CN111536951A - 一种实时动态水深测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时动态水深测量系统，包括岸上服务器和水上移动式水深测量平台，在平台上搭载有测深杆、测深仪、GNSS接收机和北斗短报文+移动互联网双路通讯模块，利用基于北斗地基/星基增强系统的实时动态厘米级GNSS定位，融合北斗地基/星基增强、多星座定位、IMU姿态等数据，经差分改正和倾斜补偿后实时计算出测深仪换能器底部中心的精确空间位置，并采用换能器所测水深数据进行同步叠加改正，得到水底大地高，经由北斗全球短报文通信和移动互联网向岸上服务器双路播发遥测数据，该遥测数据经转换获得当地深度基准面上水深值。本发明实现了水深测量的实时动态获取，且不需要进行水位改正，明显提高了水深测量的精度和效率。

Description

一种实时动态水深测量系统

技术领域

本发明涉及水深测量系统，特别是一种实时动态水深测量系统。

背景技术

水深测量是水下地形测量的基本方法。它是测定水底各点平面位置及其在水面以下的深度，是海道测量和海底地形测量的中心环节，目的是为船舶航行提供航道深度和确定航行障碍物的位置、深度和性质。常规水深测量方法是采用GPS信标机和单波束回声测深仪组合测量。所测得瞬时水面下的深度，经测深仪改正和水位改正，归算到由深度基准面起算的深度。

随着海洋经济的大力建设，对水深测量提出了更高要求，特别是水上应急测绘，对实时动态水深测量的需要越来越紧迫。受限于实时定位精度、通讯手段与覆盖范围、实时水位遥测遥报的制约，当前还未形成成熟可靠的实时动态水深测量方法，水深测量效率和精度长期得不到大的提升。常规水深测量方法中测深、定位、水位观测通常都是分开进行的，外业作业完成后，需对三种数据进行事后处理和叠加改正才能得到海图高，无法远程实时获得，效率低下。尽管现在测深仪的测量精度很高，但常规水深测量方法受限于作业方式，深度误差来源较多，精度难以提高，主要包括水深点点位概括误差、水位观测误差、测深仪综合改正数误差、换能器静吃水及动吃水改正数测定误差、在测深纸上量取水深或自动化采集水深计算机凑整误差、经各项改正后的水深凑整误差及风浪引起的深度误差等。

随着北斗卫星导航系统的完善建成和北斗星地一体融合服务能力的不断增强，北斗高精度PNT服务覆盖区域不断扩大、卫星实时定位精度不断提高，加上北斗独有的全球短报文通信能力，为实时动态水深测量提供了技术支持。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种可实现大范围内高效率高精度实时动态测量的水深测量系统。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种实时动态水深测量系统，包括设置在岸上陆地的岸上服务器和行驶在水上的移动式水深测量平台，在所述平台上搭载有竖直设置的测深杆、测深仪、GNSS接收机和北斗短报文+移动互联网双路通讯模块，所述测深仪包括主机和换能器，测深仪主机设置在所述平台上，所述换能器安装在所述测深杆的下端，在所述测深杆的上端安装有所述GNSS接收机，在所述GNSS接收机内设置有惯性导航模块，所述测深仪主机与所述通讯模块、所述GNSS接收机、所述惯性导航模块和所述换能器分别连接，所述GNSS接收机接收多模卫星定位信号和地基/星基增强系统播发的实时差分改正信号并进行多模融合定位和实时差分改正，进而获取GNSS接收机相位中心动态厘米级空间位置B_接收机、L_接收机、H_接收机，并传输给所述测深仪主机，所述测深仪主机同步采集换能器的测深信号H_水深和所述惯性导航模块的姿态数据，在所述测深仪主机上安装有数据处理软件，所述数据处理软件的处理方法为：根据换能器底部到GNSS接收机相位中心的距离D，结合同步的姿态数据进行倾斜补偿改正，计算得到换能器底部中心动态厘米级空间位置B_换能器、L_换能器、H_换能器，则对应水底的空间位置B_水底、L_水底、H_水底为：

B_水底＝B_换能器

L_水底＝L_换能器

H_水底＝H_换能器-H_水深

H_换能器＝H_接收机-D*cosγ

式中，B为经度，L为纬度，H为大地高，γ为测深杆与竖直方向偏角，D为GNSS接收机相位中心到换能器底部的距离，采用GNSS接收机底部到换能器底部的距离D₀，按数学几何关系换算获得；所述测深仪主机将水底的空间位置数据同步传输给所述通讯模块，所述通讯模块向所述岸上服务器实时播发，所述岸上服务器同步将水底大地高转换为正常高，把水底正常高转换为海图高。

