無(wú)人艇搭載多波束測(cè)深精度分析

劉洋 趙瑞琪 汪連賀

摘? 要：無(wú)人艇水深測(cè)量代表了海洋測(cè)量裝備自動(dòng)化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)，是海洋測(cè)量技術(shù)研究的熱點(diǎn)。本文以3 m無(wú)人自主導(dǎo)航艇為載體搭載多波束組成無(wú)人艇系統(tǒng)，進(jìn)行了多波束測(cè)深數(shù)據(jù)獲取，對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)的內(nèi)符合精度和外符合精度進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，結(jié)果可滿足相關(guān)規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：無(wú)人艇;多波束;測(cè)深精度

1 概 述

無(wú)人艇具有吃水淺、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、安全高效等特點(diǎn)，在軍事領(lǐng)域以及海洋科考方面極具發(fā)展?jié)摿Γ瑧?yīng)用前景廣闊。無(wú)人艇在軍事領(lǐng)域應(yīng)用歷來(lái)已久，早在二戰(zhàn)期間美軍利用無(wú)人艇來(lái)遠(yuǎn)程作戰(zhàn)，但在海洋勘探以及海洋資源開(kāi)發(fā)利用方面起步較晚[1]。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)多家科研單位和相關(guān)企業(yè)對(duì)無(wú)人艇搭載多波束測(cè)深開(kāi)展了研究實(shí)驗(yàn)，取得了良好成果。在水深測(cè)量中船型及推進(jìn)方式設(shè)計(jì)、測(cè)量設(shè)備加裝、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、測(cè)量艇吊放回收等關(guān)鍵技術(shù)取得了突破，無(wú)人艇搭載多波束測(cè)深技術(shù)也相應(yīng)日趨成熟。在海洋測(cè)繪中，多波束是目前主要的探測(cè)手段，從測(cè)深技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，其研究和應(yīng)用已達(dá)到了較高的水平，特別是近十幾年，隨著電子、計(jì)算機(jī)、新材料和新工藝的廣泛使用，多波束測(cè)深技術(shù)已廣泛應(yīng)用于海洋測(cè)繪調(diào)查項(xiàng)目中。

2 數(shù)據(jù)獲取

為了研究無(wú)人艇搭載多波束測(cè)深的精度情況，2017年天津海事測(cè)繪中心開(kāi)展青海湖海圖測(cè)繪工程期間，在青海湖進(jìn)行了無(wú)人艇測(cè)試數(shù)據(jù)的獲取，時(shí)間為7月4日至7月11日。青海湖具有氣象因素影響小、無(wú)海洋潮汐變化等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)條件，便于開(kāi)展無(wú)人艇搭載多波束測(cè)繪技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、數(shù)據(jù)采集、分析等工作的進(jìn)行。系統(tǒng)組成以3 m無(wú)人自主導(dǎo)航艇為載體，安裝動(dòng)力電池和24VDC轉(zhuǎn)220VAC逆變器，搭載多波束、定位設(shè)備、姿態(tài)傳感設(shè)備、電臺(tái)通信設(shè)備等組成無(wú)人艇測(cè)深系統(tǒng)，多波束采集、導(dǎo)航軟件使用海測(cè)大師2016，處理軟件采用CARIS HIPS&SIPS8.1。各部分設(shè)備型號(hào)及主要性能參數(shù)見(jiàn)表1：

設(shè)備檢查和安裝，包括組裝小艇電池等設(shè)備，獨(dú)立測(cè)試電臺(tái)、SONIC2024多波束、OCTANS光纖羅經(jīng)，NAV-3050 GPS和AML表面聲速儀等設(shè)備，各設(shè)備通信、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行通信及功能性檢測(cè)，之后組裝系統(tǒng)吊放入水。系統(tǒng)各設(shè)備安裝位置以多波束聲吶頭安裝桿與水面交點(diǎn)作為參考點(diǎn)，定義船坐標(biāo)系，船右舷方向?yàn)閄軸正方向，船頭方向?yàn)閅軸正方向，垂直向下為Z軸正方向，水深測(cè)量前量取各傳感器相對(duì)于參考點(diǎn)的位置，往返各測(cè)量一次，取其平均值。各設(shè)備安裝位置如圖1所示， 各傳感器的相對(duì)位置值見(jiàn)下表2：

