SPS361代替光纖羅經的可行性

劉兆權，孫陽陽，鎖旭宏，湯慧馳

SPS361代替光纖羅經的可行性

劉兆權，孫陽陽，鎖旭宏，湯慧馳

（中交一航局第二工程有限公司，山東青島266071）

隨著多波束測深精度的提高，多波束逐漸應用于水下工程建設中，現階段多波束測深系統輔助定向儀器大多采用光纖羅經姿態傳感器，文章從實用性角度出發，通過對SPS361及光纖羅經輸出航向及測深數據研究，驗證SPS361代替光纖羅經可行性，同時應用于港珠澳大橋島隧工程。

多波束；SPS361；光纖羅經；水下工程建設

0 引言

多波束測深系統由多波束聲學系統、多波束數據采集系統、數據處理系統、外圍輔助傳感器及成果輸出系統組成[1-3]。

多波束外圍輔助傳感器一般包括定位傳感器、姿態傳感器、聲速剖面儀及光纖羅經[1，3]。理論上采用光纖羅經進行航向定位輸出要穩定于SPS361，本文從經濟適用性及光纖羅經可替代性出發，通過數據對比及工程應用分析SPS361代替光纖羅經的可行性。

1 儀器設備介紹

SPS361系統采用雙天線定位定向原理，提供精確的航向信息，SPS361接收機設備專門用于水上建筑工程設計，廣泛應用于水上工程，一般應用于挖泥船及拖船的定姿定位，其標稱定向精度優于0.1o，精確定向采用2 m分離天線時為0.09oRMS，10 m分離天線為0.05oRMS。SPS361價格低廉，可快速輸出航向數值，但其航向定位精度受GPS影響，當GPS信號較差時，輸出航向誤差較大。

光纖羅經姿態傳感器選用OCTANS，OCTANS集羅經、運動傳感器于一體，可以提供載體真方位角、縱橫搖角度、升沉量等有關信息，是當今世界上唯一采用光纖陀螺技術，能同時提供真北方位和運動姿態的固態羅經運動傳感器。大多數多波束測深系統采用OCTANS作為羅經/運動傳感器。本文中采用OCTANSⅢ，其羅經動態精度為0.1o×Secant（緯度），縱橫搖精度為0.01o，其穩定輸出航向數值時間為5 min。OCTANSⅢ航向數據輸出穩定性較高，但價格昂貴，且一旦損壞，維修時間長，維修費用高。

2 SPS361及光纖羅經數據對比

2.1 姿態校正

本文給出兩種數據采集時船姿及航向提供方式:第一種OCTANSⅢ同時提供航向及姿態數據；第二種SPS361提供航向數據，OCTANSⅢ僅提供姿態數據。

采用QINSY多波束數據采集軟件進行多波束校正數據的采集，將OCTANSⅢ及SPS361航向數據全部導入QINSY軟件中，多波束姿態校正首先采用第一種方式，姿態校正順序需按照Roll、Pitch、Heading值順序進行，Roll校正需在平坦區域、同一測線做同速反向測量。Pitch校正需在斜坡或突出的目標上，同一測線，做同速反向測量。Heading校正需在斜坡或突出的目標上，2條平行測線，做同速同向測量，測線之間有半個條帶的覆蓋[2]。校正完畢后記錄校正數據（圖1）。

圖1 姿態校正路線圖Fig.1 Route of posture correcting

第二種方式進行姿態校正時首先采用QINSY中Replay功能單獨輸出，采用SPS361輸出航向數值作為測深定向值，Roll、Pitch采用OCTANSⅢ姿態校準后的數據，僅對Heading進行單獨校正，校正后記錄校正數據。

2.2 航向數據對比

多波束姿態校正后采用SPS361及OCTANSⅢ同時導入QINSY外業采集軟件進行外業采集，多波束數據采集完畢后，將相同測線中OCTANSⅢ及SPS361航向數據導出，并進行航向校正值改正，將改正后的航向值進行數據統計分析。航向數據差值統計表見表1，航向對比及差值見圖2，圖中航線角取值范圍為-90o～270o。

表1 航向數據差值統計表Table1 Statisticsof heading difference

圖2 航向對比及差值圖Fig.2 Heading contrastand difference

從航向對比及差值圖上可以看出，OCTANSⅢ數據曲線在線性上比SPS361曲線圓滑，從航向數據差值統計表中可以看出，SPS361及OCTANSⅢ航向差值基本上位于±0.3o之間，平均航向偏差為0.029o。可見OCTANSⅢ及SPS361整體上輸出數值變化不大，OCTANSⅢ輸出航向數據要比SPS361穩定。

2.3 測深數據對比

采用SPS361及OCTANSⅢ同時導入QINSY外業采集軟件進行外業數據采集。首先選取第一種方式測量數據進行多波束測深數據的處理輸出，然后再采用第二種方式測量數據進行多波束測深數據的處理輸出。此種方法可以看做2次測量數據間僅有航向數據差值，而其他校正值及測量環境不變，避免了測量過程中其他原因引起的水深誤差。測深數據對比見圖3。

由OCTANSⅢ及SPS361分別提供航向值輸出的水深數據來看，大部分區域水深高程值吻合，少數區域數值存在10 cm以內的測量數據偏移，偏移數據測量水深高程值基本不變，且水深偏移區域大多位于基槽邊坡區域，基槽槽底區域基本吻合。

