無人船在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用與探討

毋益萌 田浩

中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 陜西西安 710100

1 無人船測(cè)量系統(tǒng)及其基本原理

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

無人測(cè)量船是將先進(jìn)的智能導(dǎo)航水面機(jī)器人技術(shù)與測(cè)量監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合的一種無人駕駛水上測(cè)量設(shè)備，系統(tǒng)主要組成包括高精度定位系統(tǒng)、動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，可快速、精確地獲取水下地形數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化的水上測(cè)量，廣泛應(yīng)用于小河流、湖泊、港灣、近海區(qū)域測(cè)量或者測(cè)速工作。無人船測(cè)量可以分為手動(dòng)和自動(dòng)2種方式。這2種測(cè)量方式根據(jù)工作環(huán)境不同可以任意切換，當(dāng)水域環(huán)境較好無障礙物時(shí)，可切換為自動(dòng)測(cè)量方式；當(dāng)水域環(huán)境比較復(fù)雜，障礙物比較多或者自動(dòng)測(cè)量方式無法正常運(yùn)行時(shí)，可以切換為手動(dòng)測(cè)量方式[1]。

1.2 單波束與多波束測(cè)深原理及優(yōu)缺點(diǎn)

測(cè)深系統(tǒng)是無人船測(cè)量系統(tǒng)的核心組成部分，目前應(yīng)用比較廣泛的有單波束和多波束測(cè)深系統(tǒng)。單波束與多波束測(cè)深的工作原理，在本質(zhì)上都是利用換能器垂直向下發(fā)射出的脈沖聲波，遇到水下地物發(fā)生反射這一原理進(jìn)行水下地形測(cè)量。但是，多波束測(cè)深系統(tǒng)在換能器上與單波束有區(qū)別，多波束利用多個(gè)換能器單元組成陣列，在測(cè)深過程中可以同時(shí)發(fā)射和接收多個(gè)波束，并對(duì)水下地形進(jìn)行條帶式測(cè)量。

單波束測(cè)深系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備組成及安裝簡(jiǎn)單，在外業(yè)測(cè)量過程中通常只需要進(jìn)行定位和動(dòng)吃水改正，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理也比較簡(jiǎn)單，能輸出不同數(shù)據(jù)格式的成果；缺點(diǎn)是水下相鄰兩點(diǎn)間的微地形不能探測(cè)到，若要提高作業(yè)區(qū)水下地形測(cè)量的精度，只有加密測(cè)線，這無形中增加了生產(chǎn)成本。

多波束測(cè)深系統(tǒng)在測(cè)量范圍、速度、精度和效率上優(yōu)于單波束測(cè)深系統(tǒng)。多波束將測(cè)深技術(shù)從點(diǎn)、線擴(kuò)展到面，并逐步發(fā)展到三維立體測(cè)深及自動(dòng)化成圖，廣泛應(yīng)用于大面積海底地形測(cè)量，但多波束設(shè)備組成及安裝較復(fù)雜，外業(yè)操作較煩瑣且內(nèi)業(yè)處理耗時(shí)較長(zhǎng)。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，若單波束測(cè)深和多波束測(cè)深都滿足作業(yè)要求，則優(yōu)先選擇單波束更為便捷[2]。

1.3 無人船測(cè)量系統(tǒng)基本原理

GNSS 系統(tǒng)和測(cè)深儀組成了一套完整的水下地形測(cè)量系統(tǒng)。無人船的測(cè)量數(shù)據(jù)由無人船傳輸天線通過網(wǎng)橋傳輸?shù)降孛婀ぷ髡局校瑹o人船在工作中可以通過地面工作站和遙控器進(jìn)行控制。無人船系統(tǒng)的核心是測(cè)深系統(tǒng)，其工作原理與傳統(tǒng)單波束的原理相同，都是利用回聲定位原理，