多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行了換能器安裝偏差標(biāo)定測(cè)量，選擇在碼頭附近進(jìn)行，該處水深坡度變化明顯，符合多波束校準(zhǔn)要求。使用的C-Nav3050型星站差分定位設(shè)備可輸出1PPS、ZDA信號(hào)，使多波束處理單元時(shí)間始終與GPS 的時(shí)間保持一致，實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間同步，故無(wú)需進(jìn)行時(shí)間延遲測(cè)定。校準(zhǔn)時(shí)采集多余觀測(cè)數(shù)據(jù)，取其平差值，通過(guò)平坦區(qū)域同線同速反向的條帶斷面測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)試換能器的橫搖（Roll）為-1.32°;通過(guò)水深變化大的區(qū)域同線同速反向的中央波束測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)試換能器的縱搖（Pitch）為-0.72°;通過(guò)水深變化大的區(qū)域異線（間距為覆蓋寬度的2/3的兩條測(cè)線）同速反向邊緣測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)試換能器的艏搖（Yaw）為0.57°，校準(zhǔn)效果見(jiàn)圖2。多波束測(cè)深數(shù)據(jù)處理采用CARIS HIPS and SIPS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、聲速剖面改正、潮汐改正、線模式編輯、SUBSET子區(qū)編輯，最后采用CARIS GIS4.5a軟件進(jìn)行多波束水深數(shù)據(jù)的壓縮和輸出比例尺為1：500，碼頭前沿的數(shù)據(jù)效果見(jiàn)圖3：

3 精度分析

從用戶角度進(jìn)行精度分析一般采用內(nèi)符合精度和外符合精度兩個(gè)指標(biāo)。內(nèi)符合精度通過(guò)采用同一套測(cè)深系統(tǒng)對(duì)某區(qū)域通過(guò)主檢測(cè)線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，主測(cè)線和檢查線垂直布設(shè)，對(duì)重疊點(diǎn)水深進(jìn)行比較，計(jì)算差值并統(tǒng)計(jì)不同偏差的水深數(shù)量和比例，確定測(cè)深系統(tǒng)的內(nèi)符合精度指標(biāo)。這種方法是多波束測(cè)深系統(tǒng)自身測(cè)量數(shù)據(jù)間進(jìn)行的精度評(píng)估即內(nèi)符合精度，可以確定除了系統(tǒng)偏差外的綜合誤差，是一種多波測(cè)量水深精度的有效評(píng)估方法[2]。內(nèi)符合精度可以確定系統(tǒng)穩(wěn)定性，分辨率等自身指標(biāo)。同時(shí)由于系統(tǒng)最終數(shù)據(jù)精度受多種因素影響，僅考慮內(nèi)符合精度是不夠的，因此還需要已經(jīng)通過(guò)理論和實(shí)踐證實(shí)的技術(shù)方法作為基準(zhǔn)參照，進(jìn)行外符合精度評(píng)定。外符合精度通過(guò)采用不同測(cè)深系統(tǒng)對(duì)某區(qū)域通過(guò)主檢測(cè)線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，待測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行主測(cè)線采集，校對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢查線采集或區(qū)域全覆蓋采集，主測(cè)線和檢查線垂直布設(shè)或全部進(jìn)行全覆蓋測(cè)量，對(duì)重疊點(diǎn)水深進(jìn)行比較，計(jì)算差值確定測(cè)深系統(tǒng)的外符合精度指標(biāo)。外符合精度可以確定測(cè)深系統(tǒng)準(zhǔn)確度、精度等指標(biāo)。

