無人船在水下地形測量中的應用與探討

毋益萌 田浩

中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司 陜西西安 710100

1 無人船測量系統及其基本原理

1.1 系統簡介

無人測量船是將先進的智能導航水面機器人技術與測量監測技術相結合的一種無人駕駛水上測量設備，系統主要組成包括高精度定位系統、動力推進系統、實時數據通信系統、數據采集系統等，可快速、精確地獲取水下地形數據，實現了智能化、集成化、網絡化的水上測量，廣泛應用于小河流、湖泊、港灣、近海區域測量或者測速工作。無人船測量可以分為手動和自動2種方式。這2種測量方式根據工作環境不同可以任意切換，當水域環境較好無障礙物時，可切換為自動測量方式；當水域環境比較復雜，障礙物比較多或者自動測量方式無法正常運行時，可以切換為手動測量方式[1]。

1.2 單波束與多波束測深原理及優缺點

測深系統是無人船測量系統的核心組成部分，目前應用比較廣泛的有單波束和多波束測深系統。單波束與多波束測深的工作原理，在本質上都是利用換能器垂直向下發射出的脈沖聲波，遇到水下地物發生反射這一原理進行水下地形測量。但是，多波束測深系統在換能器上與單波束有區別，多波束利用多個換能器單元組成陣列，在測深過程中可以同時發射和接收多個波束，并對水下地形進行條帶式測量。

單波束測深系統的優點是設備組成及安裝簡單，在外業測量過程中通常只需要進行定位和動吃水改正，內業數據處理也比較簡單，能輸出不同數據格式的成果；缺點是水下相鄰兩點間的微地形不能探測到，若要提高作業區水下地形測量的精度，只有加密測線，這無形中增加了生產成本。

多波束測深系統在測量范圍、速度、精度和效率上優于單波束測深系統。多波束將測深技術從點、線擴展到面，并逐步發展到三維立體測深及自動化成圖，廣泛應用于大面積海底地形測量，但多波束設備組成及安裝較復雜，外業操作較煩瑣且內業處理耗時較長。因此，在實際生產中，若單波束測深和多波束測深都滿足作業要求，則優先選擇單波束更為便捷[2]。

1.3 無人船測量系統基本原理

GNSS 系統和測深儀組成了一套完整的水下地形測量系統。無人船的測量數據由無人船傳輸天線通過網橋傳輸到地面工作站中，無人船在工作中可以通過地面工作站和遙控器進行控制。無人船系統的核心是測深系統，其工作原理與傳統單波束的原理相同，都是利用回聲定位原理，

根據無人船水下地形測量原理，設由無人船上GNSS獲得的高程值為HG，換能器至水底的深度為H3，在實際測量過程中，GNSS接收機到水面的高度為H1，換能器底部至水面的高度為H2，則無人船任意位置對應水底點的高程

式中，HG是GNSS接收機獲取的高程值，ΔH則是船體的姿態改正。

2 無人船水下地形測量

無人船測量時要選擇合適的天氣，盡量選擇風浪小、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，輸入參數后，檢查船體是否正常，若正常，無人船就可下水進行測量。在下水之前，首先要觀察測量區域的周邊地理環境，綜合考察周邊環境以后，選擇合適的地點將無人船放下水，以確保無人船無碰撞，保證測量項目順利進展。

2.1 數據采集

測量之前需要進行航線布設。航線布設有2種方法：一種是事先設計好計劃線，直接導入到無人船操作電腦端，這種方法比較方便，但是不能根據實測環境進行布設，會導致測線過短或者過長，影響測量效果；另一種是根據實測地理環境現場布設測線，這樣做雖然比較麻煩，但是卻能布設適合測區的計劃線，保證測量效果[3]。

計劃線布設好，檢查船體儀器連接正常無誤后，操控電腦端或遙控器進行數據采集。

2.2 無人船測量誤差分析及精度評價

2.2.1 誤差分析

水下地形測量誤差來源主要包括天氣影響、儀器設備本身影響以及人為操作影響，根據誤差來源可以分為定位誤差、運動誤差、測深誤差、環境誤差、聲速誤差等。本文著重分析定位誤差中的無人船姿態產生的平面位置誤差和測深誤差中的聲速誤差。

（1）平面位置誤差。采用無人船測量系統進行水下地形測量時，由于船體姿態的變化，在一定程度上會引起 GNSS 接收天線和換能器發生變化，產生中心偏差，進而對平面位置誤差產生影響。

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

2.2.2 精度評價

質量控制環節。通常情況下，采用“等精度觀測”的方式對水深測量精度進行檢測，即布設一定數量的檢查線，這些檢查線與主測線相垂直。等精度水深測量完成后，對主測線和檢查線的數據分別進行處理，并對主測線和檢查重合點的差異進行對比分析，是否在誤差精度允許的范圍內。

3 結語

目前，無人船測量技術尚未成熟，仍處于發展階段，但是，無人船測量技術無疑為傳統水上測量方式提供了一個新的發展方向。隨著水下動力推進技術、復合材料技術以及測繪技術的發展，無人船的水下地形測量技術應用將更加普遍和廣泛。