超短基線測量技術在鋪排施工中的應用

焦永強，田維新，潘賢亮

（上海達華測繪有限公司，上海 200136）

0 引言

超短基線的水下定位技術為鋪排船的鋪排施工提供了很好的測量及控制手段。較傳統的利用潛水員水下探摸的方式，在鋪排施工的精準控制、進度質量等方面都具有很大的優勢。針對長江南京以下12.5 m深水航道一期工程鋪排施工項目，通過在長江口白茆沙I標工程中實際應用，取得了良好的效果，為鋪排施工提供了新的技術手段。

1 超短基線測量系統的工藝流程

1.1 系統的組成及工作原理

超短基線測量系統主要由兩部分組成：發射接收單元（俗稱水聲換能器）及水下應答信標。換能器探頭里有多個水聽器，按三角形布陣，水聽器之間距離只有幾厘米。系統是根據聲波在水中傳播的往返時間及聲速來測量水聲換能器到水下信標的距離（S=vt/2）；利用安裝在水聲換能器探頭中的多個水聽器接收陣接收水下信標的應答信號的相位差來確定發射接收機相對船艏的方位。如圖1所示，圖中1、2、3相當于組裝在探頭內的水聽器，通過1、2、3點可以定位空間中的目標物相對于A、B、C三條超短基線構成平面的空間位置（距離和方位）。就測量而言3點足以確定空間的位置，而實際上水聲換能器探頭內的水聽器都多于3個，如英國Sonardyne公司生產的ScoutPro USBL，其水聲換能器探頭內裝有5個水聽器（圖2），所組成的超短基線數量大大增加，增強了系統的冗余測量能力，提高系統的整體精度。

圖1 空間目標的測量定位原理

圖2 超短基線測量示意圖

常用的超短基線測量系統包括：1套水聲換能器探頭及若干個信標，采用一對多的模式；由于鋪排施工作業的特殊性，需要在鋪排船的船艏、船艉分別安裝1套水聲換能器探頭，采用兩對多的方式進行排體的水下實時定位，如圖3所示。

圖3 超短基線鋪排作業水下定位系統結構示意圖

其中操控室內安裝有2套控制單元及1套鋪排軟件施工作業系統。兩組超短基線定位系統分別接收固定在排體兩側的信標所發出的回聲信號進行定位，最終將測量定位信息輸入到鋪排軟件控制系統中，系統將兩組數據進行坐標轉換形成符合施工要求的坐標數據，通過后處理軟件及實時顯示平臺可以很好地監測排體在水下的位置信息，從而對鋪排的施工過程進行監控，對鋪設好的水下排體進行準確定位。

1.2 系統鋪排作業的工藝流程

1.2.1 系統的安裝

在超短基線測量系統的安裝中，重點是發射接收機探頭的安裝，由于它是信號的發射接收系統，且內置有動態的姿態測量、艏向測量傳感器，對其安裝的位置、穩定性及噪聲環境有一定的要求：

1）探頭的安裝要牢固、穩定，施工中不能發生明顯的抖動；

2）探頭應安裝在距離船舶發動機較遠、噪聲較小的地方；

3）探頭與水下信息的連線上應無明顯的物理阻隔；

4）探頭距離船舷應保持有10 cm以上的間距，且不易被碰撞。

1.2.2 系統的校準

系統的校準是確保測量結果準確的關鍵。校準的目的：通過一定的測量手段，測量出超短基線發射接收機安裝后探頭軸線方向與鋪排船艏向間的角度關系，通過軟件偏移改正實現探頭軸向的校正，以確保測量數據成果測量的準確度。

超短基線測量系統以動態校準為主，要求船舶能夠自由航行，而鋪排船較難實現動態校準；項目實施中，需要結合施工船舶特性制作一個校準桿，分別在探頭左右兩側水下固定好校準桿，同時利用超短基線測量系統、雙RTK-DGPS測量探頭與信標之間的夾角及距離，最后以RTKDGPS的測量結果為準，在超短基線測量軟件中修正探頭的軸向角，確保其方向值一致。

1.2.3 坐標的比對

在超短基線校準結束后，還要進行相應的坐標比對工作，同時利用超短基線測量系統、RTKDGPS測量系統測量同一個信標點的坐標，當兩者互差符合施工要求后，即可進行正常的鋪排施工，如比對結果不理想，要重新進行系統校準及相關配置參數的檢查調整，直到符合要求為止。