內(nèi)符合精度在青海湖同一區(qū)域不同方向（相互垂直）布設(shè)計(jì)劃測(cè)線，分別命名為測(cè)線a和測(cè)線b，測(cè)線a垂直岸線和等深線，測(cè)線b平行岸線和等深線，然后分別于不同時(shí)段（2017年7月7日、7月9日）按照兩組測(cè)線對(duì)該區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。7月7日，無(wú)人艇按照測(cè)線a垂直等深線、岸線進(jìn)行內(nèi)符合試驗(yàn)，每條測(cè)線長(zhǎng)270 m，測(cè)線間隔20 m，測(cè)量主線為25條，檢查線為2條。7月9日，無(wú)人艇按照測(cè)線b平行于等深線、岸線進(jìn)行內(nèi)符合試驗(yàn)，測(cè)量主線為31條，檢查線為2條。測(cè)量航跡如圖4所示：兩次測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)CARIS軟件處理后生成的水深成果面，如圖5所示。

測(cè)線a所采集多波束數(shù)據(jù)的水深范圍為0.97～10.78 m，水深樣本數(shù)為825 241。測(cè)線b所采集多波束數(shù)據(jù)的水深范圍為1.01～11.41 m，水深樣本數(shù)為884 309。內(nèi)符合精度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果是通過(guò)Caris HIPS處理檢查線和主線數(shù)據(jù)獲得，多波束水深數(shù)據(jù)按照IHO S44標(biāo)準(zhǔn)[3]QC精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

圖6從左至右依次為按照IHO S44特級(jí)、一級(jí)、二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)處理統(tǒng)計(jì)結(jié)果，上面3幅圖為測(cè)線a、下面3圖為測(cè)線b：

由此可明顯發(fā)現(xiàn)測(cè)線b的數(shù)據(jù)質(zhì)量要優(yōu)于測(cè)線a，原因?yàn)闇y(cè)量時(shí)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，測(cè)線b為順風(fēng)測(cè)量，無(wú)人艇受風(fēng)浪影響小，姿態(tài)較測(cè)線a更為穩(wěn)定。同傳統(tǒng)多波束測(cè)量相同，通過(guò)無(wú)人艇獲取的多波束數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯受風(fēng)浪影響而變差。

針對(duì)無(wú)人艇測(cè)線a和測(cè)線b兩次不同方向相互垂直的測(cè)線測(cè)量，比對(duì)兩次測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)角方向水深剖面對(duì)比情況良好，如圖7所示（黑線為測(cè)線a紅線為測(cè)線b）：

以測(cè)線b多波束數(shù)據(jù)為比對(duì)基準(zhǔn)對(duì)測(cè)線a數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)作為內(nèi)符合精度;以傳統(tǒng)測(cè)量船安裝多波束方式作為校對(duì)系統(tǒng)， 2017年青海湖傳統(tǒng)測(cè)量船安裝多波束方式測(cè)量同一區(qū)域的測(cè)深數(shù)據(jù)作為參考值，對(duì)無(wú)人艇搭載多波束測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，作為外符合精度。比對(duì)半徑按照?qǐng)D上間距1 mm設(shè)定，通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)，測(cè)深重合點(diǎn)不符值小于0.3 m[4];比對(duì)結(jié)果內(nèi)符合、外符合精度滿足相關(guān)測(cè)量規(guī)范要求。內(nèi)外符合比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表4。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果精度分析表明，在海況較好情況下，無(wú)人艇搭載多波束可滿足IHO海道測(cè)量規(guī)范（S-44）、海道測(cè)量規(guī)范、沿海港口航道測(cè)量技術(shù)要求和交通運(yùn)輸部多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量技術(shù)要求等相關(guān)測(cè)量規(guī)范要求。同時(shí)，無(wú)人艇有著淺水測(cè)量、精細(xì)測(cè)量、減少人力等優(yōu)勢(shì)，無(wú)人艇搭載多波束技術(shù)在海洋測(cè)繪等多種調(diào)查任務(wù)中針對(duì)淺水區(qū)域、水下地形復(fù)雜的特殊環(huán)境有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

劉洋，從事海事測(cè)繪專業(yè)領(lǐng)域，18920280140

資助項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFF01013404）自組網(wǎng)海洋環(huán)境多參數(shù)測(cè)量?jī)x