基于组合定位技术的多波束海洋地形测量

全球卫星导航系统(GNSS)是海洋测绘中广泛使用的定位系统，可以提供高精度的导航定位信息，但是在远海海域、海洋岛礁和跨海大桥等区域，GNSS信号质量差，经常出现导航数据丢失的情况，影响了海洋测绘精度。惯性导航系统(INS)能在不依赖外界信息的情况下提供连续稳定的导航信息，被广泛应用于各类运动载体中。基于GNSS与INS相结合的组合导航定位模式，能提供稳定、精确的定位和定向数据，可以在任何介质和任何环境下实现导航，尤其在GNSS信号较弱的区域，结合INS提供高精度的定位和姿态数据，数据输出稳定，短期定性好。

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本图来自网络

在组合导航定位模式中，GNSS定位依然采用基准站与流动站差分来实现，其定位精度仍会受到基准站架设距离的影响，在一些难以架设基准站的海域无法实现差分定位。事后实时扩展(PP－RTX)技术的出现弥补了这一缺陷，它将基于参考站的差分全球卫星导航系统的高精度与全球卫星校正的高效广域覆盖相结合，能在不采用基准站、电台或网络参考站的情况下，实现厘米级的定位服务。

本文采用组合导航定位模式与多波束水深测量相结合的方式，完成了某远海海域地形测量，并采用PP－RTX技术进行数据后处理，最后获取测区三维地形，精度分析结果表明了本文方法的有效性。

一、组合导航定位技术

在海洋测绘中，多采用POSMV系统来实现组合导航定位。POSMV系统主要由定位定姿计算机系统(PCS)、惯性测量单元(IMU)和天线组成，其工作原理如图1所示。其中，PCS包含两台220通道的GNSS接收机和处理器单元，对GPS、GLONASS、BeiDou、Galileo和星站差分系统都具有较好的兼容性；IMU包含3个高质量的加速度计和3个高精度的陀螺仪，采用经过卡尔曼滤波的估算数据，实现导航解决方案的误差控制矫正，从而提供稳定、精确的定位和定向数据。

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图1 POSMV系统工作原理

为了提高测量精度，POSMV系统采用微秒级的时间精度对位置(经度、纬度和高程)、方向(横摇角、纵摇角和航向角)、涌浪、速度和性能指标进行时间同步，将GNSS数据与IMU的角速度和加速度数据进行融合。同时，为了消除时间同步差，该系统可以与多波束水深测量系统保持同精度的时间同步，将时间同步差由毫秒级提高到微秒级。该系统采用PP－RTX数据处理方法，能实现厘米级的定位精度。

POSMV系统综合了GNSS与IMU两个系统的优势，当一个系统不能工作时，另一个系统也能提供稳定的导航解算，进一步提升了海洋测量精度，为各种纬度和动态状况下的作业船只提供稳定、精确的地理参考。

二、工程应用

⒈扫海测量

为了获取某海岛海域地形图，需进行多波束全覆盖测量、潮汐观测和声速剖面测量等扫海测量工作，测区面积约为0.78km2。

项目采用TeledyneReaSonSeaBatT20－P便携式多波束测深系统采集水深数据。SeaBatT20－P便携式多波束测深系统的工作频率为200/400kHz，波束数目有512条，最大水深可达500m，扫测最大角度为165°，系统连接如图2所示。

图2 SeaBatT20－P多波束测深系统

多波束水深测量系统收发控制单元安装在船舶上，通过采集软件控制多波束水深测量系统的工作状态。导航定位系统安装在船舶的顶部，通过导航控制软件实时显示船舶的航行信息。将安装设备固定后，测量多波束探头、光纤罗经与GNSS天线的位置和方位，并进行位置改正及仪器调试。由于本测区附近无法架设基站，也无法在短时间内获得高精度的基线解算结果，仅采用GNSS定位技术无法获得合格的水深测量结果。因此，多波束测深仪采用POSMV系统进行动态定位，导航定位、姿态数据通过1PPS进行时间同步。

