水下测角测距三维定位技术

锁旭宏，董理科，朱永帅

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

0 引言

随着科学技术的发展，施工技术水平的提高，海洋成为人类生存与发展的新空间，成为沿海各国经济和社会可持续发展的重要保障，成为影响国家安全的重要因素。海洋中的构筑物越来越多，迫切需要研究水下定位技术，为水下大型构件的安装提供精准定位[1]。

在海洋大型构件安装过程中，因为海底没有参考对象，无法使用相对定位方法。本文使用安装载体上的GNSS设备，将绝对位置通过测距测角手段传递到水下，解决了这一问题。

1 设计原理

1.1 定位原理

安装海洋大型构件时，安装载体上有精确定位的GNSS设备，有拉线设备与水下安装构件连接，将GNSS设备、拉线设备及大型构件事先在统一的船体坐标系进行标定，建立起它们之间的几何关系[2]。在安装期间，GNSS设备实时获取天线相位中心绝对位置，拉线设备钢丝与大型构件相连接，实时测定距离和角度，同时计算出水下大型构件的绝对位置。通过开发相对应的软件，在计算机界面上实时显示大型构件水下的三维姿态，工作人员可根据界面显示数据调整水下构件至设计位置[3]。实时水下三维定位原理示意图如图1所示。

1.2 计算原理

三维定位系统中心位置o（x0，y0，z0），由船体GNSS确定。

图1 水下三维定位原理图Fig.1 Principle diagram of underwater 3D positioning

拉线空间姿态：引导拉线的摆臂分别与水平测角传感器和垂直测角传感器连接，测定摆臂空间姿态，水平方向角b和垂直角a。计算原理示意图见图2。

图2 计算原理图Fig.2 Calculation principle diagram

拉线长度：摆臂旋转中心至待测点（X，Y，Z）的拉线长度L由测距传感器（绝对多圈编码器）测定，则有：

倾斜修正：精密双轴倾斜仪测定水下测角测距三维定位系统纵向倾斜角度P和横向倾斜角度R，并及时修正待测点的三维坐标。

2 定位方法与过程

利用水下测角测距三维定位系统进行水下定位的方法与过程：

1）测量前，利用定位定向GNSS测定水下测角测距三维定位系统自身的三维坐标，然后确定摆臂旋转中心位置。

2）电机速度调至低速状态，将拉线连接到待测物体的测点装置。

3）待测点到达预设位置，调高电机转速，增加拉线的拉力，使拉线处于拉紧状态。

4）测距角度传感器，水平电子角度传感器，垂直电子角度传感器以及倾斜仪等测量单元开始采集数据，分别测定拉线长度、水平方向角、垂直角和水下测角测距三维定位系统的两维倾斜角度，经过数据传输控制器实时采集数据并处理，算出被测点的三维坐标。

5）根据倾斜仪测定水下测角测距三维定位系统的两维倾斜角度，并即时修正定位待测点的三维坐标[4]。

3 定位精度分析

3.1 设备精度及对定位影响

1）倾斜仪：倾斜仪最小分辨率为0.001°，精度为0.01°。在标准测程30 m时，倾斜仪误差引起的平面定位误差为：

对高程的影响精度相同。

2）电子角度传感器：电子角度传感器精度指标为0.01°。在标准测程30 m时，电子角度传感器误差引起的平面定位误差为：

对高程的影响精度相同。

3）拉线长度误差：拉线长度误差由高分辨率多圈编码器测定误差、制作误差和拉伸变形误差引起。根据设备选型和经验，这项误差可以控制在0.01 m以内。

对高程的影响与测线的倾角有关，最大影响与平面相当[5]。

4）设备综合影响：以上各项设备误差综合影响，在标准测程30 m时，对平面和高程大致相当，均不超过0.02 m。

3.2 标定精度及对定位影响

标定误差可以分为生产地的产品质量检测标定和安装使用时的实地标定。

检验设备的制作质量的标定可以在生产地理想条件下进行，其标定误差可以小于传感器设备本身的误差，此项误差仅用于对设备制作的质量评价。该项误差也不是影响定位系统的最终使用精度。因此不做详细讨论。

定位系统在使用时的实地标定，由于受实地条件的限制，标定误差较难控制，也较难给出理论分析。根据经验，此项误差在标准测程30 m时，可以控制在0.05 m以内。

3.3 使用条件及对定位影响

三维定位系统可以用于多种场合，使用条件差别加大，因此使用条件对系统的最终精度影响也各不相同。

但对大部分水下施工条件来说，此项误差的主要影响是水流对拉线的冲击力导致拉线弯曲和测线长度的计量。其中拉线弯曲导致水平方向的转角产生误差，拉线长度影响沿拉线径向方向的精度。如拉线垂直时拉线长度主要影响高程，拉线接近水平时主要影响水平位置。

