姿態測量誤差對多波束測深數據影響分析

劉 毅，周興華，史永忠，張 杰

（1．浙江省河海測繪院，浙江 杭州310008；2．浙江省河口海岸重點實驗室，浙江 杭州310020）

船姿測量參數主要包括航偏角、縱搖、橫搖和涌浪（動態吃水）等。受風浪、船體操縱等因素影響，船姿參數會發生瞬時變化，安裝在船體上的多波束換能器的姿態也隨之發生變化，造成測量成果失真或地形畸變。在船姿測量誤差作用下波束腳印歸位計算的結果常常與實際位置存在較大偏差。因此，為了保證多波束測量成果的精度和質量必須對船姿測量誤差進行補償。

1 姿態測量誤差對波束點位坐標的影響分析

1．1 航偏角h的影響分析

受各種因素的影響，測量船的航行方向與測線方向不可能常常保持一致，而是繞軸在水平面上產生一定的扭動角，該扭動對于波束腳印在船體坐標系（VFS）下的坐標不會造成影響，但會造成當地坐標系（LLS）與船體坐標系（VFS）之間的旋轉角A0從變化為A＝A0＋h，如圖1所示。相對于設計測線航向偏左，h為正，反之則為負。Δh為在LLS系下的坐標及航偏角測量誤差，該誤差對波束腳印坐標的影響

圖1 航偏角引起船姿變化示意

其中，D＝R cosφ．

1．2 橫搖的影響分析

換能器繞x軸在y Oz面內旋轉角度r稱為橫搖，從而導致測量斷面發生變化，如圖2所示。設波束入射角由θ0變化Φ，其中Φ＝θ0＋r，則波束腳印在VFS坐標系下的坐標以及橫搖r測量誤差d r對測點坐標的影響

圖2 橫搖示意

由式4可知 橫搖的變化只對y坐標和z坐標產生影響，對坐標沒有影響。

1．3 縱搖影響分析

換能器繞y軸在x Oz平面內旋轉角度p稱為縱搖，逆時針旋轉為正，反之為負，如圖3所示。實際測量斷面與設計測量斷面之間產生一個二面角p，則波數腳印坐標以及p角的測量誤差d p對測點坐標的影響：

其中，（x′，y′，z′）為理想狀態下的坐標。

圖3 縱搖示意

2 試驗分析

利用式（1）～式（6），在不同條件下分別計算不同的姿態測量誤差對測點位置坐標的影響，規律進行歸納總結，結果如表1所示。

表1 姿態誤差對測點位置影響

由表1中數據可知

1）姿態參數中的縱搖、橫搖、航偏角等測量誤差對測點坐標的影響與測深成正比；

2）航偏角測量誤差僅對波束腳印的平面位置坐標x，y產生影響，對深度值z沒有影響，除了與測深值成正比外，還與波束入射角有關，成正相關（大致近似于正比關系），特別對坐標值的影響尤為明顯；

3）縱搖測量誤差對測點坐標x，z均有影響，當測量水深較淺時，這種影響較小，基本可以忽略不計，但隨著測量距離（水深）較大時，尤其是邊緣波束，這種影響比較明顯，尤其對x坐標的影響特別明顯；

4）橫搖測量誤差對測點坐標y，z皆有影響，其中對y坐標的影響較z坐標明顯，與縱搖測量誤差對x坐標的影響基本一致。

3 結束語

姿態測量誤差對波束腳印坐標的影響與波束入射角、測量水深值等因素密切相關，基本成正比關系。在多波束測量中邊緣波束的測量精度較中間波束數據的測量精度低。因此，在實際測量中，為了提高多波束測量成果的質量 應盡可能增大條帶重疊率。

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