全数字双频测深仪测量系统的应用与研究
来源:用户上传
作者:
摘要：本文就全数字双频测深仪测量系统在工程中的应用进行了探讨，就其组成及工作原理进行了说明，结合工程实例对其数据采集的精度及系统的优缺点进行了分析，并对测深仪测量系统的误差来源进行了分析。
关键词：全数字双频测深仪，GPS，误差
中图分类号：TB2 文献标志码：A
近年来随着社会的的迅速发展，沿海地区的好多工程均需要进行海域水下地形测量。随着对水下地形测量的现势性、质量和产品形式的要求愈来愈高，水下地形测量的自动化、数字化是有待解决的重要问题。我院于2009年6月购买中海达数字测深系统：HD-28全数字双频测深仪HD-8600信标机来满足工程的需求。
1 水下地形测量的发展
水下地形测量是地形测量的一种，它是测量水体(海洋、河流，水库及湖泊等)下的床面起伏，并通过与前期测量成果的比对来确定河床的淤积状况。
传统的水下测量技术有： （1）交会定位法，光学经纬仪配合测深仪，但由于地球曲率、通视及测站条件的限制难以满足需要，导致精度低，并且同时要进行水位测量。 （2）地面无线电定位技术配合测深仪，也需要水位测量。
随着GPS技术的不断发展，RTK技术的出现，以及计算机技术和电子技术的高速发展，使得平面定位技术实现了高精度、自动化、数字化、实时化，并且能实时获得测深仪探头处的高程，将此高程减去测深仪所测的深度即可得到水下地形点的高程。
2 测深仪测量系统的组成及工作原理
2．1 测深仪测量系统的组成
全数字双频测深仪系统由精确定位导航系统、数字测深系统、计算机控制集成系统等三部分组成。精确定位导航系统主要是准确提供水下地形点的平面坐标和测深仪探头处的高程；数字测深系统主要是提供测深仪探头至水下地形点的深度；计算机控制集成系统主要对测区进行航线设计，对GPS定位数据和测深仪测深数据进行匹配、整合、取舍、计算、存储，指挥测量船沿着设计航线航行，将测量点展绘于地形图上，生成数字地形图。
2．2 测深仪测量系统的工作原理
全数字双频测深仪系统与传统水下地形测量方法的最大区别在于：传统水下地形测量方法的平面定位和水深测量是相对分离的，而全数字双频测深仪系统有效地将平面定位和水深测量有机地结合起来了。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不到一秒钟。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。在整周未知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果。回声测深仪是把打在记录纸上的模拟信号，用数字化图像的方法记录、显示、存储在计算机里，事后可以随时回放和打印，这也为测深仪与GPS的接口连接创造了条件。计算机系统是将数字测深仪与GPS定位系统连接起来并组成统一整体的载体，它将GPS的定位数据与测深仪的测深数据进行匹配、取舍、计算、存储，将所测的数据输入地形图成计算机数据处理系统：航线设计、测船导航、定位数据与测深匹配、数据计算、生成数字水下地形图。
图2全数字双频测深仪系统的作业流程图和数据流程图
3 工程实例分析
3．1 数据采集
在某电厂取排水口及取水明渠的水下地形测量中，采用该系统进行测量。其基本配置为GPS LEICA1230两台(一台为基准站，一台为流动站)，中海达公司生产的HD-28型数字测深仪一台，机动测船一条，6AH蓄电瓶两个(保证RTK GPS基准站、流动站、测深仪、计算机的供电)。
首先在计算机上对测深软件进行设置，包括坐标系统、坐标投影方法、坐标变换参数、测图范围、数据记录间隔、格式、端口分配、波特率、GPS天线偏差改正等设置
其次，根据勘测任务书，在海洋测量软件中定义测区范围，测区范围应输入测区的左下角和右上角坐标以及测图比例尺；并根据测区范围进行航线设计，即对测船航行的路径进行规划。具体做法：
（1）在野外控制点上架设GPS基准站和基准站电台，并启动基准站测量，用RTK在附近做一点A，其坐标为：X=3830341.892，Y=533207.663，H=37.298。
（2）求五参数，平移：dx=3830894.426,dy=533626.004,dh=4.926
旋转：α=-745.17315〃
尺度：δ=-0.1877ppm
（3）在文件中新建任务，设置WGS84坐标系；在自定义中，设置中央子午线为117°，再进行一级变换，输入五参数。
（4）在设置中进行天线偏差改正，输入高程平移dh=4.926。
（5）在设置中进行端口分配，设置端口的波特率和LEICA 1230的波特率相同。
（6）在设置中，把数据格式设置成NMEA0183 GPGGA220 2.30
