CN109059746A - 一种基于精密pos的海底地形测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海底地形测量技术领域，特别是涉及一种基于精密POS的海底地形测量方法，目的在于以高精度GNSS定位为基础，通过GNSS接收机，姿态仪和测深仪构成的精密POS采集船体测量系统的三维坐标信息，在解算测点三维坐标时以参考椭球面为基准，统一采用WGS‑84坐标系统，改善传统水深测量工作中，测量成果的精度受平面位置与深度信息匹配、水位控制、水深归算等影响的问题。

Description

一种基于精密POS的海底地形测量方法

技术领域

本发明涉及海底地形测量技术领域，特别是涉及一种基于精密POS的海底地形测量方法。

背景技术

海底地形测量这一概念是从水深测量继承发展而来的。传统水深测量主要由定位、测深和潮汐观测三部分组成，分别采集水下测点的平面位置、水深和潮高。在求解水下测点的三维坐标时，首先通过仪器测量的深度、声速和仪器吃水等改正求得该点的瞬时水深，再根据潮汐改正求得该点的海图水深，最后将该点深度信息与平面位置信息进行匹配得到该点的三维坐标信息。在传统水深测量工作中，测量成果的精度不可避免地会受到平面位置与深度信息匹配、水位控制、水深归算等方面存在误差的影响。此外，由于深度基准面在不同海域甚至是同一海域存在“阶跃”现象，要实现测量数据的无缝拼接尚面临较大挑战。

发明内容

本发明为了有效的解决上述背景技术中的问题，提出了一种基于精密POS 的海底地形测量方法，简化作业流程，降低作业成本，实现陆海测量成果的统一表达。

具体技术方案如下：

一种基于精密POS的海底地形测量方法，包括以下步骤：步骤一，数据采集：本方法采集数据用到的测量仪器主要有：GNSS接收机、姿态仪和测深仪， GNSS接收机用于测定测量船的三维位置坐标，姿态仪用来测定测量船的姿态，测深仪通过换能器发射声波实现换能器至海底距离的探测；GNSS接收机、姿态仪和测深仪的中心安装在同一条直线上，其中姿态仪安放于测量船的重心位置，且这条直线穿过测量船重心并垂直于测量船纵轴，三种测量仪器与测量船之间的刚性连接；

步骤二，坐标系构建：建立三个不同的坐标系：载体坐标系“G系”、姿态传感器坐标系“I系”和换能器坐标系“H系”；

步骤三，坐标转换：先后经过换能器坐标系“H系”到载体坐标系“G系”，载体坐标系“G系”到姿态传感器坐标系“I系”和姿态传感器坐标系“I系”到WGS-84坐标系的坐标转换，实现WGS-84坐标系下海底观测点三维坐标的统一表达。

优选地，步骤二中坐标系构建方法如下：

以GNSS天线相位中心为坐标原点G，以船舶纵向为X_G轴，指向前为X_G轴正向；以垂直X_G轴，指向测量船右舷方向为Y_G轴；Z_G轴垂直向下，X_GY_GZ_G构成右手正交坐标系，并将此坐标系命名为载体坐标系(G-X_GY_GZ_G)，简称“G系”；以姿态仪中心为坐标原点，船体纵轴方向为X_I轴，向前为正；船体右舷方向为Y_I轴，与X_I轴垂直；垂直向下为Z_I轴，与X_I轴和Y_I轴成右手正交系，并将此坐标系命名为姿态传感器坐标系(I-X_IY_IZ_I)，简称“I系”；以测深仪换能器波束发射点为原点，X_H轴指向船舶航行方向，Z_H轴沿瞬时波束方向向下，Y_H轴与X_H轴、Z_H轴构成右手正交坐标系，将该坐标系命名为换能器坐标系(H-X_HY_HZ_H)，简称“H 系”。

优选地，步骤三中坐标转换，最终转换到的坐标系是WGS-84坐标系；不借助水深数据反演海底地形，而是通过坐标转换实现海底地形基于参考椭球的直接表达。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明提出的基于精密POS的海底地形测量方法实现了数据处理过程不涉及水位改正，故排除了潮汐、船舶动、静吃水等因素对测量精度的影响。本方法将测点坐标转换到WGS-84坐标系中，方便根据实际需要实现海底地形在不同坐标系中的表达；实现陆、海坐标系统的一体化表达，减少了数据处理的中间过程，减少误差累积，在一定程度上提高了作业精度。