根據(jù)無人船水下地形測(cè)量原理，設(shè)由無人船上GNSS獲得的高程值為HG，換能器至水底的深度為H3，在實(shí)際測(cè)量過程中，GNSS接收機(jī)到水面的高度為H1，換能器底部至水面的高度為H2，則無人船任意位置對(duì)應(yīng)水底點(diǎn)的高程

式中，HG是GNSS接收機(jī)獲取的高程值，ΔH則是船體的姿態(tài)改正。

2 無人船水下地形測(cè)量

無人船測(cè)量時(shí)要選擇合適的天氣，盡量選擇風(fēng)浪小、能見度高的天氣。將無人船的RTK、電池、螺旋槳、遙控天線等設(shè)備按正確方式連接到無人船船體上，使用手簿登錄省CORS，輸入?yún)?shù)后，檢查船體是否正常，若正常，無人船就可下水進(jìn)行測(cè)量。在下水之前，首先要觀察測(cè)量區(qū)域的周邊地理環(huán)境，綜合考察周邊環(huán)境以后，選擇合適的地點(diǎn)將無人船放下水，以確保無人船無碰撞，保證測(cè)量項(xiàng)目順利進(jìn)展。

2.1 數(shù)據(jù)采集

測(cè)量之前需要進(jìn)行航線布設(shè)。航線布設(shè)有2種方法：一種是事先設(shè)計(jì)好計(jì)劃線，直接導(dǎo)入到無人船操作電腦端，這種方法比較方便，但是不能根據(jù)實(shí)測(cè)環(huán)境進(jìn)行布設(shè)，會(huì)導(dǎo)致測(cè)線過短或者過長(zhǎng)，影響測(cè)量效果；另一種是根據(jù)實(shí)測(cè)地理環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)測(cè)線，這樣做雖然比較麻煩，但是卻能布設(shè)適合測(cè)區(qū)的計(jì)劃線，保證測(cè)量效果[3]。

計(jì)劃線布設(shè)好，檢查船體儀器連接正常無誤后，操控電腦端或遙控器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.2 無人船測(cè)量誤差分析及精度評(píng)價(jià)

2.2.1 誤差分析

水下地形測(cè)量誤差來源主要包括天氣影響、儀器設(shè)備本身影響以及人為操作影響，根據(jù)誤差來源可以分為定位誤差、運(yùn)動(dòng)誤差、測(cè)深誤差、環(huán)境誤差、聲速誤差等。本文著重分析定位誤差中的無人船姿態(tài)產(chǎn)生的平面位置誤差和測(cè)深誤差中的聲速誤差。

（1）平面位置誤差。采用無人船測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行水下地形測(cè)量時(shí)，由于船體姿態(tài)的變化，在一定程度上會(huì)引起 GNSS 接收天線和換能器發(fā)生變化，產(chǎn)生中心偏差，進(jìn)而對(duì)平面位置誤差產(chǎn)生影響。

（2）聲速誤差。水體的含鹽度、水溫以及渾濁度都會(huì)影響聲波在水中的傳播速度，不同的水質(zhì)，聲波速度不同，聲速隨水質(zhì)變化而變化。

2.2.2 精度評(píng)價(jià)

質(zhì)量控制環(huán)節(jié)。通常情況下，采用“等精度觀測(cè)”的方式對(duì)水深測(cè)量精度進(jìn)行檢測(cè)，即布設(shè)一定數(shù)量的檢查線，這些檢查線與主測(cè)線相垂直。等精度水深測(cè)量完成后，對(duì)主測(cè)線和檢查線的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理，并對(duì)主測(cè)線和檢查重合點(diǎn)的差異進(jìn)行對(duì)比分析，是否在誤差精度允許的范圍內(nèi)。

3 結(jié)語

目前，無人船測(cè)量技術(shù)尚未成熟，仍處于發(fā)展階段，但是，無人船測(cè)量技術(shù)無疑為傳統(tǒng)水上測(cè)量方式提供了一個(gè)新的發(fā)展方向。隨著水下動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)、復(fù)合材料技術(shù)以及測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，無人船的水下地形測(cè)量技術(shù)應(yīng)用將更加普遍和廣泛。