SPS361代替光纤罗经的可行性

刘兆权，孙阳阳，锁旭宏，汤慧驰

SPS361代替光纤罗经的可行性

刘兆权，孙阳阳，锁旭宏，汤慧驰

（中交一航局第二工程有限公司，山东青岛266071）

随着多波束测深精度的提高，多波束逐渐应用于水下工程建设中，现阶段多波束测深系统辅助定向仪器大多采用光纤罗经姿态传感器，文章从实用性角度出发，通过对SPS361及光纤罗经输出航向及测深数据研究，验证SPS361代替光纤罗经可行性，同时应用于港珠澳大桥岛隧工程。

多波束；SPS361；光纤罗经；水下工程建设

0 引言

多波束测深系统由多波束声学系统、多波束数据采集系统、数据处理系统、外围辅助传感器及成果输出系统组成[1-3]。

多波束外围辅助传感器一般包括定位传感器、姿态传感器、声速剖面仪及光纤罗经[1，3]。理论上采用光纤罗经进行航向定位输出要稳定于SPS361，本文从经济适用性及光纤罗经可替代性出发，通过数据对比及工程应用分析SPS361代替光纤罗经的可行性。

1 仪器设备介绍

SPS361系统采用双天线定位定向原理，提供精确的航向信息，SPS361接收机设备专门用于水上建筑工程设计，广泛应用于水上工程，一般应用于挖泥船及拖船的定姿定位，其标称定向精度优于0.1º，精确定向采用2 m分离天线时为0.09ºRMS，10 m分离天线为0.05ºRMS。SPS361价格低廉，可快速输出航向数值，但其航向定位精度受GPS影响，当GPS信号较差时，输出航向误差较大。

光纤罗经姿态传感器选用OCTANS，OCTANS集罗经、运动传感器于一体，可以提供载体真方位角、纵横摇角度、升沉量等有关信息，是当今世界上唯一采用光纤陀螺技术，能同时提供真北方位和运动姿态的固态罗经运动传感器。大多数多波束测深系统采用OCTANS作为罗经/运动传感器。本文中采用OCTANSⅢ，其罗经动态精度为0.1º×Secant（纬度），纵横摇精度为0.01º，其稳定输出航向数值时间为5 min。OCTANSⅢ航向数据输出稳定性较高，但价格昂贵，且一旦损坏，维修时间长，维修费用高。

2 SPS361及光纤罗经数据对比

2.1 姿态校正

本文给出两种数据采集时船姿及航向提供方式:第一种OCTANSⅢ同时提供航向及姿态数据；第二种SPS361提供航向数据，OCTANSⅢ仅提供姿态数据。

采用QINSY多波束数据采集软件进行多波束校正数据的采集，将OCTANSⅢ及SPS361航向数据全部导入QINSY软件中，多波束姿态校正首先采用第一种方式，姿态校正顺序需按照Roll、Pitch、Heading值顺序进行，Roll校正需在平坦区域、同一测线做同速反向测量。Pitch校正需在斜坡或突出的目标上，同一测线，做同速反向测量。Heading校正需在斜坡或突出的目标上，2条平行测线，做同速同向测量，测线之间有半个条带的覆盖[2]。校正完毕后记录校正数据（图1）。

图1 姿态校正路线图Fig.1 Route of posture correcting

第二种方式进行姿态校正时首先采用QINSY中Replay功能单独输出，采用SPS361输出航向数值作为测深定向值，Roll、Pitch采用OCTANSⅢ姿态校准后的数据，仅对Heading进行单独校正，校正后记录校正数据。

2.2 航向数据对比

多波束姿态校正后采用SPS361及OCTANSⅢ同时导入QINSY外业采集软件进行外业采集，多波束数据采集完毕后，将相同测线中OCTANSⅢ及SPS361航向数据导出，并进行航向校正值改正，将改正后的航向值进行数据统计分析。航向数据差值统计表见表1，航向对比及差值见图2，图中航线角取值范围为-90º～270º。

表1 航向数据差值统计表Table1 Statisticsof heading difference

图2 航向对比及差值图Fig.2 Heading contrastand difference

从航向对比及差值图上可以看出，OCTANSⅢ数据曲线在线性上比SPS361曲线圆滑，从航向数据差值统计表中可以看出，SPS361及OCTANSⅢ航向差值基本上位于±0.3º之间，平均航向偏差为0.029º。可见OCTANSⅢ及SPS361整体上输出数值变化不大，OCTANSⅢ输出航向数据要比SPS361稳定。

