测探技术论文：测深技术在管道工程中的实用性

作者：许文彬 单位：福建省水产研究所

信标机主要采用扩展伪距差分技术，即在基准站上的接收机要算出它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值进行对比同时求出其偏差。然后将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差改正测量的伪距。最后，用户利用改正后的伪距解出自身的位置，就可消除公共误差，提高定位精度。其基本原理如下［2－4］：在信标基准站上观测所有卫星，根据基准站的已知精密坐标（X0，Y0，Z0）和由星历数据计算得到的某一时刻各卫星的地心坐标（Xj，Yj，Zj），按下式（1）求出每颗卫星在该时刻到基准站的真正距离Rj：（式略）只要同时观测4颗卫星，利用改正后的伪距ρju（t）（j＝1，2，3，4）就可按以下伪距观测方程计算用户站的坐标为：（式略）伪距差分有以下优点：1）由于计算的伪距改正数是直接在WGS－84坐标上进行的，即得到的是直接改正数，不变换为当地坐标，所以能达到很高的精度。这种改正数能提供GPS定位精度，所以在未得到改正数的空隙内能继续精密定位。基准站能提供所有卫星的改正数，而用户站只需接收4颗卫星即可进行改正，无需与基准站接收相同的卫星数。因此，用户站采用具有差分功能的简易接收机即可。伪距差分能将两站间的公共误差抵消，但随着基准站与用户站之间距离的增加，系统误差将会明显增加，且这种误差采用任何差分方法都不能予以消除。因此，基准站与用户站之间的距离对伪距差分的精度有决定性影响。为了在一个广阔的地区内提供高精度的差分GPS服务，将若干个基准站和主站组成差分GPS网。主差分接收来自各个监测站的差分GPS信号，然后将其组合并形成在扩展区域内的有效差分GPS改正电文，通过卫星通信线路或无线电数据链把扩展GPS改正信号传送给用户站，这就形成了扩展的差分GPS。扩展差分GPS的基本思想是对GPS观测量的误差源加以区分，并单独对每一种误差分别加以“模型化”，然后将计算出的每一误差源的数值，通过数据链传输给用户站，改正用户站的GPS定位误差。广域差分不仅扩大了差分GPS的有效工作范围，而且保证了该区域的定位精度［2，5－6］。