所述测深仪采用单波束测深系统，且内置无线数据传输功能或设有通信数据传输接口。

所述测深仪主机利用秒脉冲同步采集换能器接收到水底反射的数字回波测深信号H水深。

所述岸上服务器采用似大地水准面精化模型进行高程拟合，把水底大地高H_水底转换为水底正常高h_水底。

所述平台为船舶。

所述测深杆设置在所述船舶的一侧。

本发明具有的优点和积极效果是：

1)采用多模卫星定位，通过地基/星基增强系统实时差分改正，以及IMU姿态倾斜补偿，使得空间定位精度更高，实时获取高精度的水底大地高，无需进行水位观测，有效消除水位观测误差、换能器静吃水及动吃水改正数测定误差、风浪引起的深度误差，减少水深点点位概括误差的影响，显著提高了水深测量精度。

2)经由北斗全球短报文通信和移动互联网向岸上服务器双路播发遥测水深数据，保证数据传输的稳定性、可靠性以及广覆盖，实现了水底大地高的远程实时获取，再通过高程拟合和基面换算便可得到相应海图高，显著提高了水深测量工作效率。

综上所述，本发明相比常规水深测量方式，无需水位观测数据，无需进行水位改正，显著提高了水深测量的精度和效率，可实现大范围内高效率高精度的实时动态水深测量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的工作流程图；

图3为本发明的工作原理图；

图4为本发明所涉及的实时动态水深测量相关计算示意图。

图中：1、北斗卫星定位星座，2、GPS/GLONASS等其它卫星定位星座，3、差分信号广播星座(L-Band)，4、GNSS接收机(内置IMU)，5、测深杆，6、船舶，7、通讯模块，8、测深仪主机，9、换能器，10、水面，11、水底，12、岸上陆地，13、岸上服务器。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图4，一种实时动态水深测量系统，包括设置在岸上陆地12的岸上服务器13和行驶在水上的移动式水深测量平台。

在所述平台上搭载有竖直设置的测深杆5、测深仪、GNSS接收机4和北斗短报文+移动互联网双路通讯模块7，所述测深仪包括主机和换能器，测深仪主机8设置在所述平台上，所述换能器9安装在所述测深杆5的下端，在所述测深杆5的上端安装有所述GNSS接收机4，在所述GNSS接收机4内设置有惯性导航模块，所述测深仪主机8与所述通讯模块7、所述GNSS接收机4、所述惯性导航模块和所述换能器分别连接。

所述GNSS接收机4接收多模卫星定位信号和地基/星基增强系统播发的实时差分改正信号并进行多模融合定位和实时差分改正，进而获取GNSS接收机相位中心动态厘米级空间位置B_接收机、L_接收机、H_接收机，并传输给所述测深仪主机8。在本实施例中，多模卫星定位信号来自北斗卫星定位星座1和GPS/GLONASS等其它卫星定位星座2。实时差分改正信号来自差分信号广播星座(L-Band)3

所述测深仪主机8同步采集换能器的测深信号H_水深和所述惯性导航模块的姿态数据。

在所述测深仪主机8上安装有数据处理软件，所述数据处理软件的处理方法为：

根据换能器底部到GNSS接收机相位中心的距离D，结合同步的姿态数据进行倾斜补偿改正，计算得到换能器底部中心动态厘米级空间位置B_换能器、L_换能器、H_换能器，则对应水底的空间位置B_水底、L_水底、H_水底为：

B_水底＝B_换能器

L_水底＝L_换能器

H_水底＝H_换能器-H_水深

H_换能器＝H_接收机-D*cosγ

式中，B为经度，L为纬度，H为大地高，γ为测深杆与竖直方向偏角，D为GNSS接收机相位中心到换能器底部的距离，采用GNSS接收机底部到换能器底部的距离D₀按数学几何关系换算得到；

所述测深仪主机8将水底的空间位置数据同步传输给所述通讯模块7，所述通讯模块7向所述岸上服务器13实时播发，所述岸上服务器13同步将水底大地高转换为正常高，把水底正常高转换为海图高。

在本实施例中，所述测深仪采用单波束测深系统，且内置无线数据传输功能或设有通信数据传输接口。所述测深仪主机8利用秒脉冲同步采集换能器9接收到水底反射的数字回波测深信号H水深。所述岸上服务器13采用似大地水准面精化模型进行高程拟合，把水底大地高H_水底转换为水底正常高h_水底。所述平台为船舶6。所述测深杆5设置在所述船舶6的一侧。

本发明的工作过程及工作原理：

采用船舶作为水深测量平台，利用基于北斗地基/星基增强系统实时动态厘米级GNSS定位设备，融合北斗地基/星基增强、多星座定位、IMU姿态等数据，经差分改正和倾斜补偿后实时计算出测深仪换能器底部中心的精确空间位置，通过秒脉冲(PPS)同步采集的换能器所测水深数据进行同步叠加改正，得到水底大地高，经由北斗全球短报文通信和移动互联网向岸上服务器双路播发遥测数据。水底大地高通过高程拟合方法得到正常高；通过当地深度基准面与似大地水准面的关系，完成正常高向海图高的转换，得到当地深度基准面上水深值。

