無人船結合RTK 技術進行無驗潮水深調查數據的應用

禹云亮，王悅霖，楊立平

（1.中山市海洋與地質環(huán)境監(jiān)測站，廣東 中山 528400；2.廣州華海星技術公司，廣東 廣州 528400；3.東莞市海域使用動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測中心，廣東 東莞 523000）

1 引言

我國入海河口海域受上游河流和海洋洋流的綜合作用，水流方向變化復雜，形成的水下地形也復雜，傳統(tǒng)的水下調查手段，對施測水面寬度、深度、水流、天氣有一定的要求。隨著無人船技術的發(fā)展，穩(wěn)定性和抗干擾性能越來越高，可以避免上述問題。本項目結合無人船載系統(tǒng)與RTK 進行無驗潮水深數據調查，驗證該技術的可行性和有效性。

2 相關技術原理

2.1 基本原理

2.1.1 RTK 原理

RTK(real time kinematic)是以載波相位觀測值進行實時動態(tài)相對定位的技術。其原理是將位于基準站上的GPS 接收機觀測的衛(wèi)星數據，通過數據通信鏈實時發(fā)送給移動站GPS 接收機。移動站GPS 接收機接收 衛(wèi)星數據，同時接收來自基準站的信號，通過對所收到的信號進行實時處理，實時計算出點位中誤差、三維坐標值，時間刷新率在0.1 秒即可快速實時的獲取到5 厘米精度以內的一個點的平面和高程數據。RTK 技術廣泛應用于我國基礎地形數據采集、工程施工定位、海洋調查等領域。

2.1.2 回聲測深原理

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，通過測量超聲波往返水底的時間t 計算水深z，z=v*t/2。由于水底的變化相對比較平緩，兩次測深之間（約0.1 秒）水深變化不會太大，假定二次深度的變化量為±10%，正確回波時刻前 10%×z 到后 10%×z 開一道時間門，只有在時間門內的回波認為是正確的回波，±10%就叫時間門寬度，如果該時間門內沒有回波，就逐漸擴大時間門直至全程搜索回波，重新捕獲正確的回波。

圖1 測深儀工作原理圖

2.1.3 無人船集成平臺

無人船集成平臺包括無人船及動力系統(tǒng)，集成數據采集系統(tǒng)（RTK 定位系統(tǒng)、單波束測量系統(tǒng)）、通訊系統(tǒng)（通訊基站、通訊移動端）、控制系統(tǒng)（岸基控制、中控系統(tǒng)）等，通過控制系統(tǒng)控制船體按照規(guī)定航線航速自主或者遙控輔助前行。

無人船作為水上航行動力載體，船體設計需要考慮材料的碰撞、防腐蝕以及可達到較高的抗風浪等級，確保在3 級～5 級風浪條件下能夠安全平穩(wěn)航行。數據采集系統(tǒng)主要是采集水深數據和對應的定位數據，定位數據采用RTK 定位系統(tǒng)，實現實時定位和導航功能，水深數據采用單波束測量系統(tǒng)。通訊系統(tǒng)通過電臺和4G通訊方式實現控制系統(tǒng)的信息通訊。控制系統(tǒng)負責控制岸基控制單元和中控系統(tǒng)，實現船上各類傳感器數據監(jiān)控，以供岸上人員實時掌握船體狀態(tài)和測量數據，及時發(fā)現錯誤信息，調整航行軌跡和儀器設置。

圖2 無人船系統(tǒng)組成圖

2.2 無驗潮水深數據獲取原理

無驗潮水深數據獲取原理就是通過RTK 系統(tǒng)實時獲得水面點精度高而且可靠的平面數據（X,Y）和高程數據（H），結合RTK 天線到換能器高(h1)、單波束測量系統(tǒng)獲取到的水深數據(h2)和高程基準面與深度基準面的差值(h3)，通過高程值傳遞到水底，計算出水底點平面數據（X,Y）和基于水深深度基準面的水深數據（H-h1-h2+h3）。如圖3 所示。