系统调试整个系统由4个部分组成，共有7根电缆线进行连接，按照图1进行系统连接，同时还要将测深杆进行有效的固定，GPS天线应尽可能地放在测深杆的正上方，否则还需进行偏心改正。系统调试时主要测试外业采集软件HypackMax（美国CoastalOceanographics公司生产）的显示及运行状况，用测深杆的实测水深与测深仪所测得的水深进行比较，并通过吃水和声速进行调整，以达到两种数据的一致。区域坐标转换参数的确定为了将GPS测得的WGS－84坐标转至西安80坐标系，具体外业实测之前，应在至少3个四等以上的西安80坐标系统下的起算点上安置GPS接收机，各自观测1h，以便准确地求得系统转换参数。3．3水尺制作及水位的读取水位测量是水深测量不可缺少的数据，因此在海底管道工程勘测前、后，都要从现有水文站上（或设临时水尺）获取观测期间的水位数据，以便对测得的水深进行一定的改正［6－7］。纵断面测量对于海底管道的勘测可分两步进行。第一步，沿平行管道路由中心线，以管道路由中心线为轴线向两侧各推进150m的区域纵断面；第二步，沿垂直管道路由中心线，以管道路由中心线为轴线向两侧各推进150m的区域进行横断面测量（图略），并对周边障碍物进行较为详细的勘测。纵断面测量比较方便，只需将测量船沿管道中心线行驶（测量时的航速控制在8km／h左右），DGPS测量系统便能按一定距离自动准确记录点位坐标和水深数据。当沿管道路由行驶段无障碍物（如无海上养殖等）时，测量船正常行驶即可；当航道行驶段有障碍物（具体表现为养殖区和渔网区等）时，首先用数码相机拍摄障碍物的数码相片，然后在GPS天线到达其位置时，用手动记录下其点位，并在航迹图上用指定的符号进行表示，用其名称进行中文注记。当海底管道纵断面测量完成后，可将其数据记录文件导入相应的成图处理文件。根据各个仪器（测深仪换能器等）不同的位置偏移量，剔除误差较大的测点，并经过适当的编辑处理之后（如将因避让导致的曲线拉直等），即可计算整条海底管道路由的里程、各路由段的曲率半径和偏角、水深、主要碍航物等勘测参数，生成相应的航迹图。横断面测量纵断面测量过程中，根据水深变化实时调整仪器增益，测深仪对水深值进行吃水、水位实时改正，而HypackMax软件则将瞬时水深数据和定位数据进行记录，测深仪同步进行水深模拟打印，这样便形成纵断面图。此时可清楚观察到每一海底管道路由段的水深情况，因而可确定横断面的测定区域。在横断面测量之前，可在计算机上设定好3～5条横断面测量设计线，测线间隔为25m。具体测量时可用DGPS水深测量系统进行，测深点间隔为2m。当测量船无法靠岸时可辅之以测绳加测杆的传统方法进行。当测量船行驶段有障碍物时，首先用数码相机拍摄障碍物，然后将测量船设有GPS天线的一侧小心靠近障碍物的位置，并手动标定其点位，用建筑物的名称进行中文注记，测定障碍物的详细参数如用手持测距仪测定养殖设施的主要尺寸等。对于障碍物较少的路由区域，可将纵、横断面的两次测定过程简化为一次测定，以提高作业效率。对于水面较窄的海底管道路由区域，由于测量船较难转弯，也可采用定位精度较底（10m）的手持式GPS接收机测定航迹线和障碍物的位置，并结合用测绳加测深仪或测杆的传统方法测定海底管道路由的水深。外业数据的处理使用HypackMax软件对水深数据进行处理，先将水深值与模拟记录纸进行对照检查，排序，去掉错误、多余和重复的数值后，通过潮位数据、声速数据改正，输出为Auto－CADDXF文件。在AutoCAD平台上对图形文件进行文字注记、勾绘等深线（等深线间隔为1m。当海底坡度变化很大时，等深线适当压缩）、设计图幅和进行必要的编绘，获得最终水深［8］。3．7外业勘测注意事项外业勘测过程中应注意：1）由于GPS信标台的差分信号来源于我国交通部在沿海建立的GPS公用信标台站，对内陆的作用范围仅在300km以内，故受地域局限，该系统仅适用于我国沿海地区。2）数字测深仪的稳定工作至关重要，每天工作前都应通过调整换能器的吃水改正和声速改正使测量值尽量接近测深杆的实测值。同时对海床较浅的海底管道路由区域，测深仪的灵敏度应放在“2”较为适宜。3）信标机在工作过程中应设置成自动寻找信标台站。若精度要求不高（＜10m）时，信标机还可设置成“无差分记录”功能。4）电源的有效供电对提高系统的作业效率十分重要，因此在工作过程中不仅要为系统配备一个高性能的蓄电池，而且还应配备一个备用电池，以确保系统正常工作。5）因各测区水深变化较大，测量人员在操作仪器时应根据所处海域环境及时调整工作参数，使DGPS测深技术中的水深测量系统所采集的数据达到最佳效果。

福建LNG站线湄洲湾海底管道工程路由勘测应用了先进的差分全球定位系统（DGPS）。实践表明，DGPS测深技术的引入和应用，摒弃了传统的测绳加测深杆的方法，具有很强的优越性。该技术极大地提高了海底管道工程的勘测水深精度，同时为海底管道工程的后期路由防护提供了良好的勘测技术基础。然而，虽然DGPS测深技术逐步为海底管道工程所采用，但其是一个不断探索、不断完善的过程。新的工程技术要求我们不断完善和改进测量仪器，如多波束测深系统已较大规模投入水深测量，机械激光测深、遥感水深测量也将实用化。同时外业采集软件及内业处理软件也在不断的发展完善，使其更加人性化和智能化。因此，只有不断适应新的科学发展形势，经常注入新技术、扩充新功能，才能不断提高海洋工程成果质量。