跨海大桥下GPS信号盲区换能器瞬时基准精密确定方法研究

The erosion and siltation of the pier body and bridge district sea-bed of the cross-sea bridge has been the important impact factor of the bridge safety . During monitoring, due to obscuring by the bridge, navigation accuracy of the GPS signal is poor or it can not navigate in the bridge area ; At the same time, due to the cross-sea bridge is more than in the complex area of the Strait or the Gulf tidal changes, and the bridge span is longer, it get more difficult that is real-time,high-resolution and accurate tidal near the measuring vessel. For these two reasons, the accuracy of horizontal datum and vertical datum is poor in the multi-beam acoustic emission moment. To solve the above problems, first, the project proposes the time synchronization technique that is based on the vertical characteristics of multi-source signal matching, and unifies the time datum of the multi-sensor; Second, in order to solve the GPS signal navigation blind area problems in the piers of the cross-sea bridge, the project introduces the navigation system that integrates GPS of a multi-modal Kalman filtering and shipboard IMU, and gets an accurate transducer horizontal datum; Finally, the project proposes a method for determining the vertical datum of the multi-beam transducer based on the dual boats( 1 is used for underwater bathymetry measurement, 2 is used for GPS tide surveying) mode, and studies its operation mechanism, long-distance access to tide technology and the transient elevation reconstruction technology of the multi-beam transducer.

跨海大桥墩体及桥区海床冲淤变形是影响桥体安全的重要因素。监测过程中,由于受桥体遮挡，GPS信号在桥区导航精度差或无法导航；同时跨海大桥多处于海峡或海湾潮汐变化复杂区域，且桥体跨度较长，测船附近实时高分辨率精确潮位获取较为困难。以上两个原因，导致多波束声波发射瞬间无论是平面基准还是高程基准精度均较差。为解决上述问题，本课题首先提出一种基于多源信号垂直特征匹配的时间同步技术，统一了多传感器时间基准；在此基础上，将一种基于多模态kalman滤波技术的GPS与船载IMU组合导航系统引入其中，解决了跨海大桥墩区GPS信号盲区导航难题，获取了准确的换能器平面基准；最后，提出一种基于双船（1号水下测量，2号GPS潮位）模式的多波束换能器高程基准确定方式，并对其运行机制、远距离潮位获取技术以及多波束换能器瞬时高程重建技术进行研究，最终获得多波束换能器声波发射瞬间高程基准。

本项目研究内容主要包括三个方面：时间基准确定、平面基准确定以及高程基准确定。项目组按照预期计划对上述三方面均进行了细致的研究。主要研究内容与项目计划书基本一致，未调整研究计划。具体研究情况如下：.1）时间基准确定.针对多传感器数据时间不同步问题，课题组计划首先以GPS采用的UTC时间为基准，基于GPS-RTK高程、IMU输出的Heave信号以及压力传感器动态吃水信号一定时间段内在垂直方向具有相似性这一物理学特征，研究了一种垂直形态特征匹配的时间同步法，该方法根据船体垂直运动相关性特征将GPS、IMU以及压力传感器时间统一；其次在前述研究基础上，在桥区选择特征明显地形，进行往返断面观测，根据短期内地形不变特性，研究基于重复断面的GPS与多波束时间同步技术，从而将GPS与多波束时间同步。.最终以GPS采用的UTC时间为媒介将上述四种传感器进行了时间同步。.2）平面基准确定.为解决桥区GPS信号盲区无法导航或导航精度差的问题，项目拟在不增加现有硬件的基础上，充分利用目前多数测量船均具有的GPS与IMU惯性测量单元，设计一套基于GPS与船载IMU组合导航系统。组合导航针对个别异常、短时异常情况、长时间异常分别展开针对性研究。最终得出基于GPS与IMU数据融合的多波束换能器在桥下导航盲区的平面基准。 .3）高程基准确定.研究了GPS高程信号、Heave的频段特征，借助数字信号处理技术，通过设计高通滤波器和低通滤波器，从换能器处的GPS信号中提取出中低频信号，从换能器处的Heave中提取出高频信号，合成产生换能器处瞬时垂直运动信号，形成全频段、无遗漏、高精度换能器垂直运动序列。同时在GPS信号盲区，采用双船模式，结合压力传感器信号。实现全区域无缝高程信号合成。