無人艇搭載多波束測深精度分析

劉洋 趙瑞琪 汪連賀

摘? 要：無人艇水深測量代表了海洋測量裝備自動化、智能化的發展趨勢，是海洋測量技術研究的熱點。本文以3 m無人自主導航艇為載體搭載多波束組成無人艇系統，進行了多波束測深數據獲取，對測深數據的內符合精度和外符合精度進行了簡單分析，結果可滿足相關規范要求。

關鍵詞：無人艇;多波束;測深精度

1 概 述

無人艇具有吃水淺、機動性強、安全高效等特點，在軍事領域以及海洋科考方面極具發展潛力，應用前景廣闊。無人艇在軍事領域應用歷來已久，早在二戰期間美軍利用無人艇來遠程作戰，但在海洋勘探以及海洋資源開發利用方面起步較晚[1]。近幾年來，國內多家科研單位和相關企業對無人艇搭載多波束測深開展了研究實驗，取得了良好成果。在水深測量中船型及推進方式設計、測量設備加裝、無線數據傳輸、測量艇吊放回收等關鍵技術取得了突破，無人艇搭載多波束測深技術也相應日趨成熟。在海洋測繪中，多波束是目前主要的探測手段，從測深技術的發展來看，其研究和應用已達到了較高的水平，特別是近十幾年，隨著電子、計算機、新材料和新工藝的廣泛使用，多波束測深技術已廣泛應用于海洋測繪調查項目中。

2 數據獲取

為了研究無人艇搭載多波束測深的精度情況，2017年天津海事測繪中心開展青海湖海圖測繪工程期間，在青海湖進行了無人艇測試數據的獲取，時間為7月4日至7月11日。青海湖具有氣象因素影響小、無海洋潮汐變化等多項優勢條件，便于開展無人艇搭載多波束測繪技術的現場測試、數據采集、分析等工作的進行。系統組成以3 m無人自主導航艇為載體，安裝動力電池和24VDC轉220VAC逆變器，搭載多波束、定位設備、姿態傳感設備、電臺通信設備等組成無人艇測深系統，多波束采集、導航軟件使用海測大師2016，處理軟件采用CARIS HIPS&SIPS8.1。各部分設備型號及主要性能參數見表1：

設備檢查和安裝，包括組裝小艇電池等設備，獨立測試電臺、SONIC2024多波束、OCTANS光纖羅經，NAV-3050 GPS和AML表面聲速儀等設備，各設備通信、對系統進行通信及功能性檢測，之后組裝系統吊放入水。系統各設備安裝位置以多波束聲吶頭安裝桿與水面交點作為參考點，定義船坐標系，船右舷方向為X軸正方向，船頭方向為Y軸正方向，垂直向下為Z軸正方向，水深測量前量取各傳感器相對于參考點的位置，往返各測量一次，取其平均值。各設備安裝位置如圖1所示， 各傳感器的相對位置值見下表2：

多波束測深系統進行了換能器安裝偏差標定測量，選擇在碼頭附近進行，該處水深坡度變化明顯，符合多波束校準要求。使用的C-Nav3050型星站差分定位設備可輸出1PPS、ZDA信號，使多波束處理單元時間始終與GPS 的時間保持一致，實現精確的時間同步，故無需進行時間延遲測定。校準時采集多余觀測數據，取其平差值，通過平坦區域同線同速反向的條帶斷面測量數據測試換能器的橫搖（Roll）為-1.32°;通過水深變化大的區域同線同速反向的中央波束測量數據測試換能器的縱搖（Pitch）為-0.72°;通過水深變化大的區域異線（間距為覆蓋寬度的2/3的兩條測線）同速反向邊緣測量數據測試換能器的艏搖（Yaw）為0.57°，校準效果見圖2。多波束測深數據處理采用CARIS HIPS and SIPS軟件進行數據轉換、聲速剖面改正、潮汐改正、線模式編輯、SUBSET子區編輯，最后采用CARIS GIS4.5a軟件進行多波束水深數據的壓縮和輸出比例尺為1：500，碼頭前沿的數據效果見圖3：

