一体化单波束精密测深方法研究.doc

一体化单波束精密测深方法研究
杨保岑1 梁武南2 梁超峰1 舒晓明1 朱江彦1 张 典1
（1.长江航道测量中心，武汉 430010；2.长江航道局，武汉 430010）

摘 要 在系统分析现有测深方法局限性的基础上，本文给出了一种基于GPS RTK、单波束测深仪、姿态传感器和罗经的一体化单波束精密测深系统，并在此基础上，研究给出了一套精密测深数据解决方法。结合实际工程，对该系统和方法开展了实验验证，取得了抱负的效果。
关键词 一体化测深；GPS RTK；综合改正；水下地形测量

Study on Integrated Precise Sounding Based Single Beam System
YANG Baocen1, LIANG Wunan2, LIANG Chaofeng1, SHU Xiaoming1, ZHU Jiangyan1, ZHANG Dian1
（1.Changjiang Waterway Survey Center, Wuhan, 430010; 2.Changjiang Waterway Bureau, Wuhan, 430010）

Abstract：Based on analysis of the current situation and shortcoming of traditional single-sounding system, the integrated sounding based on single beam with GPS RTK technology, sounding technology and motion reference unit as well as compass is presented in this paper. The units of the system and data processing method are depicted in detail. Finally, the system and these methods are used in an actual project, and achieved higher accuracy relative to traditional bathymetric method.
Keywords: Integrated sounding; GPS RTK; Synthetic correction; Underwater topographic surveying.

传统水下地形测量借助水位改正模型获取的测深处水位，然后减去观测水深，得到水下地形点高程，计算过程没有考虑测船姿态对测深的影响，无法获得测深点位处准确的水位，因而导致水下地形精度不高，给航道保障应用和航行安全带来了一定的问题[1]~[6]。中国测绘学科发展蓝皮书（2023卷）指出，目前，高新技术装备的使用为水下地形测量提供了强有力的技术支持，海道/航道测量学家和测量工程师满怀信心盼望能得到与陆地地形测量相媲美的结果，但近2023实践表白，采用了高精度的测深仪器却往往得不到高精度的水下地形测量成果。研究和实践证实，水位改正效应和测深效应两方面因素严重制约着水下地形测量精度的提高[1]。赵建虎在其2023年和2023年的研究中认为，目前测深设备的测深精度在抱负情况下均可以达成0.3%水深，完全可以满足IHO S-44水深测量精度规定，但测量成果的综合水深精度却远远低于该指标。其因素在于，未能为测深系统换能器提供精密的瞬时三维基准和未严格顾及测深效应影响[6][8]。目前，国内外开展了简易无验潮水下地形测量方法研究，虽然从理论上消除了潮位模型误差影响，但尚未顾及船体姿态因素影响、船速突变引起的Heave异常因素影响、GPS RTK与测深数据的同步问题和异常定位解的质量问题等因素影响。在海况变化较大时，简易无验潮水下地形测量方法往往难以取得令人满意的成果。为此，本文给出了一种一体化精密单波束测深系统和数据解决方法，以期克服传统方法的局限性，提高水下地形测量成果的质量。
1 基本原理
一体化单波束精密测深系统由GPS RTK系统、单波束测深系统、罗经和姿态传感器MRU（Motion Reference Unit）组成。系统组成、在测量船上的配置以及工作原理示意图如图1所示。

