基于全景智能化对接技术的隧道沉管标定方法

度直接影响对接定位的精度。介绍了沉管对接技术中各种设备的标定原理和方法,对于弯曲沉管、静态、动
态等各种情况下的标定方法给出了较详细的介绍，该方法将原来的静态、宜管隧道标定方法拓展到弯管隧道
和动态标定，适用于各种形状不规则的沉管标定。标定精度满足工程要求，在工程实践中得到了很好的应用
和验证。
关键词：隧道沉管;全景智能化对接测量;沉管坐标系;静态标定;动态标定；弯曲沉管标定
第39卷第5期 2019年9月
海洋测绘 HYDROGRAPHIC SURVEYING AND CHARTING
DOI: 10.3969/j.issn.l671-3044.2019.05.009
Vol.39,No.5 Sep. ,2019
基于全景智能化对接技术的隧道沉管标定方法
张彦昌1,杨錨2,于桂菊3
（1.交通运输部天津水运工程科学研究院，天津300456 ； 2.天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津300456； 3.交通运输部北海航海保障中心海事测绘中心，天津300222）
摘要：目前我国深水跨江海隧道沉管对接已经实现了全景智能化对接测量技术。其中RTK天线及姿态 仪设备的标定十分重要。设备标定的实质是测定设备在沉管坐标系中的安装初始位置和初始姿态。标定精
对于弯曲的沉管，我们定义沉管坐标系见图 2。首端（对接端）顶面为X轴，向右为正; 中点0为原点,沉管顶面上垂直于为Y轴，指 向如图。Z轴指向上方，与XY成右手系。测量点 选择沉管顶表面4个顶点ABCD,进行全站仪坐标 测量。
此时横摇：厂o〃 = - arctan __ 5丿
0 sin 侏，COS0%Fra bibliotekcos0y
0
Ry = 0
1
si叫 0
sin% 0 COSOy
cosQ -sin&z o-
sin&z cosQ
0,
0
0
1
6x = -roll
此时 色二-pitch ,由姿态仪提供。
6Z = heading 顾及坐标原点的平移，则：
X =Rx R^Rx • （X-Xo） +£ 式中,X° = （% ,y0，孔）t为GPS天线位置在沉管坐标
中图分类号：U456. 3 文献标志码：B
文章编号：1671-3044（2019）05-0035-04
1引言
2对接测量原理
跨江（海）沉管隧道建设近年来发展迅猛，尤 其是中国的沉管隧道建设取得了世界瞩目的成 就⑴。南昌红谷隧道、香港沙中隧道、港珠澳大 桥，以及计划建设中的我国深中通道都采用了沉 管技术。而且这些隧道的沉管都是位于水面以下 10米至数十米的大型沉管。沉管跨江（海）长度 大,管节规模超大超重。对接定位是施工中的关 键环节。传统的沉管对接定位主要是针对较小规 模的浅水地区的跨江隧道，定位模式是全站仪+潜 水探摸⑵。自2015年5月~2016年8月，南昌红 谷隧道沉管施工中对接定位采用了我国自主研发 的最新的全景智能化对接定位技术，获得了很大 成功。其定位模式采用“RTK+姿态仪（含罗经）+ 三维可视化+三维地形场景+QC”的全景智能化模 式。不仅提高了工作效率和定位精度，也极大地 缩减了现场设备和人工成本*创o
全景智能化对接定位中，RTK和姿态仪是必 备的设备。RTK天线安装在测量塔顶部，始终露 出水面。姿态仪一般安装在测量塔根部，沉管中 轴线上。设备安装的初始位置必须进行严格的校 准（标定）。标定精度直接影响对接定位的精度， 因而是十分重要的环节，严格科学的校准方法就 显得尤其重要。
对于较小规模、水深较浅的跨江隧道沉管，施工 中可以采用全站仪宜接定位的方法完成对接⑶0 其对接定位可以看作是静态定位——不顾及沉管的 纵横摇和运动;而对于深水大型沉管则必须采用更 加复杂的动态定位技术。鉴于水下声学定位技术精 度不高,且受到噪声、浊度、以及声波反射、绕射、多 路径等影响，定位无法满足高精度施工要求。故采 用以水面RTK定位为基本位置数据的方法。姿态 仪（含罗经）可以实时测定纵横摇及艄向。系统的 基本组成如下⑴］:
系中的坐标遥=（知』p ,心）丁为GPS天线位置在地 理坐标系中的坐标，即RTK实测坐标值;X为管段 上特征点在沉管坐标系中的坐标;F为上述特征点 的最终地理坐标。
上述乙二仏肌金厂以及姿态仪的初值就是 需要标定的参数。
3标定方法
3. 1姿态仪标定 姿态仪（含罗经）提供沉管三维自由度旋转参
数［⑵，一般安装在沉管表面和测量塔底部,数据线 连接至测量塔控制室，或直接安装在测量塔内。理 论上艄向与沉管一致，在沉管中轴线上或与之平行, 姿态仪底面与沉管表面一致。姿态仪标定的实质是 测量出沉管初始姿态与姿态仪初始姿态的差值改 正数。
沉管姿态包括:纵摇、横摇和艄向。测量一般采 用静态的全站仪三维坐标测量方法。测点至少选择 4个点，分别为沉管首端上表面左右两个端点A、B, 以及中轴线前后两个端点C、D,见图10
到。当沉管初始姿态测量完成后，对照姿态仪数值, 求差可以得出最终标定值。
对于沉管动态的情况（漂浮中），则需要采用2 台以上全站仪同步观测，分别测定莎丛，“〃和 加加加g,并同时读取和记录姿态仪的数据,打上时 间标记，采集多组数据,然后进行计算，取平均值作 为最终标定值。 3.2弯曲沉管姿态仪的标定
测量塔+RTK +姿态仪（含罗经）+挠度系统+QC 控制系统+三维显示系统+三维地形场景。测量的 基本原理及步骤如下:①沉管建模,建立沉管坐标 系;②测量塔位置由RTK获得（地理坐标）；③姿态 仪及罗经获得沉管三维自由度旋转参数;④塔基震 动（高频噪音）数据由挠度系统采集;⑤三维坐标转 换——沉管特征点坐标实时转换成地理坐标（两次 平移，三次旋转）；@QC质量控制系统提供数据验 证及报警;⑦系统三维显示、记录、分析，及事后回 放，提供现场指挥决策和事后分析。三维坐标转换 数学模型如下⑴］:
设X为沉管上某点的沉管坐标,X，为其相应的地 理坐标，根据三维坐标转换原理:X',=E Ry Rx X
收稿日期：2019-05-09；修回日期：2019-06-21 作者简介：张彦昌（1964-），男，河北南和人，教授级高工，主要从事海洋勘测研究。
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第39卷
其中:
1 Rx = 0
0
0 cos仇 一 sin仇