3 精度分析

從用戶角度進行精度分析一般采用內符合精度和外符合精度兩個指標。內符合精度通過采用同一套測深系統對某區域通過主檢測線方式進行數據采集，主測線和檢查線垂直布設，對重疊點水深進行比較，計算差值并統計不同偏差的水深數量和比例，確定測深系統的內符合精度指標。這種方法是多波束測深系統自身測量數據間進行的精度評估即內符合精度，可以確定除了系統偏差外的綜合誤差，是一種多波測量水深精度的有效評估方法[2]。內符合精度可以確定系統穩定性，分辨率等自身指標。同時由于系統最終數據精度受多種因素影響，僅考慮內符合精度是不夠的，因此還需要已經通過理論和實踐證實的技術方法作為基準參照，進行外符合精度評定。外符合精度通過采用不同測深系統對某區域通過主檢測線方式進行數據采集，待測系統進行主測線采集，校對系統進行檢查線采集或區域全覆蓋采集，主測線和檢查線垂直布設或全部進行全覆蓋測量，對重疊點水深進行比較，計算差值確定測深系統的外符合精度指標。外符合精度可以確定測深系統準確度、精度等指標。

內符合精度在青海湖同一區域不同方向（相互垂直）布設計劃測線，分別命名為測線a和測線b，測線a垂直岸線和等深線，測線b平行岸線和等深線，然后分別于不同時段（2017年7月7日、7月9日）按照兩組測線對該區域進行測量。7月7日，無人艇按照測線a垂直等深線、岸線進行內符合試驗，每條測線長270 m，測線間隔20 m，測量主線為25條，檢查線為2條。7月9日，無人艇按照測線b平行于等深線、岸線進行內符合試驗，測量主線為31條，檢查線為2條。測量航跡如圖4所示：兩次測量的數據經CARIS軟件處理后生成的水深成果面，如圖5所示。

測線a所采集多波束數據的水深范圍為0.97～10.78 m，水深樣本數為825 241。測線b所采集多波束數據的水深范圍為1.01～11.41 m，水深樣本數為884 309。內符合精度的統計結果是通過Caris HIPS處理檢查線和主線數據獲得，多波束水深數據按照IHO S44標準[3]QC精度統計見表3。

圖6從左至右依次為按照IHO S44特級、一級、二級標準處理統計結果，上面3幅圖為測線a、下面3圖為測線b：

由此可明顯發現測線b的數據質量要優于測線a，原因為測量時風向為東南風，測線b為順風測量，無人艇受風浪影響小，姿態較測線a更為穩定。同傳統多波束測量相同，通過無人艇獲取的多波束數據質量明顯受風浪影響而變差。

針對無人艇測線a和測線b兩次不同方向相互垂直的測線測量，比對兩次測量數據結果，對角方向水深剖面對比情況良好，如圖7所示（黑線為測線a紅線為測線b）：

以測線b多波束數據為比對基準對測線a數據進行比對作為內符合精度;以傳統測量船安裝多波束方式作為校對系統， 2017年青海湖傳統測量船安裝多波束方式測量同一區域的測深數據作為參考值，對無人艇搭載多波束測深數據進行比較，作為外符合精度。比對半徑按照圖上間距1 mm設定，通過數據比對，測深重合點不符值小于0.3 m[4];比對結果內符合、外符合精度滿足相關測量規范要求。內外符合比對結果見表4。

4 結 論

通過對測量結果精度分析表明，在海況較好情況下，無人艇搭載多波束可滿足IHO海道測量規范（S-44）、海道測量規范、沿海港口航道測量技術要求和交通運輸部多波束測深系統測量技術要求等相關測量規范要求。同時，無人艇有著淺水測量、精細測量、減少人力等優勢，無人艇搭載多波束技術在海洋測繪等多種調查任務中針對淺水區域、水下地形復雜的特殊環境有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 馬向峰，韓瑋，謝楊柳. 水面無人艇任務規劃系統分析[J].艦船科學技術，2019.

[2] 劉兆權.多波束測深精度評估[J].中國港灣建設，2017.

[3] IHO海道測量規范（S-44），2008第5版.

[4] 沿海港口航道測量技術要求，人民交通出版社，2014.

[5] 海道測量規范GB12327-1998，中國標準出版社，1999.

作者簡介：

劉洋，從事海事測繪專業領域，18920280140

資助項目：國家重點研發計劃（2018YFF01013404）自組網海洋環境多參數測量儀