一体化单波束精密测深方法研究.doc
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1、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 SystemYA
2、NG 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 integrat
3、ed 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 a
4、chieved 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16。中国测绘学科发展蓝皮书(2023卷)指出,目前,
5、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68。目前,国内外开展了简易无验
6、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
7、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
8、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
9、: (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
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