小，当对接定位系统有准确数据时，定位数据以对接系统为主，指导沉放和对接。
通过沉放定位系统，对下沉管节进行持续定位，由于沉放是从水面向基床运动，此过程中，温度、盐度、深度变化大，水声定位精度较差，但此阶段的主要目的是将管节沉放到待对接区域，精度要求较低，可以称之为引导。
管节对接精度要求高，在对接阶段，两管节距离近，且几乎等高，此时温度、深度、盐度等环境影响小，对水声定位有利，通过引入预设构型作为观测真值，将能有效提高水声定位的可靠性，并保障精度，其构型可以根据情况而定。
可以理解的是，本发明使用水声定位系统实现沉管隧道管节免测量塔对接安装定位，还利用预设构型约束提供先验信息提高水声对接定位的可靠性和精度。
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。
Claims (6)
1.一种沉管隧道管节安装声呐定位方法，其特征在于，基于安装定位系统实现，所述安装定位系统包括沉放定位子系统和对接定位子系统，所述方法包括：
根据沉放船上的接收装置定位待沉管节顶部首尾安装的声源装置的位置，并基于所述待沉管节上安装的姿态传感器确定所述待沉管节的姿态信息，根据所述声源装置的位置和所述姿态信息确定所述待沉管节的位置和方向，将所述待沉管节沉放到基床设定位置；
根据已沉管节上安装的接收装置定位所述待沉管节对接端顶部两侧安装的预设构型声源阵列的位置，或者，根据所述待沉管节上安装的接收装置定位所述已沉管节对接端顶部两侧安装的预设构型声源阵列的位置，确定所述待沉管节的精确位置和精确方向，引导所述待沉管节与所述已沉管节进行对接；
所述根据所述声源装置的位置和所述姿态信息确定所述待沉管节的位置和方向，将所述待沉管节沉放到基床设定位置，包括：
根据第一声源装置的位置，分别确定所述待沉管节在工程坐标系下的位置和所述待沉管节在工程坐标系下的方向角；
根据所述待沉管节的位置和所述基床设定位置，确定所述待沉管节的沉放平移参数；
根据所述方向角和经贯通测量确定的所述待沉管节的理论方向角，确定所述待沉管节的沉放水平旋转角度；
根据所述姿态信息确定所述待沉管节的俯仰角，并根据所述俯仰角确定所述待沉管节的沉放水平调节角度；
将所述沉放平移参数、所述沉放水平旋转角度和所述沉放水平调节角度反馈给所述沉放船上的执行系统，以便所述执行系统对所述待沉管节进行平移、旋转和调节，将所述待沉管节沉放到所述基床设定位置；
所述对接定位子系统包括安装在所述已沉管节对接端上的第二接收装置和安装在所述待沉管节对接端顶部两侧的第二声源装置，或者，包括安装在所述已沉管节对接端上的第二声源装置和安装在所述待沉管节对接端顶部两侧的第二接收装置；所述确定所述待沉管节的精确位置和精确方向，包括：
所述第二接收装置根据所述第二声源装置的声呐定位信号确定所述第二声源装置的声源阵列中每个声源的位置；
根据所述声源阵列的预设构型对所述声源阵列每个声源的位置进行拟合修正，确定所述待沉管节的精确位置和精确方向；
所述第二声源装置的声源数量为多个时，所述根据所述声源阵列的预设构型对所述声源阵列每个声源的位置进行拟合修正，确定所述待沉管节的精确位置和精确方向，包括：
基于预设拟合算法将所述声源阵列的位置拟合为所述声源阵列的预设构型，确定拟合最优解；
基于所述拟合最优解对所述声源阵列的位置进行修正，得到所述待沉管节的精确位置和精确方向；
所述第二声源装置相同位置的声源构成声源对，所述引导所述待沉管节与所述已沉管节进行对接，包括：
根据所述第二声源装置的声源阵列的坐标以及所述第二声源装置的声源阵列的理论坐标，确定所述待沉管节的对接平移参数；
根据所述声源对的坐标连线，确定所述声源对与所述待沉管节的中轴线的观测夹角；
根据所述观测夹角以及预设的参考夹角，确定所述待沉管节的对接旋转参数；
将所述对接平移参数和所述对接旋转参数反馈给所述沉放船上的执行系统，以便所述执行系统对所述待沉管节进行平移和旋转，实现所述待沉管节与所述已沉管节的对接。
2.根据权利要求1所述的一种沉管隧道管节安装声呐定位方法，其特征在于，所述沉放定位子系统包括安装在船艏艉的第一接收装置和安装在所述待沉管节顶部首尾的第一声源装置，所述第一声源装置在所述待沉管节上的位置通过安装标定确定；所述根据沉放船上的接收装置定位待沉管节顶部首尾安装的声源装置的位置，包括：
通过所述沉放船上的卫星传感器和惯性测量单元确定所述第一接收装置的位置；