多波束水深测量系统中的纵摇、横摇及时间同步误差会影响测量精度，需要进行校准。SeaBatT20－P便携式多波束测深系统因采用POSMV系统进行定位，时间同步误差影响较小，故不需要做时间延迟这项校准。在测区内寻找具有明显起伏变化或具有一定坡度的地形，布设两条航线作为校准线，根据测区水深情况设置测线间距为30m，线路长度80m，条带间的覆盖率达70%，在校准区按照设计好的顺序和速度扫测这两条航线。获取数据后在PDS2000多波束模块中使用第一条测线数据计算横摇和纵摇参数，用第二条测线和第一条测线同向数据计算出偏差参数，最后进行检核，得到SeaBatT20－P便携式多波束测深系统的校准参数，详见表1。

  表1 参数校准情况

校正参数	校正值
横摇偏差/(°)	0.47
纵摇/(°)	－0.32
首摇/(°)	－0.55

在扫海测量的同时，设立临时潮位站进行人工同步潮位观测，用于多波束后处理数据的潮位改正。使用MiniSVP型声速剖面仪在不同时段分层测出测区声速剖面，根据声速剖面文件，在内业处理时用PDS2000软件对多波束水深数据进行声速改正。

使用TeledyneReaSon公司自带的控制软件，严密监控多波束探头的信号情况，实时调整波束角、量程和功率，以消除噪声，保证信号的准确度。采用船载走航连续测量方式进行水深扫测。

⒉数据处理

POSMV导航数据使用POSPac数据处理软件进行处理。首先，导入POS数据，选择PP－RTX解算模型，从RTX服务器中检索下载1组精确的卫星改正数据进行高精度定位，获取改正后的航迹；其次，将改正后的坐标信息数据替换多波束水深数据中的坐标信息，并和水深数据进行融合，以提高坐标定位精度。改正前后的航迹如图3所示。

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图3 改正前后的航迹

水深数据采用PDS2000多波束Editing后处理模块进行处理。首先，加载水位文件、声速文件和校准参数，使用PDS2000强大的自动消除噪声和错误点剔除功能进行过滤，再进行人工详细处理，生成2.5m格网文件；其次，用GridModelEditor将格网文件生成为最浅点数据，再用hypack数据排序程序根据比例尺进行位置提取，并生成浅点数据；最后，分别将数据文件转换成.DAT文件，使用南方CASS7.0成图软件生成水深图。海域三维模型如图4所示。

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图4 海域三维模型

⒊精度分析

利用POSPac数据处理软件分析本次测量中POSMV系统的定位精度，其诊断质量控制报告显示:平面定位均方根误差、加速度均方根误差及横摇纵摇均方根误差均符合精度要求，具体详见图5，因此，本次测量的均方根误差、加速度均方根误差及横摇纵摇均方根误差精度均满足相关规范要求，表明本次扫海测量中POSMV系统定位是有效的。

图5 定位精度统计

为检查多波束水深测量的精度，布设了与主测线方向垂直的检查线，进行内符合精度检查。根据采集的数据，统计满足规范要求的重合点差值百分比，其值为99.12%，优于《水运工程测量规范》的限差要求，表明数据可靠性较高。超限点统计结果见表2。

表2 超限点统计

分项	结果
总点数/个	2630
超限点数/个	23
占总点数的百分比/%	0.88

三、结语

现代海洋地形测绘技术融合了导航定位技术、多波束水深测量技术和潮位观测等内容，体现了多技术、多系统的集成化应用成果，它们的任何技术方法的改进都有利于海洋测绘的发展。本文采用GNSS与INS相结合的组合定位模式，采用PP－RTX技术对观测数据进行数据后处理，进一步提高了数据可靠性。同时，将该组合定位技术与多波束水深测量技术相结合进行海洋地形测绘，实践结果表明，该方法能够提高海洋地形测绘精度。