图1 一体化精密测深系统机器工作原理示意图
如图1所示，若GPS RTK定位解为（X, Y, H）GPS，GPS天线相位中心在船体坐标系下的坐标为（xG0, yG0, zG0），换能器在船体坐标系下的坐标为（xT0, yT0, zT0），抱负海况下，即横摇r、纵摇p以及涌浪Heave均为0，波束在床底投射点的坐标（X, Y, H）B为：
（1）
式中，D为换能器实测水深。
以上为抱负状况，测船实际航行时，由于受风浪和船体操纵等因素影响，会发生横摇（r）、纵摇（p）及船体的上下起伏变化（Heave），改变了GPS天线、测深仪换能器、姿态传感器MRU（Motion Reference Unit）等传感器在抱负船体坐标系下的坐标，为了获得瞬时测点的三维坐标，必须一方面进行姿态改正解决。姿态改正的重要作用有三个：
（1）根据GPS天线处的瞬时三维坐标获取换能器处的三维坐标；
（2）根据GPS天线处的瞬时测量高，结合水深，获取海底点的高程；
（3）补偿船体姿态变化给瞬时海面高程、测深带来的影响。
姿态改正的关键是研究抱负船体坐标系与瞬时船体坐标系之间的关系，构建由横摇和纵摇组成的瞬时旋转矩阵，对GPS天线在船体坐标系下的瞬时坐标进行计算，再结合其瞬时定位和测深信息，最终获得海底点的高程。姿态改正可通过下式来实现：
（2）
借助式（2），对GPS和换能器在船体坐标系下的坐标进行上述变换，基于式（3）获得换能器的瞬时三维坐标为：
（3）
式中，下标GPS和T分别为GPS和换能器在抱负船体坐标系下的坐标。
则波束在床底投射点的高程HB为：
（4）
波束点的平面位置也即为换能器的平面位置。
这样，就获得了波束在床底投射点的三维坐标。
2 关键问题
（1）GPS RTK质量控制
根据以上理论和方法，不同于传统水深测量，一体化精密水深测量中每个历元的GPS RTK平面和高程解均需准确，否则将会影响最终水下地形测量成果。因此，需对GPS RTK的观测数据进行质量控制。
平面解的质量控制采用一点一方位推算法来实现异常解的检测和修正。
（5）
由于GPS和姿态传感器MRU监测的是同一测量船，因此，运用MRU输出的Heave（涌浪参数）可直接对异常高程解进行检测和修正，修正模型如式（6）所示。
（6）
其中，t为异常时刻，t0为RTK正常定位时刻；v0为船速；q为罗经提供的方位；Heave（t）和Heave（t0）分别为t和t0时刻的涌浪值，相应时刻的GPS高程为ht和h0。
姿态传感器MRU输出的Heave在短时间内可以对的反映船体的高频垂直运动，而难以对的反映船体的低频垂直运动，对于长时间（3分钟以上）连续异常，基于式（6）无法得到很好的异常修复，需要借助GPS潮位与Heave相结合的方法实现异常的修复[7]。
（2）时延探测及改正
水下地形测量中，由于GPS RTK内部算法、数传和编码问题常导致测深和定位不同步，即存在时间延迟。为保证两者的同步，必须进行时延的探测和修正。
目前常用的时延拟定方法重要是通过定位数据寻求同一水深特性点的两个位置P1（x1，y1）和P2（x2，y2），得届时延位移L，再结合船速v计算时延Dt，即
（7）
该方法虽然简朴，但在实际操作中有很大的局限性。在风浪等因素作用下，船体姿态会对水深测量带了较大影响，单凭测深数据难以精确得到同一水深特性点的位置。此外，单个测点计算出来的时延难以真正反映整个系统的时延。为此，本文运用往、返测量断面测深成果，给出一致断面整体平移法。
一体化精密水深测量中，GPS和测深仪均可以以比较高的采样率（如10Hz）实行定位和深度数据采集，实测数据可以以密集的数据呈现水下断面的起伏变化，在船速一定的情况下，可以捕获断面上每一个特性地形细节。因此，实际测点序列连线可以构成一条曲线。由于地形是不变的，因此，比较往返断面曲线的相似性，即可实现时延的拟定。
两个断面的相关系数可以运用式（8）拟定。
（8）
式（8）表白，存在两个序列hA和hB，当两个序列完全同样时，则相关系数R为1；当两个断面不存在相似性时，相关系数R为0。若以往测断面中的高程时序hA为参考，每移动一个距离d，就会得到一个相关系数R，连续移动，可以得到一组相关系数R和移动量d，这样，比较其中的R，当相关系数R最大时，表白往返断面达成最大一致。则这时的移动量dR-max可以认为是由于时延导致的两个断面的不相似。若往返断面测量中的平均船速分别为和，则系统时延Dt为：
（9）
基于断面相似性原理实现时延拟定需要的数据密度非常大，只有通过高采样率的设备来获取，如运用Hypack导航系统记录的所有原始数据，通过水深编辑等各项改正后，即可实现时延拟定。该方法根据往返断面数据实现整个系统时延的拟定，同时由于参与时延计算的数据密度非常大，因此，在理论上相对传统方法具有较高的时延拟定精度。
3 实验及分析
为检查上述提出的系统和数据解决方法的对的性，在长江某水域开展了一体化精密水下地形测量实验。GPS RTK基准站架设在距离实验水域10km的岸边控制点上，实验区域面积约0.8km2，共布设了24条横断面及4条纵断面，横断面长约500m，纵断面长约1300m，测量水深为10～20m。为实现GPS RTK测量，在岸边布设了GPS控制网，并开展了实际观测和数据解算，并基于此，给出了用于坐标转换的7参数。为进行后续的资料解决及改算，实验前，在罗经、姿态传感器、GPS卫星天线及测深仪安顿好后，采用自由设站法，测定船上各传感器在船体坐标系下的坐标。

图2 测深计划线布置图
一方面对原始GPS RTK解、水深、姿态、方位等观测数据进行质量控制，消除异常测深解的影响；然后对GPS RTK解进行时延改正、姿态改正，获得单波束换能器处的瞬时高程，然后再结合测深值，计算波束在床底投射点（测深点）的平面和高程坐标。
为检查本文所述方法的对的性，对图2中24个横断面和4个纵断面的有效交叉点上两次测试的不符值进行比较，不符值分布如图3所示。

图3 交叉点不符值分布

图4 反复测线不符值分布
提取反复测量断面，比较同一位置不同测次的深度测量值，计算两者的不符值，深度不符值分布如图4所示。
对图3和图4中的不符值进行记录分析，记录参数如表1所示。
表1 交叉点和反复测线不符值记录参数
记录参量
类别
最大值/m
最小值/m
均值/m
均方根/±m
交叉点
0.14
-0.28
-0.02
0.07
反复测线
0.17
-0.26
-0.01
0.07
从以上图表可以看出，本文给出的一体化精密水下地形测量方法最大、最小不符值小于0.3m，均值均接近0，均方根为±0.07m，误差分布具有零均值、高斯正态分布特性，以及较高的测深精度。
为进一步检查一体化精密水深测量方法的对的性及各项改化计算的合理性，将采用传统验潮方法获得的断面成果与本文给出的数据解决方法所得断面成果进行比较，两种情况下所得断面如图4所示。

图4 传统验潮与无验潮模式精度比较图
从上图可以看出，传统验潮方法由于受到潮位模型、船姿等因素的影响，实测测点高程浮动较为严重，测量成果的内部一致性较差，其床底地形较一体化精密水深测量结果有明显下沉趋势。可见，本文给出的一体化精密水深测量和数据解决方法所得断面成果更为合理，精度可靠。
4 结论
针对传统水下地形测量方法的局限性，本文所给出的这种一体化精密水下地形测量系统及其数据解决理论和方法，有效的提高了水下地形测量成果的质量，并得到了实践的检查和验证。

参考文献：
[1] 中国测绘学会编. 中国测绘学科发展蓝皮书（2023卷）, 测绘出版社, 2023
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