便攜式水域測量系統的研發和應用探究

徐強

摘 要：新開發的便攜式水域測量系統主要由岸基控制系統和船載系統組成。該系統結構簡單，制作材料輕量環保，非常適合隨時攜帶和運輸。由于遙控測量船主體結構小巧，因此可以在淺灘甚至岸邊行駛，能夠滿足多方位的測量需求。同時，遙控測量船屬于無人駕駛船，避免了將測量人員置于危險的水域環境下，因此可以零風險的執行測量任務。便攜式水域測量系統不僅解決了安全、穩定、便攜的問題，同時完美解決了續航時間、導航顯示等問題。隨著如今數字化技術、自動化技術、精確測量技術的進一步發展和完善，人們可以根據測量要求，努力開發自動測量、自動導航等創新型功能。將以上眾多專業技術進行合理的組合，推出新系統，必將為水下地形測量帶來一場新的革命，并將廣泛應用于航運、水利、資源調查及環保等相關領域。

關鍵詞：便攜 水域測量系統 遙控測量船 應用

中圖分類號：P228.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（c）-0081-02

水是生命之源，如今全球的水含量正在急劇減少，節約和保護水之源成為當今人類生存發展的頭等大事。要合理有效的保護水資源，首先要加強對水資源分布和各地水資源地質環境的了解，因此，水文監測成為各國發展環保事業的重要一環。然而，人們對于地球水資源詳細信息的了解和認識還不夠。

近年來，隨著定位技術、無線電傳輸技術以及自動導航技術等專業技術的快速發展，國外例如美國、日本的很多公司相繼制造了遙控測量船。如果發動機功率較小，則電機牽引力很小，在逆向水流環境下難以航行并且在水流較大時難以維持自身的穩定性。因此，單純依賴電能驅動，逆流航行、測量船穩定性及續航等問題很難得到解決，測量船的應用受到了極大的限制。其中，由美國推出的遠程遙控水文船Z-boat 1800以及日本推出的RC-S2水文調查遙控測量船，在執行測量任務的過程中經常存在電量不足的問題，如果遇上水面風浪，電能消耗更快。

在我國，長江航務管理局和長江航道局不久前共同研究推出了一套遙控測量船自動導航系統，該系統的遙控距離在4 km以上；續航時間超過4 h；船體配備高精度的測深儀、視頻系統及GPS導航系統；能夠順利執行自動導航、返航的任務并自動測繪。在緊急情況下，可以實現人為干預，手動指揮遙控。最關鍵的是，測量船發動機不再是純電動驅動，而是選用了油電混合的模式，其中汽油發動機為主引擎，在汽油發動機發生故障不能正常工作時，自動啟用電動機續航，有助于測量船按時完成任務并順利返航。這種測量船滿足如今絕大部分的測量需求，但船體較大，具體長3 m，寬0.6 m，不利于攜帶。同時，該系統還處在試驗階段，沒有應用到實際的測量工作中。因此，根據上面的介紹，油電混合雙動力系統是目前水域測量船的理想設計模式，它能夠有效解決測量船續航、安全穩定、動力、便攜等一系列問題，再結合先進的輕型化技術，以測量船安全穩定為基本前提，盡可能的減小船只大小，使其便于攜帶。

1 系統原理及架構

1.1 水下測量原理

水下地形測量是工程測量中的一種，測量江河、湖泊、水庫、港灣和近海水底點的平面位置和高程，用以繪制水下地形圖的測繪工作。現代水下地形測量技術經過這些年的發展，延伸出了更高的測量要求。它要求測量設備自動同步采集坐標點和水深的相關數據并自動存儲，可以說是一種全自動水下地形數據采集技術。水下平面坐標的獲得通過GPS-RTK和DGPS技術實現，水深數據可以利用測深儀或者多波束測得。該技術擁有測量精確、自動化程度高等顯著特點。

測量船上的RTK和GPS裝置用于接收基準站的差分信號和GPS信號，并根據這些信號計算出水下某點的坐標，在接收GPS坐標的同時，利用測深儀可以測出水下深度。對已知的水底平面坐標、水下深度數據進行整理，結合當時的水面高度，便可以順利求出水底點的三維坐標。根據以上測量原理，設計研發了便攜式水域測量系統，基本結構如圖1所示。

