海洋水深測(cè)量的誤差分析及其改正

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1、海洋水深測(cè)量的誤差分析及其改正摘要近年來(lái)，海洋管道項(xiàng)目越來(lái)越多，單波束、多波束測(cè)深系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于水下地形測(cè)量中。本文基于海洋水深測(cè)量的特點(diǎn)，定性和定量的分析了波束角效應(yīng)、測(cè)深延遲效應(yīng)、波浪效應(yīng)、潮位模型選擇、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換等因素對(duì)水深數(shù)據(jù)的影響，最后提出了海洋水深測(cè)量中應(yīng)注意的問(wèn)題及解決的方法。一、引言海洋管道測(cè)量的基本工作其實(shí)就是給設(shè)計(jì)部門提供準(zhǔn)確的水下地形圖。水下地形測(cè)量主要包括平面定位和測(cè)深兩大部分，其中測(cè)深是重要的內(nèi)容。目前市場(chǎng)上主流測(cè)深系統(tǒng)還是采用回聲測(cè)量原理，利用水聲換能器垂直向下發(fā)

2、射聲波并接受水底回波，根據(jù)回波時(shí)間和聲速來(lái)確定被測(cè)點(diǎn)的水深，然后根據(jù)各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水深值來(lái)準(zhǔn)確繪制出水下地形圖。在這里需要強(qiáng)調(diào)的是，由于測(cè)量?jī)x器、測(cè)量環(huán)境等因素的影響，往往外業(yè)得到的水深數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)相關(guān)誤差改正后才能使用。二、現(xiàn)代海洋水深測(cè)量的特點(diǎn)除了與現(xiàn)代陸地測(cè)量具有的高精度、自動(dòng)化、高效率等特點(diǎn)外，現(xiàn)在海洋水深測(cè)量還具有以下特點(diǎn)：(1)全天候、測(cè)量作業(yè)連續(xù)(2)誤差源復(fù)雜(3)測(cè)量環(huán)境多變(4)海底地形看不見(jiàn)，很難掌握其實(shí)際情況，測(cè)量性質(zhì)屬于水下聲波遙感(5)測(cè)量觀測(cè)值較多，集定標(biāo)、導(dǎo)航、測(cè)深及

3、潮汐觀測(cè)四種測(cè)量手段于一體，需要較強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、查詢、分析處理和管理能力。三、誤差分析及其改正現(xiàn)代海洋水深測(cè)量誤差主要來(lái)自四個(gè)方面（見(jiàn)表1）：(1)深度測(cè)量方面的誤差；(2)定位方面的誤差(3)潮位觀測(cè)及改正模型的誤差(4)測(cè)量環(huán)境效應(yīng)誤差，包括由船速效應(yīng)、波浪效應(yīng)、定位中心偏心效應(yīng)及測(cè)深延遲效應(yīng)引起的測(cè)量誤差。表1現(xiàn)代海洋水深測(cè)量主要誤差因子分析誤差種類主要誤差因子測(cè)深誤差測(cè)深儀測(cè)深（儀器標(biāo)稱值）；測(cè)深儀換能器動(dòng)態(tài)吃水；海水聲速。定位誤差GPS接收天線多路徑效應(yīng)；差分方法（偽距/相位差分

4、）；電離層改正模型；單頻/雙頻機(jī)；衛(wèi)星幾何強(qiáng)度；定位點(diǎn)到GPS差分基準(zhǔn)站的距離；差分信號(hào)發(fā)送間隔；不同坐標(biāo)系間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。潮位改正誤差潮汐觀測(cè)值；潮位改正模型；理論深度基準(zhǔn)面。測(cè)量環(huán)境效應(yīng)誤差波浪效應(yīng)；定位中心偏心效應(yīng)；測(cè)深延遲效應(yīng)；船速效應(yīng)；波束角效應(yīng)。1.船速效應(yīng)船速效應(yīng)是由于船速過(guò)快及聲波傳播時(shí)間的影響引起測(cè)深儀在異地（T2）接受到前一時(shí)刻（T1）所發(fā)射的測(cè)深回波信號(hào)，見(jiàn)圖1。設(shè)測(cè)深儀波束角為θ，聲速為1500m/s，船速V，測(cè)深點(diǎn)水平位移為d＝ΔS/2，H2為測(cè)深儀觀測(cè)值（T2時(shí)刻），H1