过程如下：

步骤S1：安装实时动态水深测量数据采集平台；

步骤S2：根据测量要求，布设水深测量计划线，进行外业数据采集；

步骤S3：对采集的数据实时同步改正；

步骤S4：向岸上服务器实时播发改正后的水深测量数据；

步骤S5：把水底大地高转换到正常高；

步骤S6：把水底正常高转换到海图高。

更详细的，所述步骤S1，具体为以船舶等为水深测量平台，把测深仪换能器和GNSS接收机分别固定在测深杆的两端，量取GNSS接收机底部(护圈)到测深仪换能器底部的距离D₀，读数至0.01m，至少独立量测两次，取均值作为最终结果。无需量取换能器静吃水和GNSS接收机到水面距离，把测深杆竖直固定在船的一侧，并确保换能器在测量作业中始终位于水面下，将换能器、GNSS接收机和通讯模块分别连接到测深仪主机上，接通电源，并进行测深软件基本设置(声速、增益、功率等)。

GNSS接收机安装除应满足公知要求外，还应满足下列要求：

1)GNSS接收机安装在其载体的最高处，高出大的金属物体表面1m以上，且远离大的直立金属物件；

2)GNSS接收机避开本船雷达天线辐射波束的直接辐射；

3)GNSS接收机尽可能远离本船发信机天线；

4)必要时，在接收机下适当位置设置反射信号屏蔽装置；

5)作业前，按相关要求初始化内部IMU惯导模块，实现实时无干扰的倾斜补偿。

所述步骤S2，是指根据测量用途和测量比例尺，按规范要求布设水深测量计划线，GNSS接收机接收GPS/GLONASS/BDS等定位星座发射的定位信号和地基/星基增强系统播发的实时差分改正信号，利用多模卫星定位信号和地基/星基增强系统差分改正信号，进行多模融合定位和实时差分改正，获取GNSS接收机相位中心动态厘米级空间位置B_接收机、L_接收机、H_接收机，并传输给所述测深仪主机8。惯性导航模块获取高更新率姿态数据，测深仪主机利用PPS(秒脉冲)同步采集测深仪换能器接收到水底反射的数字回波测深信号H_水深。

作业过程除公知事项外，还需注意：

1)在GNSS接收机动态初始化完成3min后，再进行数据采集；

2)实时监控PDOP值和GNSS接收机定位状态，记录数据仅限制为固定解；

3)每间隔2h对GNSS接收机重新进行初始化；

4)GNSS接收机定位数据的更新率不应小于10Hz；

5)严格控制船速，避免突然加速、减速和大角度转弯。

基于北斗地基(星基)增强的GNSS数据采集开始与结束时应在已知控制点上进行检校，动态采集的数据应剔除因风浪、卫星失锁和数据链中断等原因造成的高程跳点等粗差。

所述步骤S3，该步骤为集成在测深仪主机里的软件功能，可实现对采集数据的实时同步改正。具体流程如下：请参见图4，把步骤S1中量取的GNSS接收机底部(护圈)到测深仪换能器底部的距离D₀按数学几何关系换算成GNSS接收机相位中心到换能器底部的距离D，根据GNSS接收机相位中心到换能器底部的距离D，结合同步的姿态数据进行倾斜补偿改正，计算得到换能器底部中心动态厘米级空间位置(B_换能器，L_换能器，H_换能器)，则对应水底的空间位置(B_水底，L_水底，H_水底)为：

B_水底＝B_换能器

L_水底＝L_换能器

H_水底＝H_换能器-H_水深

H_换能器＝H_接收机-D*cosγ

式中，B为经度，L为纬度，H为大地高，γ为测深杆与竖直方向偏角。

所述步骤S4，是指利用通讯模块，把以水底的空间位置(B_水底，L_水底，H_水底)为主的数据按一定要求编码，经由北斗全球短报文通信和移动互联网向岸上服务器双路播发的过程。在移动互联网覆盖区域，传输信号稳定可靠、速度快、实时性强；在移动互联网不能覆盖区域，以北斗卫星通信实现基本的观测数据传输。