根据所述第一接收装置的位置、所述第一声源装置在所述待沉管节上的位置和所述第一声源装置发出的声呐定位信号，确定所述第一声源装置的位置。
3.根据权利要求1所述的一种沉管隧道管节安装声呐定位方法，其特征在于，所述第二声源装置的声源数量为1个时，在准静态条件下对所述待沉管节进行定位观测，所述第二接收装置在预设时间内根据所述第二声源装置的声呐定位信号获取所述第二声源装置的多个位置数据，对所述位置数据进行筛选和平均处理，得到所述第二声源装置的声源坐标。
4.根据权利要求1所述的一种沉管隧道管节安装声呐定位方法，其特征在于，还包括：
对所述声源对的坐标连线进行筛选或对所述对接旋转参数进行筛选以优化所述对接旋转参数。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种沉管隧道管节安装声呐定位方法，其特征在于，所述待沉管节上的声源装置的声源的频率和所述已沉管节上的声源装置的声源的频率互不相同。
6.一种沉管隧道管节安装声呐定位系统，其特征在于，包括：
沉放定位子系统，用于根据沉放船上的接收装置定位待沉管节顶部首尾安装的声源装置的位置，并基于所述待沉管节上安装的姿态传感器确定所述待沉管节的姿态信息，根据所述声源装置的位置和所述姿态信息确定所述待沉管节的位置和方向，将所述待沉管节沉放到基床设定位置；
对接定位子系统，根据已沉管节上安装的接收装置定位所述待沉管节对接端顶部两侧安装的预设构型声源阵列的位置，或者，根据所述待沉管节上安装的接收装置定位所述已沉管节对接端顶部两侧安装的预设构型声源阵列的位置，确定所述待沉管节的精确位置和精确方向，引导所述待沉管节与所述已沉管节进行对接；
所述根据所述声源装置的位置和所述姿态信息确定所述待沉管节的位置和方向，将所述待沉管节沉放到基床设定位置，包括：
根据第一声源装置的位置，分别确定所述待沉管节在工程坐标系下的位置和所述待沉管节在工程坐标系下的方向角；
根据所述待沉管节的位置和所述基床设定位置，确定所述待沉管节的沉放平移参数；
根据所述方向角和经贯通测量确定的所述待沉管节的理论方向角，确定所述待沉管节的沉放水平旋转角度；
根据所述姿态信息确定所述待沉管节的俯仰角，并根据所述俯仰角确定所述待沉管节的沉放水平调节角度；
将所述沉放平移参数、所述沉放水平旋转角度和所述沉放水平调节角度反馈给所述沉放船上的执行系统，以便所述执行系统对所述待沉管节进行平移、旋转和调节，将所述待沉管节沉放到所述基床设定位置；
所述对接定位子系统包括安装在所述已沉管节对接端上的第二接收装置和安装在所述待沉管节对接端顶部两侧的第二声源装置，或者，包括安装在所述已沉管节对接端上的第二声源装置和安装在所述待沉管节对接端顶部两侧的第二接收装置；所述确定所述待沉管节的精确位置和精确方向，包括：
所述第二接收装置根据所述第二声源装置的声呐定位信号确定所述第二声源装置的声源阵列中每个声源的位置；
根据所述声源阵列的预设构型对所述声源阵列每个声源的位置进行拟合修正，确定所述待沉管节的精确位置和精确方向；
所述第二声源装置的声源数量为多个时，所述根据所述声源阵列的预设构型对所述声源阵列每个声源的位置进行拟合修正，确定所述待沉管节的精确位置和精确方向，包括：
基于预设拟合算法将所述声源阵列的位置拟合为所述声源阵列的预设构型，确定拟合最优解；
基于所述拟合最优解对所述声源阵列的位置进行修正，得到所述待沉管节的精确位置和精确方向；
所述第二声源装置相同位置的声源构成声源对，所述引导所述待沉管节与所述已沉管节进行对接，包括：
根据所述第二声源装置的声源阵列的坐标以及所述第二声源装置的声源阵列的理论坐标，确定所述待沉管节的对接平移参数；
根据所述声源对的坐标连线，确定所述声源对与所述待沉管节的中轴线的观测夹角；
根据所述观测夹角以及预设的参考夹角，确定所述待沉管节的对接旋转参数；
将所述对接平移参数和所述对接旋转参数反馈给所述沉放船上的执行系统，以便所述执行系统对所述待沉管节进行平移和旋转，实现所述待沉管节与所述已沉管节的对接。
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2023
- 2023-12-22 CN CN202311776559.9A patent/CN117452413B/zh active Active
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