無(wú)人船結(jié)合RTK 技術(shù)進(jìn)行無(wú)驗(yàn)潮水深調(diào)查數(shù)據(jù)的應(yīng)用

禹云亮，王悅霖，楊立平

（1.中山市海洋與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，廣東 中山 528400；2.廣州華海星技術(shù)公司，廣東 廣州 528400；3.東莞市海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)中心，廣東 東莞 523000）

1 引言

我國(guó)入海河口海域受上游河流和海洋洋流的綜合作用，水流方向變化復(fù)雜，形成的水下地形也復(fù)雜，傳統(tǒng)的水下調(diào)查手段，對(duì)施測(cè)水面寬度、深度、水流、天氣有一定的要求。隨著無(wú)人船技術(shù)的發(fā)展，穩(wěn)定性和抗干擾性能越來(lái)越高，可以避免上述問(wèn)題。本項(xiàng)目結(jié)合無(wú)人船載系統(tǒng)與RTK 進(jìn)行無(wú)驗(yàn)潮水深數(shù)據(jù)調(diào)查，驗(yàn)證該技術(shù)的可行性和有效性。

2 相關(guān)技術(shù)原理

2.1 基本原理

2.1.1 RTK 原理

RTK(real time kinematic)是以載波相位觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位的技術(shù)。其原理是將位于基準(zhǔn)站上的GPS 接收機(jī)觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)通信鏈實(shí)時(shí)發(fā)送給移動(dòng)站GPS 接收機(jī)。移動(dòng)站GPS 接收機(jī)接收 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，同時(shí)接收來(lái)自基準(zhǔn)站的信號(hào)，通過(guò)對(duì)所收到的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，實(shí)時(shí)計(jì)算出點(diǎn)位中誤差、三維坐標(biāo)值，時(shí)間刷新率在0.1 秒即可快速實(shí)時(shí)的獲取到5 厘米精度以內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)的平面和高程數(shù)據(jù)。RTK 技術(shù)廣泛應(yīng)用于我國(guó)基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)采集、工程施工定位、海洋調(diào)查等領(lǐng)域。

2.1.2 回聲測(cè)深原理

將超聲波在水中的傳播速度v 作為已知恒速，換能器基線看作零，通過(guò)測(cè)量超聲波往返水底的時(shí)間t 計(jì)算水深z，z=v*t/2。由于水底的變化相對(duì)比較平緩，兩次測(cè)深之間（約0.1 秒）水深變化不會(huì)太大，假定二次深度的變化量為±10%，正確回波時(shí)刻前 10%×z 到后 10%×z 開(kāi)一道時(shí)間門(mén)，只有在時(shí)間門(mén)內(nèi)的回波認(rèn)為是正確的回波，±10%就叫時(shí)間門(mén)寬度，如果該時(shí)間門(mén)內(nèi)沒(méi)有回波，就逐漸擴(kuò)大時(shí)間門(mén)直至全程搜索回波，重新捕獲正確的回波。

圖1 測(cè)深儀工作原理圖

2.1.3 無(wú)人船集成平臺(tái)

無(wú)人船集成平臺(tái)包括無(wú)人船及動(dòng)力系統(tǒng)，集成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（RTK 定位系統(tǒng)、單波束測(cè)量系統(tǒng)）、通訊系統(tǒng)（通訊基站、通訊移動(dòng)端）、控制系統(tǒng)（岸基控制、中控系統(tǒng)）等，通過(guò)控制系統(tǒng)控制船體按照規(guī)定航線航速自主或者遙控輔助前行。

無(wú)人船作為水上航行動(dòng)力載體，船體設(shè)計(jì)需要考慮材料的碰撞、防腐蝕以及可達(dá)到較高的抗風(fēng)浪等級(jí)，確保在3 級(jí)～5 級(jí)風(fēng)浪條件下能夠安全平穩(wěn)航行。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是采集水深數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的定位數(shù)據(jù)，定位數(shù)據(jù)采用RTK 定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位和導(dǎo)航功能，水深數(shù)據(jù)采用單波束測(cè)量系統(tǒng)。通訊系統(tǒng)通過(guò)電臺(tái)和4G通訊方式實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的信息通訊。控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制岸基控制單元和中控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船上各類傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)控，以供岸上人員實(shí)時(shí)掌握船體狀態(tài)和測(cè)量數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤信息，調(diào)整航行軌跡和儀器設(shè)置。

圖2 無(wú)人船系統(tǒng)組成圖

2.2 無(wú)驗(yàn)潮水深數(shù)據(jù)獲取原理

無(wú)驗(yàn)潮水深數(shù)據(jù)獲取原理就是通過(guò)RTK 系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲得水面點(diǎn)精度高而且可靠的平面數(shù)據(jù)（X,Y）和高程數(shù)據(jù)（H），結(jié)合RTK 天線到換能器高(h1)、單波束測(cè)量系統(tǒng)獲取到的水深數(shù)據(jù)(h2)和高程基準(zhǔn)面與深度基準(zhǔn)面的差值(h3)，通過(guò)高程值傳遞到水底，計(jì)算出水底點(diǎn)平面數(shù)據(jù)（X,Y）和基于水深深度基準(zhǔn)面的水深數(shù)據(jù)（H-h1-h2+h3）。如圖3 所示。

圖3 無(wú)人船RTK 無(wú)驗(yàn)潮作業(yè)模式圖

3 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況及數(shù)據(jù)生產(chǎn)

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況及儀器參數(shù)