1.2.4 鋪排施工作業

系統校準比對結束后，即可進行相應的鋪排施工。一般要準備4～6個水下定位信標，如圖3所示，將信標固定在排體的邊緣，分3組循環使用。每組由兩個信標組成，對稱分布在排體的兩邊，每組間距20～30 m；當某一組水下信標到達水底穩定后，測量其最終坐標并釋放回收該設備，繼續進行下一組的測量控制，如此循環完成整個排體的施工定位及檢測工作。

在施工過程中，通過鋪排軟件的坐標成圖、比對、報警功能實現排體鋪設的測量控制，為下一張排體的鋪設、搭接提供最為準確的數據成果。

2 超短基線在鋪排施工中的優勢

2.1 傳統的方法

傳統的鋪排施工，水下排體搭接及位置的檢測主要通過水面浮標及潛水員水下探摸來實現，浮標的移動性、潛水員的判斷能力都影響鋪排的質量控制及檢測的精度及速度，特別在水深較深、流速較快的區域進行鋪排時，拴系在排邊的浮標到水面后偏移排體實際位置較多，無法準確測量并判定排體在水下的真實位置，往往會造成搭接過多或搭接不上的情況，致使返工及補排的現象屢有發生，不但影響施工進度，還影響鋪排的施工質量。加之潛水員下水的風險較大，費用也較高。

2.2 超短基線測量技術的優勢

與傳統的鋪排施工測量定位及檢測方法相比，有以下幾項優點：

1）可對施工中的水下排體實現實時動態定位及檢測，速度快、效率高，可實現鋪排施工的動態控制；

2）檢測手段簡單，風險小，不用配備專用的檢測船及專業的潛水員，成本費用較低；

3）檢測精度高，信息量豐富，有利于數據成果分析處理；

4）不受水深及排體檢測點多少的影響，易于實現全覆蓋檢測，檢測質量高。

3 應用實例

長江南京以下12.5 m深水航道一期工程鋪排施工項目是長江口航道整治拓展的關鍵性工程，分4個標段進行鋪排施工，僅白茆沙I標段的砂肋軟體排、混凝土聯鎖軟體排的鋪設總量達355.1萬m2，鋪設工作量大，工期長，精度要求高。施工區域同時有多條大型鋪排船同時作業，采用傳統的鋪排定位檢測方式將嚴重制約鋪排的進度。根據項目需求，在2012-10-10—11-28，先后在交建2號及交建4號鋪排船上進行了鋪排定位的實際應用，重點對交建4號鋪排船鋪設的第37號、第39號軟體排進行了系統的施工定位及水下檢測，兩張排布長同為250 m，排寬36 m，鋪設段的水深10 m，搭接要求不小于3 m。

在施工定位與檢測中，將信標定位實測排體位置與理論位置的比較如圖4所示。此次鋪排區處于拐彎段，第37、39號排體的搭接區域最窄處在北側，搭接寬度約3.5 m，最大處在南側，搭接寬度約13 m，搭接符合鋪排施工作業要求。

從圖4可以看出：

1）排體施工實測位置與設計位置比較吻合；搭接滿足設計要求；有效避免了漏鋪排、補鋪排及重復鋪設等問題的發生，施工工效高且比較經濟。

圖4 水下排體位置比對圖

2）從圖4右側的測點位置放大圖中可以看出，超短基線所測量的排體位置離散度相對較低，測量坐標點位比較集中，所有的測點坐標位置都集中在半徑為0.3 m的圓內,測點的定位中誤差在0.2～0.6 m之間，定位精度高，穩定性好。

3）從兩張排的搭接看，利用超短基線測量技術可以準確定位，能比較準確地反應水下排體的真實搭接信息。

4）結合潮水情況來分析，在落水施工過程中，短基線測量的排體連線位置略向下游方面（東側）偏移；而平潮及初漲時，實測的排體位置與設計排體位置非常吻合；很顯然，如扣除潮水的影響，將顯現出超短基線突出的定位優勢。

4 結語

超短基線測量技術應用于軟體排鋪設施工的定位與檢測，在國內外尚屬首次，是鋪排施工中定位控制與檢測工藝的又一創新。現場試驗及正式投入使用的效果證明，其工藝先進，作業方法及控制手段穩定可靠，測量精度完全滿足鋪排施工的需求。

超短基線測量技術在鋪排施工中的成功應用，不但大幅提高鋪排施工的進度與質量，而且還可以有效降低施工作業成本，降低深水探摸排體的安全風險，可在同行業內大力推廣應用。

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