1.2 系統構架

①按照便攜式水域測量系統的設計原理制出的遙控測量船長1.05 m，寬0.75 m，同時，通常還會在船體上加裝可拆卸的平衡翼，此時測量船長度達到1.50 m，寬也達到1.30 m。慶幸的是，測量船的主體部分相對比較小巧，便于放入汽車后備箱，隨時攜帶。按照功能的不同，又可以將便攜式水域測量系統分為岸基控制系統和船載系統兩部分，其基本結構分別如圖2、圖3所示。

②岸基控制系統由CORS站或GPS基準站以及附帶視頻裝置的遙控器構成。船載GPS的差分信息主要由CORS站或GPS基準站提供。如果GPS基準站安置在已知位置，則船載GPS可以根據接收到的GPS信號和基站發出的差分信息，順利計算出測量點的準確坐標。如果GPS基準站安置在未知位置，則由船載GPS計算出的平面坐標需要根據已知點進行進一步測量和校正。當使用CORS站組成岸基控制系統時，船載GPS計算的坐標即是CORS坐標系統的同步坐標；附帶視頻裝置的遙控器主要包括兩大基本功能。

2 關鍵技術

2.1 雙動力系統

測量船主引擎采用汽油機驅動，在汽油機發生故障時，啟用備用的電動機驅動。為了簡化機械傳動過程，可直接將汽油機置于船體尾部，再使用舵機來單獨控制船舵，利用船舵的轉角和螺旋槳，就能夠順利完成船體的減速、加速和轉向操作；在左右偏后的位置可分別安裝電動機，一方面可以維持船體的整體平衡，另一方面作為備用動力使用。

2.2 發電系統

發電系統包括發電機、蓄電池、發動機、第一動力輸出、第二動力輸出以及船體驅動器。主要由汽油機第一動力輸出提供的機械動力進行發電，發電機的輸出功率高達350W，能夠基本滿足所有船上設備的用電需求。

3 系統功能

3.1 安全穩定便攜

整個船體部分包括船體設計和制造，需要選用合適的高分子材料，根據圖紙的設計要求，制作防水船體。由于船體內含有大量的聚氨酯，當發生損壞或斷裂時，不會發生沉船事故，確保了測量船運行的安全性。便攜式遙控測量船在加裝平衡翼以后，船體與水面的接觸面積顯著增加，船體的穩定性能夠得到顯著提高。

3.2 實現了油電混合雙驅動和長時間續航

遙控測量船重約50 kg，裝配1節30 AH的標準電池，并將發電機安裝在汽油機動力輸出軸上，在動力輸出的同時能夠持續給蓄電池充電，汽油機額定輸出功率為4馬力，動力很足，能夠滿足在水流較大時，逆流航行；主引擎為汽油發動機驅動，滿油情況下可以持續航行約4 h，如果需要進一步增加續航時間，可以采用增加備用油箱的方式。當汽油機發生故障時，備用的電動機電量足夠支持遙控船安全返航。

4 結語

綜上所述，通過對船體、雙動力系統、輕型發電機以及平衡翼等技術的改進和組合，設計并推出了一套遙控測量船系統，它可以實現測量船安全、穩定、便攜以及自動化測量等創新型功能。其中，開發的岸基控制系統，不僅能夠有效指揮遙控測量船進行減速、加速、轉向和倒退等操作，而且配備的遙控器具有可視化功能，其顯示屏上能夠清晰顯示導航信息，極大地方便了對測量船進行人工遠程操控。

參考文獻

[1] 吳元芝，楊傳華，林晨光，等.設計航速下無人遙控測量船主機功率計算及選型[J].南京工程學院學報：自然科學版，2012（2）：56-58.

[2] 林旭波，丁繼勝，唐秋華.基于GPS高精度定位的便攜遙控水上測量船技術研究及集成[J].測繪通報，2012（S1）：713-715.

[3] 黃美滿.GPS RTD在水下地形測量中的開發應用[J].測繪通報，2001（7）：19-20.endprint