此次通過(guò)無(wú)人船結(jié)合RTK 技術(shù)進(jìn)行無(wú)驗(yàn)潮水深調(diào)查數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)闊熍_(tái)辛安河入海口海域。平面坐標(biāo)采用CGCS2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系，高斯-克呂格投影，3°標(biāo)準(zhǔn)分帶，中央子午線120°。高程基準(zhǔn)為1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)。測(cè)線布設(shè)間距為200m，主測(cè)線方向垂直于等深線，檢查線垂直于主測(cè)線，檢查線不少于主測(cè)線長(zhǎng)度的 5%。RTK 系統(tǒng)采用中海達(dá)測(cè)繪儀器有限公司生產(chǎn)的A12 RTK 測(cè)量系統(tǒng)（定位精度平面：±10mm+1ppm、高程精度：±15mm+1ppm）進(jìn)行水上定位。無(wú)人船平臺(tái)采用青島中海基業(yè)海洋科技有限公司生產(chǎn)的SBOAT1200 無(wú)人船系統(tǒng)（自動(dòng)駕駛系統(tǒng)內(nèi)置9 軸慣導(dǎo)傳感器、自動(dòng)航行控制器，數(shù)據(jù)壓縮預(yù)處理模塊，外接RTK 接口，使用RTK 數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度厘米級(jí)導(dǎo)航）。單波束測(cè)量系統(tǒng)搭載南京元厚電氣有限公司生產(chǎn)的無(wú)人船專用HXF160 單頻測(cè)深儀（測(cè)深精度為±10mm+0.1%H，H 為實(shí)時(shí)水深值，頻率為455KHz，測(cè)量范圍為：0.15m—50m）。平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用定制開(kāi)發(fā)的GToG 軟件進(jìn)行解算。水深數(shù)據(jù)處理通過(guò)SONAR VIEWER 數(shù)據(jù)處理軟件完成。

3.2 數(shù)據(jù)生產(chǎn)

數(shù)據(jù)生產(chǎn)主要環(huán)節(jié)包括生產(chǎn)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、成果輸出。生產(chǎn)準(zhǔn)備包括調(diào)查區(qū)域的航線設(shè)置、無(wú)人船平臺(tái)檢查、回波測(cè)深儀的聲速、吃水、增益等參數(shù)設(shè)置、平面和高程參數(shù)的解算、坐標(biāo)校正。數(shù)據(jù)采集包括RTK 定位數(shù)據(jù)和單波束測(cè)量系統(tǒng)水深數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)處理包括定位數(shù)據(jù)的處理、水深基準(zhǔn)面的調(diào)整和水深數(shù)據(jù)的處理。成果輸出主要數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，生產(chǎn)流程圖如圖4。

圖4 生產(chǎn)流程圖

數(shù)據(jù)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)在數(shù)據(jù)處理。定位數(shù)據(jù)的處理主要是平面坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換以及對(duì)RTK 獲取的三維數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠性處理。試驗(yàn)區(qū)面積不大水深基準(zhǔn)面的調(diào)整通過(guò)固定值修正處理。水深數(shù)據(jù)的處理包括回波數(shù)據(jù)的質(zhì)量判斷及處理、數(shù)據(jù)重采樣、水深值的基準(zhǔn)面修正。調(diào)查范圍內(nèi)的水界質(zhì)、水深深度和地形變化相對(duì)穩(wěn)定，獲取到的回波數(shù)據(jù)只有少量不能正常反應(yīng)水下實(shí)際情況的值，通過(guò)水深數(shù)據(jù)的回放，根據(jù)時(shí)間和相鄰水深數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷處理。數(shù)據(jù)重采樣主要是根據(jù)規(guī)范和實(shí)際需要，內(nèi)業(yè)重新選取一定空間距離的水深數(shù)據(jù)。水深值的基準(zhǔn)面修正采用固定差值改正。

本次水深數(shù)據(jù)調(diào)查完成測(cè)線總里程22.87km，測(cè)區(qū)水域總面積1.8 平方公里，重采樣后獲取水深調(diào)查點(diǎn)位數(shù)據(jù)1269 個(gè)。部分水深數(shù)據(jù)分布圖如圖5。

圖5 水深數(shù)據(jù)分布圖

3.3 數(shù)據(jù)精度分析

提取主測(cè)線和檢查線平面位置吻合比較好的調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行水深數(shù)據(jù)對(duì)比分析，同精度下最大的2 倍中誤差為0.11m，符合海道測(cè)量極限誤差0.3m 的精度要求，具體精度分析表如表1 所示。

表1 精度分析表

4 結(jié)論及建議

無(wú)人船平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)合RTK 進(jìn)行無(wú)驗(yàn)潮對(duì)入海河口海域進(jìn)行水深數(shù)據(jù)采集提高了工作效率、降低了人員作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。最終的數(shù)據(jù)質(zhì)量說(shuō)明無(wú)人船平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)合RTK 進(jìn)行無(wú)驗(yàn)潮進(jìn)行水深數(shù)據(jù)獲取符合水深數(shù)據(jù)調(diào)查的要求。

根據(jù)項(xiàng)目總結(jié)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，為了提高調(diào)查數(shù)據(jù)的精度，波浪大小對(duì)最終數(shù)據(jù)的精度有一定影響，船的橫搖、縱搖不宜過(guò)大。作業(yè)期間選擇風(fēng)浪小的時(shí)間段進(jìn)行施測(cè)。航速不能太快，2.5m/s 左右的航速比較合適。