（7）工作方式选择测量方式，直至在屏幕上出现小船模式。
（8）在记录中进行进行记录限制，以求得RTK固定解。
（9）在设置中，进行固定差改正，输入点A的坐标：X=3830341.892，Y=533207.663，H=37.298，自动测定。用LEICA 1230 RTK放在任一点，用测深仪测定，在仪器的右下角出现实时差分（RTK固定解），开始测定，5～10分钟终止测定。求的改正数ΔX=48.53，ΔY=-65.05，确定即可。
（10）在设置中，进行无线偏差改正，天线高即RTK对中杆H=2米，即深度基准面的高度为-2米。
然后，在测船上安装GPS流动站和测深仪，并将它们都连接到主控计算机上，开启计算机，启动测深软件和海洋测量软件，根据计算机上显示的测船所在位置、航向指挥测船沿着计划航线航行并采集记录测点的平面、高程、水深数据。
最后，对采集到的水下地形点的平面、高程数据进行检查校核后，将其输入专业的数字地形图成图软件和断面图成图软件进行处理，即可得到高精度的数字地形图和断面图。
4 测深仪测量系统的优点
与传统的水下地形测量全数字双频测深仪测量系统具有如下优点：
(1) 精度高：利用这套系统进行水下地形测量，不管是水下地形点的平面位置精度，还是高程精度，相对于传统的水下地形测量方法都得到了很大的提高。
(2)自动化程度高：利用这套系统进行水下地形测量，从水下地形点的平面位置坐标和高程数据的采集、处理，到最后数字地形图和断面图的生成都实现了全自动化，人工干预很少。
(3)作用距离远：利用这套系统进行水下地形测量，其作业范围主要取决于GPS基准站电台的功率， 目前我国大部分沿海、沿江地区都建立了GPS导航差分台，实现了无缝覆盖，因此，利用这套系统进行水下地形测量的范围将大大扩大。
(4)可以实时地取得测点的三维坐标和水底高程：从图2．1中可以看出，利用这套系统进行水下地形测量，可以实时地取得测点的三维坐标和水底高程，不需要再收集水面高程(水位)去获取目标船处的水深求取水下点的高程。
(5)可以实时地在计算机图形上获得航行的方向、航线的分布、测点的密度等：利用这套系统进行水下地形测量时，所有的规划航线、测量点、测船航向都能实时直观地显示在计算机屏幕上，因此既可以随时指挥测船调整航线，又可以随时对测点较少的地区进行补测。
(6)受自然条件影响小，全天候作业：利用这套系统进行水下地形测量时，受雨、雪、雾、黑夜等自然条件影响较小，几乎可以全天候作业。
(7)劳动强度小：利用这套系统进行水下地形测量时，由于数据采集实现了全数字化、自动化，成图全自动化，GSP导航，人工干预很少，所以对于测量作业人员来说，劳动强度RTK GPS与数字测深仪相结合进行水下地形测量很小。
(8)作业效率高：利用这套系统进行水下地形测量时，由于实现了从数据采集到成图自动化，所以作业效率大大提高。
(9)返工率小：利用这套系统进行水下地形测量时，由于数据采集过程能实时直观地显示在计算机屏幕上，所以一般不会出现由于漏测、少测而返工，也不会出现测量范围远大于测量任务范围的情况。
(10)出错率低：利用这套系统进行水下地形测量时，由于实现了从数据采集到成图自动化，人工干预很少，所以出错率较低。
5 测深仪测量系统的误差来源
利用这套系统进行水下地形测量时，其误差来源主要为以下几个方面：
(1)控制点误差： 由于所有RTK GPS测量都是以基准站控制点的坐标、高程为依据，因此，控制点的误差将影响到所有水下地形点的精度。
(2)平面定位数据误差：由于GPS测量本身受到GPS卫星误差、GPS信号传播过程误差、GPS接收机测量误差等多方面因素的影响，这些都会影响到水下地形点的平面定位精度。
(3)测深数据误差：测深仪本身的测深数据误差。
(4)平面定位数据与测深数据匹配误差：由于GPS的定位数据与测深仪的测深数据不是同步的，它们在匹配过程中所产生的匹配误差。
(5)大地水准面差距： 由于大地水准面差距而引起的高程误差。
(6)GPS和测深仪探头的安装误差：GPS和测深仪探头的安置产生的误差。
(7)水下地形测量与陆地相比较，水下测量具有明显的动态效应，由于受水的阻隔，水深测量不仅受大气的影响，而且受水流的运动、水的物理性质、甚至水下运动物体的影响，水下测量具有比陆地更多的干扰源。 总之，利用全数字双频测深仪测量系统进行水下地形测量，实现了从数据采集直至最终数字地形图的形成的高度自动化，大大提高了劳动效率，促进了技术的进步，减少了各种测量误差。
【作者简介】朱亚光，男，朱亚光（1968-），男，山东平邑人，高级工程师，主要从事电力工程勘测方面的工作，曾发表论文多篇。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-583578.htm