附图说明

图1是本发明测量系统仪器安装及坐标系构建示意图；

图2是换能器坐标系和载体坐标系之间的转换示意图；

图3是地理坐标系和WGS-84坐标系之间的转换示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的和技术方案更加清晰，下面对本发明作进一步的描述。

本发明介绍了一种基于精密POS的海底地形测量方法，所谓精密POS是指以高精度GNSS定位为基础，通过GNSS接收机，姿态仪和测深仪构成的精密测量系统。目的在于采集测量船的三维坐标信息，实现以参考椭球面为基准的 WGS-84坐标系下的陆海坐标系统一体化表达；改善传统水深测量工作中，测量成果的精度受平面位置与深度信息匹配、水位控制、水深归算等影响的问题。

本发明基于精密POS的海底地形测量方法，由数据采集、坐标系构建、坐标转换三个主要部分组成，具体过程如下：

步骤一，数据采集，本方法采集数据用到的测量仪器主要有：GNSS接收机、姿态仪和测深仪。GNSS接收机用于测定测量船的三维位置坐标，姿态仪用来测定测量船的姿态，测深仪通过换能器发射声波实现换能器至海底距离的探测。本方法的测量系统设计有别于传统海底地形测量系统的地方在于：将姿态仪置于测量船的重心位置，使姿态仪的中心同测量船的重心重合；安装GNSS天线和测深仪时，使它们的中心与姿态仪的中心在一条直线上，这条直线穿过测量船重心且垂直于测量船纵轴；GNSS天线、姿态仪和测深仪三种仪器与船之间刚性连接。作业前通过对仪器安装进行精确标定确定系统误差，标定合格后则可用于海上实地测量作业。

步骤二，坐标系构建主要是在测量船上建立以三个主要观测仪器各自的中心为坐标原点的三个坐标系：载体坐标系(G系)、姿态传感器坐标系(I系)和换能器坐标系(H系)。具体构建方法如下：以GNSS天线相位中心为坐标原点G，以船舶纵向为X_G轴，指向前为X_G轴正向；以垂直X_G轴，指向测量船右舷方向为 Y_G轴；Z_G轴垂直向下，X_GY_GZ_G构成右手正交坐标系，并将此坐标系命名为载体坐标系(G-X_GY_GZ_G)，简称“G系”。以姿态仪中心为坐标原点，船体纵轴方向为X_I轴，向前为正；船体右舷方向为Y_I轴，与X_I轴垂直；垂直向下为Z_I轴，与X_I轴和Y_I轴成右手正交系，并将此坐标系命名为姿态传感器坐标系(I-X_IY_IZ_I)，简称“I系”。以测深仪换能器波束发射点为原点，X_H轴指向船舶航行方向，Z_H轴沿瞬时波束方向向下，Y_H轴与X_H轴、Z_H轴构成右手正交坐标系，将该坐标系命名为换能器坐标系(H-X_HY_HZ_H)，简称“H系”(如图1所示)。建立这三个坐标系的目的是在简化数据处理流程的同时方便中间转换结果挪为他用。

步骤三中坐标转换最终转换到的坐标系是WGS-84坐标系，实现海底地形脱离水深约束的直接表达。根据步骤二中坐标系的定义可知，H系中X_H轴理论上应平行于G系中的X_G轴，H系到G系的转换只需将H系绕X_H轴旋转一个角度θ(波束角)就可以使H系和G系的三个坐标轴对应平行(如图2所示)，对应的旋转矩阵为：

但实际上由于仪器安置误差及在航行中风、流等环境因素对船舶的影响，在不同时刻船舶的航向一般不会完全重合，故在它们之间还存在误差角α₁，β₁，γ₁。假设综合考虑后的误差角为α，β，γ，然后将H系分别绕X、Y、Z轴(这里的X、Y、Z轴可指旋转过程中过渡性的坐标轴)旋转α，β，γ角度，则由 H系转换到G系的旋转矩阵可写为：