圖3 無人船RTK 無驗潮作業(yè)模式圖

3 實驗區(qū)概況及數據生產

3.1 試驗區(qū)概況及儀器參數

此次通過無人船結合RTK 技術進行無驗潮水深調查數據的實驗區(qū)域為煙臺辛安河入?？诤Ｓ颉Ｆ矫孀鴺瞬捎肅GCS2000 國家大地坐標系，高斯-克呂格投影，3°標準分帶，中央子午線120°。高程基準為1985 國家高程基準。測線布設間距為200m，主測線方向垂直于等深線，檢查線垂直于主測線，檢查線不少于主測線長度的 5%。RTK 系統(tǒng)采用中海達測繪儀器有限公司生產的A12 RTK 測量系統(tǒng)（定位精度平面：±10mm+1ppm、高程精度：±15mm+1ppm）進行水上定位。無人船平臺采用青島中海基業(yè)海洋科技有限公司生產的SBOAT1200 無人船系統(tǒng)（自動駕駛系統(tǒng)內置9 軸慣導傳感器、自動航行控制器，數據壓縮預處理模塊，外接RTK 接口，使用RTK 數據進行高精度厘米級導航）。單波束測量系統(tǒng)搭載南京元厚電氣有限公司生產的無人船專用HXF160 單頻測深儀（測深精度為±10mm+0.1%H，H 為實時水深值，頻率為455KHz，測量范圍為：0.15m—50m）。平面坐標轉換采用定制開發(fā)的GToG 軟件進行解算。水深數據處理通過SONAR VIEWER 數據處理軟件完成。

3.2 數據生產

數據生產主要環(huán)節(jié)包括生產準備、數據采集、數據處理、成果輸出。生產準備包括調查區(qū)域的航線設置、無人船平臺檢查、回波測深儀的聲速、吃水、增益等參數設置、平面和高程參數的解算、坐標校正。數據采集包括RTK 定位數據和單波束測量系統(tǒng)水深數據采集。數據處理包括定位數據的處理、水深基準面的調整和水深數據的處理。成果輸出主要數據格式的轉換，生產流程圖如圖4。

圖4 生產流程圖

數據生產的重要環(huán)節(jié)在數據處理。定位數據的處理主要是平面坐標系統(tǒng)轉換以及對RTK 獲取的三維數據質量可靠性處理。試驗區(qū)面積不大水深基準面的調整通過固定值修正處理。水深數據的處理包括回波數據的質量判斷及處理、數據重采樣、水深值的基準面修正。調查范圍內的水界質、水深深度和地形變化相對穩(wěn)定，獲取到的回波數據只有少量不能正常反應水下實際情況的值，通過水深數據的回放，根據時間和相鄰水深數據進行判斷處理。數據重采樣主要是根據規(guī)范和實際需要，內業(yè)重新選取一定空間距離的水深數據。水深值的基準面修正采用固定差值改正。

本次水深數據調查完成測線總里程22.87km，測區(qū)水域總面積1.8 平方公里，重采樣后獲取水深調查點位數據1269 個。部分水深數據分布圖如圖5。

圖5 水深數據分布圖

3.3 數據精度分析

提取主測線和檢查線平面位置吻合比較好的調查數據進行水深數據對比分析，同精度下最大的2 倍中誤差為0.11m，符合海道測量極限誤差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 結論及建議

無人船平臺系統(tǒng)結合RTK 進行無驗潮對入海河口海域進行水深數據采集提高了工作效率、降低了人員作業(yè)安全風險。最終的數據質量說明無人船平臺系統(tǒng)結合RTK 進行無驗潮進行水深數據獲取符合水深數據調查的要求。

根據項目總結，進行數據采集時，為了提高調查數據的精度，波浪大小對最終數據的精度有一定影響，船的橫搖、縱搖不宜過大。作業(yè)期間選擇風浪小的時間段進行施測。航速不能太快，2.5m/s 左右的航速比較合適。