2.3 测深数据对比

采用SPS361及OCTANSⅢ同时导入QINSY外业采集软件进行外业数据采集。首先选取第一种方式测量数据进行多波束测深数据的处理输出，然后再采用第二种方式测量数据进行多波束测深数据的处理输出。此种方法可以看做2次测量数据间仅有航向数据差值，而其他校正值及测量环境不变，避免了测量过程中其他原因引起的水深误差。测深数据对比见图3。

由OCTANSⅢ及SPS361分别提供航向值输出的水深数据来看，大部分区域水深高程值吻合，少数区域数值存在10 cm以内的测量数据偏移，偏移数据测量水深高程值基本不变，且水深偏移区域大多位于基槽边坡区域，基槽槽底区域基本吻合。

图3 测深数据对比图Fig.3 Bathymetric data coMparison

采用HYPACK软件中TINModel进行两种数据的差值计算[4]，采用1 m×1m间隔进行差值输出，数据统计如表2。

表2 水深数据差值统计表Table2 The statisticsof bathymetric difference

两次数据差值中97.72%数据位于±3 cm之间，且两次数据差值为0 cm的数据占90.41%。

3 工程应用

港珠澳大桥岛隧工程碎石基床铺设厚度1.3m，垄顶宽度1.8m，垄沟宽度1.05m。由于沉管安装要求精度高，根据《港珠澳大桥主体工程隧道工程施工及质量验收标准》[5]，碎石基床垄顶标高允许偏差为±40 mm，这对碎石基床的验收工作提出了相当高的要求。

港珠澳大桥岛隧工程采用KONGSBERG EM2040多波束测深系统，光纤罗经姿态传感器采用OCTANSⅢ。E24管节基床整平期间多波束测深系统OCTANSⅢ航向输出异常，期间改用SPS361进行航向数据输出，船体姿态仍由光纤罗经运动传感器提供，相当于本文中第二种方式进行基床扫测，多波束扫测三维效果图如图4所示。

图4 碎石基床多波束扫测三维图Fig.4 Three dimensionalview ofsubgradeusing Multi-beaMbathymetric survey

铺设碎石基床长180 m，共测量6条测线拼接而成，从三维图上看，多波束测深采用SPS361进行航向输出采集的数据，水下地形无拼接异常。

将扫测基床高程同设计基床高程相比较，由差值统计表可以看出（表3），通过SPS361定向扫测各条垄数值基本在设计范围之内，满足碎石基床铺设施工要求。

采用SPS361作为航向数据输出时应注意接收卫星的状况，在天线被遮挡或者卫星数较少状况下，SPS361输出的航向误差较大，将会引起水下地形数据异常，如图5。

表3 基床差值统计表Table3 Statisticsof subgrade difference

从图5可以看出，基床尾端测量时由于测量船靠近整平船，SPS361天线被遮挡，导致尾端3条碎石垄测量数据异常，造成偏移。

图5 卫星遮挡状况下多波束扫测三维图Fig.5 Three dimensional view usingmulti-beaMbathymetric survey under the condition of satellite occlusion

4 结语

1）从标称航向数据精度看，SPS361航向定位精度优于OCTANS航向精度，实测航向曲线SPS361航向曲线没有OCTANS航向曲线平滑，OCTANS输出航向数据较SPS361稳定。

2）由测深数据对比，采用SPS361及OCTANS输出航向值采集的数据基本相同，在多波束水深测量中可以代替光纤罗经进行航向值的输出。

3）SPS361代替光纤罗经在港珠澳大桥岛隧工程中取得良好效果，满足工程要求，采用SPS361输出数据代替航向值输出时，需注意卫星信号，在天线遮挡及卫星信号不好的状况下，航向误差值偏大，对水下地形测量会造成较大影响。

4）现阶段KONGSBERG MRU5+姿态仪横纵摇精度已经达到0.01º，在多波束测量中可以按照SPS361+KONGSBERG MRU5+来代替光纤罗经运动姿态传感器进行多波束扫测。从经济适用性上考虑可以为一般工程多波束水深测量中航向及船姿的确定提供参考。

[1]赵建虎，刘经南.多波束测深及图像数据处理[M].武汉:武汉大学出版社，2008.

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

[2]JT/T 790—2010，多波束测深系统测量技术要求[S]. JT/T 790—2010,Technical requirements for multibeaMechosoundersysteMsurveying[S].

[3]赵建虎.现代海洋测绘[M].武汉:武汉大学出版社，2008.

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

[4]冯建军.应用HYPACK软件进行航道回淤观测应注意的问题[J].水运工程，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]港珠澳大桥管理局.港珠澳大桥主体工程隧道工程施工及质量验收标准[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

刘兆权（1980—），男，山东青岛市人，高级工程师，测绘工程专业，主要从事测量工作。E-mail:825349113@qq.com