可写出由换能器坐标系(H系)向载体坐标系(G系)转换的旋转矩阵R_G：

R_G＝R_G2R_G1 (3)

由于H系和G系的坐标原点并不重合，故要实现二者之间的坐标转换还需进行原点平移，设原点间的空间向量为T_HG，则海底一点S在载体坐标系中的坐标(X_SG,Y_SG,Z_SG)可表示为：

[X_SG,Y_SG,Z_SG]^T＝R_G[0 0 D]^T+T_HG (4)

其中，D为波束发射点H到海底某点S的距离，可根据POS系统记录的波束往返时间再结合声速剖面，通过原理式：

求得。式中d表示从发射点到反射点的距离，V(t)为声波传播路径上的声速，t为声波往返传播的时间。在实际作业中，一般取声波自海面至海底的平均传播速度V_m代替V(t),故原理式可写为d＝1/2V_mt。

同理，G系到I系的转换矩阵：

则海底某点S在I系中的坐标(X_SI,Y_SI,Z_SI)可写为：

[X_SI,Y_SI,Z_SI]^T＝R_I[X_SG,Y_SG,Z_SG]^T+T_GI (7)

其中，α₂，β₂，γ₂为因仪器安置而存在的三个安置误差角；T_GI为G系到I系的原点平移向量。

同理，由I系到WGS-84坐标系的转换矩阵R_W＝R_W1R_W2，其中：

为I系转换到北东地地理坐标系的旋转矩阵。r，p，y分别代表POS系统姿态仪测得的船舶瞬时姿态角roll，pitch和yaw。

为由地理坐标系向WGS-84坐标系转换的旋转矩阵，λ是经度、φ是纬度 (如图3所示)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于精密POS的海底地形测量方法，包括以下步骤：步骤一，数据采集：本方法采集数据用到的测量仪器主要有：GNSS接收机、姿态仪和测深仪，GNSS接收机用于测定测量船的三维位置坐标，姿态仪用来测定测量船的姿态，测深仪通过换能器发射声波实现换能器至海底距离的探测；GNSS接收机、姿态仪和测深仪的中心安装在同一条直线上，其中姿态仪安放于测量船的重心位置，且这条直线穿过测量船重心并垂直于测量船纵轴，三种测量仪器与测量船之间的刚性连接；

步骤二，坐标系构建：建立三个不同的坐标系：载体坐标系“G系”、姿态传感器坐标系“I系”和换能器坐标系“H系”；

步骤三，坐标转换：先后经过换能器坐标系“H系”到载体坐标系“G系”，载体坐标系“G系”到姿态传感器坐标系“I系”和姿态传感器坐标系“I系”到WGS-84坐标系的坐标转换，实现WGS-84坐标系下海底观测点三维坐标的统一表达。

2.根据权利要求1所述的基于精密POS的海底地形测量方法，其特征在于，步骤二中坐标系构建方法如下：

以GNSS天线相位中心为坐标原点G，以船舶纵向为X_G轴，指向前为X_G轴正向；以垂直X_G轴，指向测量船右舷方向为Y_G轴；Z_G轴垂直向下，X_GY_GZ_G构成右手正交坐标系，并将此坐标系命名为载体坐标系(G-X_GY_GZ_G)，即载体坐标系“G系”；以姿态仪中心为坐标原点，船体纵轴方向为X_I轴，向前为正；船体右舷方向为Y_I轴，与X_I轴垂直；垂直向下为Z_I轴，与X_I轴和Y_I轴成右手正交系，并将此坐标系命名为姿态传感器坐标系(I-X_IY_IZ_I)，即姿态传感器坐标系“I系”；以测深仪换能器波束发射点为原点，X_H轴指向船舶航行方向，Z_H轴沿瞬时波束方向向下，Y_H轴与X_H轴、Z_H轴构成右手正交坐标系，将该坐标系命名为换能器坐标系(H-X_HY_HZ_H)，即换能器坐标系“H系”。

3.根据权利要求1所述的基于精密POS的海底地形测量方法，其特征在于，步骤三中坐标转换，最终转换到的坐标系是WGS-84坐标系；不借助水深数据反演海底地形，而是通过坐标转换实现海底地形基于参考椭球的直接表达。