圖3 測深數據對比圖Fig.3 Bathymetric data coMparison

采用HYPACK軟件中TINModel進行兩種數據的差值計算[4]，采用1 m×1m間隔進行差值輸出，數據統計如表2。

表2 水深數據差值統計表Table2 The statisticsof bathymetric difference

兩次數據差值中97.72%數據位于±3 cm之間，且兩次數據差值為0 cm的數據占90.41%。

3 工程應用

港珠澳大橋島隧工程碎石基床鋪設厚度1.3m，壟頂寬度1.8m，壟溝寬度1.05m。由于沉管安裝要求精度高，根據《港珠澳大橋主體工程隧道工程施工及質量驗收標準》[5]，碎石基床壟頂標高允許偏差為±40 mm，這對碎石基床的驗收工作提出了相當高的要求。

港珠澳大橋島隧工程采用KONGSBERG EM2040多波束測深系統，光纖羅經姿態傳感器采用OCTANSⅢ。E24管節基床整平期間多波束測深系統OCTANSⅢ航向輸出異常，期間改用SPS361進行航向數據輸出，船體姿態仍由光纖羅經運動傳感器提供，相當于本文中第二種方式進行基床掃測，多波束掃測三維效果圖如圖4所示。

圖4 碎石基床多波束掃測三維圖Fig.4 Three dimensionalview ofsubgradeusing Multi-beaMbathymetric survey

鋪設碎石基床長180 m，共測量6條測線拼接而成，從三維圖上看，多波束測深采用SPS361進行航向輸出采集的數據，水下地形無拼接異常。

將掃測基床高程同設計基床高程相比較，由差值統計表可以看出（表3），通過SPS361定向掃測各條壟數值基本在設計范圍之內，滿足碎石基床鋪設施工要求。

采用SPS361作為航向數據輸出時應注意接收衛星的狀況，在天線被遮擋或者衛星數較少狀況下，SPS361輸出的航向誤差較大，將會引起水下地形數據異常，如圖5。

表3 基床差值統計表Table3 Statisticsof subgrade difference

從圖5可以看出，基床尾端測量時由于測量船靠近整平船，SPS361天線被遮擋，導致尾端3條碎石壟測量數據異常，造成偏移。

圖5 衛星遮擋狀況下多波束掃測三維圖Fig.5 Three dimensional view usingmulti-beaMbathymetric survey under the condition of satellite occlusion

4 結語

1）從標稱航向數據精度看，SPS361航向定位精度優于OCTANS航向精度，實測航向曲線SPS361航向曲線沒有OCTANS航向曲線平滑，OCTANS輸出航向數據較SPS361穩定。

2）由測深數據對比，采用SPS361及OCTANS輸出航向值采集的數據基本相同，在多波束水深測量中可以代替光纖羅經進行航向值的輸出。

3）SPS361代替光纖羅經在港珠澳大橋島隧工程中取得良好效果，滿足工程要求，采用SPS361輸出數據代替航向值輸出時，需注意衛星信號，在天線遮擋及衛星信號不好的狀況下，航向誤差值偏大，對水下地形測量會造成較大影響。

4）現階段KONGSBERG MRU5+姿態儀橫縱搖精度已經達到0.01o，在多波束測量中可以按照SPS361+KONGSBERG MRU5+來代替光纖羅經運動姿態傳感器進行多波束掃測。從經濟適用性上考慮可以為一般工程多波束水深測量中航向及船姿的確定提供參考。

[1]趙建虎，劉經南.多波束測深及圖像數據處理[M].武漢:武漢大學出版社，2008.

ZHAO Jian-hu,LIU Jing-nan.Multi-beaMbathymetric data and image processing[M].Wuhan:Wuhan University Press,2008.

[2]JT/T 790—2010，多波束測深系統測量技術要求[S]. JT/T 790—2010,Technical requirements for multibeaMechosoundersysteMsurveying[S].

[3]趙建虎.現代海洋測繪[M].武漢:武漢大學出版社，2008.

ZHAO Jian-hu.Modernmarine surveyingand charting[M].Wuhan: Wuhan University Press,2008.

[4]馮建軍.應用HYPACK軟件進行航道回淤觀測應注意的問題[J].水運工程，2012（12）:204-207.

FENG Jian-jun.Matters of attention in app lication of software HYPACK tosiltation observation[J].Port&Waterway Engineering. 2012(12):204-207.

[5]港珠澳大橋管理局.港珠澳大橋主體工程隧道工程施工及質量驗收標準[S].2013.

Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge Authority.Construction and quality acceptance criteria for tunnel projectofHongkong-Zhuhai-Macao Bridgemain project[S].2013.

A feasibility study about SPS361 instead of optical fiber gyrocoMpasses

LIU Zhao-quan,SUNYang-yang,SUOXu-hong,TANGHui-chi
（No.2Engineering Co.,Ltd.ofCCCCFirstHarbor Engineering Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong266071,China）

With the improvement of the accuracy ofmulti-beaMbathymetric survey,multi-beaMsurvey ismore and more used in underwater engineering construction.At the present stage,most of the orientation device of themulti-beaMsysteMis gyrocompass.This paper,through the studies on SPS361 and gyrocompasses heading outputand bathymetric data,verifies the feasibility of using SPS361 instead of gyrocompasses froMa practical point of view,which ismeanwhile used in the island& tunnelprojectofHongkong-Zhuhai-Macao Bridge.

multi-beam;SPS361;gyrocompass;underwater engineering construction

U612.23

A

2095-7874（2016）07-0012-03

10.7640/zggw js201607004

2016-06-02

劉兆權（1980—），男，山東青島市人，高級工程師，測繪工程專業，主要從事測量工作。E-mail:825349113@qq.com