若要减少水流对拉线的影响，主要方法是增大对拉线的拉力。但拉力过大会使得拉线拉伸变形，因此，需要在这几个因素中找到平衡。

根据海上铺排使用的经验，经过一些调整，可以使得此项误差控制在0.1 m以内。

设备与测点的相对运动速度也是此项误差的内容，相对运动速度较大时，可导致设备间的数据不同步被反映到最终的相对定位结果中。系统各部件的摩擦力和惯性延迟，也在这种较大的相对运动速度情况下体现出来，影响定位结果。这些误差的大小随着相对运动速度提高而增加，并且很难对每台仪器进行正确的标定或评价。因此，应避免在相对运动速度较大的情况下使用此设备。

3.4 绝对位置定位与定向对定位影响

三维定位系统是采用2台GNSS RTK进行定位和定向。其中GNSS RTK定位误差一般情况下为：平面0.02 m，高程0.03 m。

3.5 综合影响

根据以上分析，水下测角测距三维定位系统定位综合精度主要来源于设备、标定、使用条件、绝对位置误差，主要误差来源于标定和使用条件，误差统计表[6-7]见表1。

表1 综合误差统计表Table 1 Comprehensive error statistics table

4 陆上精度测试

在陆地上模拟测试环境，对系统进行标定，参数录入系统。在统一的坐标系下，对不同的4个比对点同步使用全站仪和三维定位系统获取定位数据做差值比对。全站仪陆上测量三维数据误差很小，可以忽略，认为是正确数据。三维定位系统测量成果与全站仪测量成果差值[8]见表2。

表2 陆上差值比对表Table 2 Land difference comparison table

从表中可以看出，水下测角测距三维定位系统测量各点的偏差较少，测点值稳定；水下测角测距三维定位系统和全站仪比测结果最大较差值ΔX为28 mm，ΔY为-25 mm，ΔZ为32 mm。比测结果较好。

5 水上浮态条件精度测试

5.1 安装

在船上设置的钢便桥端部区域安装水下测角测距三维定位系统，使拉线仪监测和铺排作业互不干扰。安装示意图见图3。

图3 安装示意图Fig.3 Installation diagram

5.2 入水前坐标比测

拉线仪的标定是在陆上进行的。为了检查拉线仪实际使用时的精度，在船上，安装定位仪完成后，使用了一台GNSS RTK对通过定位仪测定的点的坐标进行检测。

比测时处于涨潮阶段，船体摇晃，位置坐标位置在20 cm范围跳动，实测结果表明两者的坐标差别分别是X方向差0.8 cm，Y方向差-9.8 cm。

5.3 同一点不移船多次实测

在船体浮态条件下进行实测，对同一点进行了多次测量。测试系统界面见图4。

图4 系统界面图Fig.4 System interface diagram

数据采集采用计算机连续截屏的方式，对同一点实测数据统计。差值统计表见表3。

表3 水上差值比对表Table 3 Water difference comparison table

以上数据显示，同一点不移动船舶，多次重复测量差值在-6～10 cm。

5.4 同一点移船实测

第1次实测完成后，测试没有松开拉线辅绳继续连接定位小环，随着铺排船体向后移动，对水下同一点进行2次测量。第1次测量在排体下水后10.70 m的位置，第2次测量时位于15.48 m。

船不同位置，对拉线同一个点的2次测量结果表明，船体已经移位将近5 m，实测较差ΔX=0.05 m，ΔY=-0.08 m，比对点的坐标变动绝对值＜10 cm。这说明，船移动时，拉线仪测定的水下点位坐标变动较小。

5.5 多次移船同点测试

为了测试水下测角测距三维定位系统的稳定性和精度，在2次移船中对同一定位小环进行了3次测量。

在3个船位位置共进行了12次测量，每个距离测量4个数据。多次移船进行同点比测统计。统计表见表4。

表4 多次移船精度统计表Table 4 Accuracy statistics table of multiple ship movements m

表4所示，ΔX最大绝对值为0.12 m，ΔY最大绝对值为0.21 m，同一组数据比较稳定，不同的船位数据略有偏差。在最远17.06 m的平距时，拉线在水中约有12 m的长度，拉线在水中的不同长度，其测量精度和稳定性影响不大。从不同船位同一测点的结果看，水下测角测距三维定位系统性能总体比较稳定，且数据可靠[9]。

6 结语

本文介绍了水下测角测距定位技术，通过陆上和水上作业环境做了详细的系统测试和精度比对，测试成果显示：该系统精度可靠、性能稳定、方便快捷。同时开发了配套的可视化作业界面，实时显示作业各项参数及状态，给船上作业人员提供了便利条件，大大提高了工作效率，降低了施工成本，保障了施工精度。在水下三维定位作业中可以广泛使用。

随着科技的进步、现代化进程的加快，大型海上构件安装逐渐向外海、深水方向发展，传统的测量方式逐渐无法满足施工要求，高精度定位技术指引水下作业将成为主流。高精度定位系统用于水下大型构件安装将对我国的水运工程和大型海洋工程产生巨大的经济效益和社会效益，同时对海洋测绘工程领域的技术跨越发展具有重要的指导意义。