所述步骤S5，请参见图4，通过似大地水准面精化模型高程拟合方法，把水底大地高H_水底转换得到水底正常高h_水底的过程：

h_水底＝H_水底-ζ

式中，ζ为对应水底处高程异常值。

二次曲面拟合高程异常的公式为：

ζ(x,y)＝a0+a1B+a2L+a3B2+a4BL+a5L2

式中，B为待求点经度，L为待求点纬度，a0、a1、a2、a3、a4、a5为模型待定参数；

6个模型待定参数可按最小二乘原理求解，选择二次曲面拟合的已知拟合点应平均分布在待求区域的四周和中央，已知拟合点的个数应大于等于5个。拟合的过程中也可以加入当地似大地水准面精化模型或全球重力场模型EGM2008进一步约束修正。

在沿海已知高程点控制网未覆盖区域，采用增设海上临时水位站，临时水位站的平均海平面从相邻的长期水位站采用同步观测法求得，并在同步观测期间，在长期水位站和临时水位站附近分别利用GNSS接收机接收地基(星基)差分信号同步观测水面，将GNSS接收机测得的水位与长期水位站、临时水位站的水位进行比较，求得水位差值(相当于高程异常)，再对GNSS接收机测得水底大地高进行拟合改正。

所述步骤S6，请参见图4，通过当地深度基准面与似大地水准面的关系，完成正常高h_水底向海图高h_海图的转换，得到当地深度基准面上水深值的过程：

h_海图＝h_水底-L

式中，L为深度基准面相对似大地水准面的差距。

由于深度基准面相对似大地水准面的差距并不是一个定值，可在测区潮汐特征点位置设置临时水位站，与岸边长期水位站同步验潮，并采用“潮差比法”、“弗拉基米尔法”等确定临时水位站的深度基准面，再采用线性内插等方法获得整个测区的深度基准面模型，最后通过数据处理得到测区任意水底的海图高。

综上分析可知，本发明提供一种实时动态水深测量方法及系统，相比常规水深测量方式，无需进行水位观测，有效消除水位观测误差、换能器静吃水及动吃水改正数测定误差、风浪引起的深度误差，减少水深点点位概括误差的影响，显著提高水深测量精度；水深数据经由北斗全球短报文通信和移动互联网向岸上服务器双路播发，保证数据传输的稳定性、可靠性以及广覆盖，实现了水底大地高的远程实时获取，显著提高了水深测量工作效率。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种实时动态水深测量系统，其特征在于，包括设置在岸上陆地的岸上服务器和行驶在水上的移动式水深测量平台，

在所述平台上搭载有竖直设置的测深杆、测深仪、GNSS接收机和北斗短报文+移动互联网双路通讯模块，所述测深仪包括主机和换能器，测深仪主机设置在所述平台上，所述换能器安装在所述测深杆的下端，在所述测深杆的上端安装有所述GNSS接收机，在所述GNSS接收机内设置有惯性导航模块，所述测深仪主机与所述通讯模块、所述GNSS接收机、所述惯性导航模块和所述换能器分别连接，

所述GNSS接收机接收多模卫星定位信号和地基/星基增强系统播发的实时差分改正信号并进行多模融合定位和实时差分改正，进而获取GNSS接收机相位中心动态厘米级空间位置B_接收机、L_接收机、H_接收机，并传输给所述测深仪主机，

所述测深仪主机同步采集换能器的测深信号H_水深和所述惯性导航模块的姿态数据，

在所述测深仪主机上安装有数据处理软件，所述数据处理软件的处理方法为：根据换能器底部到GNSS接收机相位中心的距离D，结合同步的姿态数据进行倾斜补偿改正，计算得到换能器底部中心动态厘米级空间位置B_换能器、L_换能器、H_换能器，则对应水底的空间位置B_水底、L_水底、H_水底为：

B_水底＝B_换能器

L_水底＝L_换能器

H_水底＝H_换能器-H_水深

H_换能器＝H_接收机-D*cosγ

式中，B为经度，L为纬度，H为大地高，γ为测深杆与竖直方向偏角，D采用GNSS接收机底部到换能器底部的距离D₀按数学几何关系换算得到；

所述测深仪主机将水底的空间位置数据同步传输给所述通讯模块，所述通讯模块向所述岸上服务器实时播发，所述岸上服务器同步将水底大地高转换为正常高，把水底正常高转换为海图高。

2.根据权利要求1所述的实时动态水深测量系统，其特征在于，所述测深仪采用单波束测深系统，且内置无线数据传输功能或设有通信数据传输接口。

3.根据权利要求2所述的实时动态水深测量系统，其特征在于，所述测深仪主机利用秒脉冲同步采集换能器接收到水底反射的数字回波测深信号H水深。

4.根据权利要求2所述的实时动态水深测量系统，其特征在于，所述岸上服务器采用似大地水准面精化模型进行高程拟合，把水底大地高H_水底转换为水底正常高h_水底。

5.根据权利要求1所述的实时动态水深测量系统，其特征在于，所述平台为船舶。

6.根据权利要求5所述的实时动态水深测量系统，其特征在于，所述测深杆设置在所述船舶的一侧。

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