5、為T1時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的實(shí)際深度,從T1到T2時(shí)刻，聲波傳播路徑總長(zhǎng)度近似為H1和H2之和。由于船速效應(yīng),深度點(diǎn)（聲波反射點(diǎn)）從P2位移到P3，原測(cè)量點(diǎn)（定位點(diǎn)）T1上所對(duì)應(yīng)的水深值變?yōu)镠2（T2處收到T1處發(fā)射的聲波束覆蓋區(qū)的邊緣信號(hào)，它遵循入射角等于反射角原理），在圖1的直角三角形P1P2P3中，H1=P1P2，S=2×P2P3，故可得到下列等式：圖1船速效應(yīng)原理（1）（2）（3）（4）（5）當(dāng)顧及測(cè)算儀波束角時(shí)，有等式：（6）當(dāng)船速為30kn，水深為75m，位置誤差可達(dá)0.77m，深度誤差僅為0

6、.01m。因此，當(dāng)船速小于30kn，水深小于75m的海區(qū),船速效應(yīng)誤差可忽略不計(jì)。在實(shí)際中如果需要考慮其影響,可采用公式(4)與(5)作為其誤差改正模型。理論上,由公式(5)與(6)可得最大船速(考慮單波束邊緣信號(hào))：（7）當(dāng)波束角為12°時(shí),由(7)式可算得最大船速為157.66m/s，即測(cè)量船以306kn的速度航行均可接收到測(cè)深信號(hào)。但是在實(shí)際上，由于船速加快，各種不利于測(cè)深的噪音將會(huì)增大，測(cè)深回波信號(hào)相對(duì)變?nèi)酰瑥亩绊懮疃葴y(cè)量。我們建議測(cè)量船速度應(yīng)盡量地加大到測(cè)深儀能正常工作為限，以利于提

7、高測(cè)量工作效率，但究竟能加到多快，視測(cè)量所處環(huán)境（例如，測(cè)深儀接收靈敏度、海底地質(zhì)、海水介質(zhì)理化特性、測(cè)量船本身噪聲等情況）而定。2.測(cè)深延遲效應(yīng)測(cè)深延遲效應(yīng)是測(cè)深時(shí)刻與定位時(shí)刻不同步所引起的測(cè)量誤差"定位與測(cè)深是否同步有兩個(gè)含義：一是指發(fā)送給接收機(jī)的定位標(biāo)記時(shí)刻與發(fā)送給測(cè)深儀的測(cè)深標(biāo)記時(shí)刻（這兩個(gè)時(shí)刻一般以世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)整秒時(shí)刻給出）是否同步；二是指測(cè)深儀本身發(fā)射聲波時(shí)刻滯后于世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的整秒時(shí)刻所引起的測(cè)深點(diǎn)移位效應(yīng)。兩種情況的效應(yīng)結(jié)果類似，本文討論第二種情況。在圖2中，L1測(cè)線測(cè)量船向南航行，

8、在A1處測(cè)量系統(tǒng)發(fā)出測(cè)量信號(hào)，在整秒時(shí)刻及時(shí)定位，而測(cè)深儀的發(fā)射聲波信號(hào)卻滯后S，實(shí)際水深測(cè)量點(diǎn)在A2處，設(shè)航速為V，則測(cè)深延遲效應(yīng)所致的測(cè)量點(diǎn)水平方向（向南滯后）位移量為。若航速為10kn，延遲為0.1s，則：圖2測(cè)深延遲效應(yīng)原理及等深延遲效應(yīng)前（A圖）、后（B圖）等深線對(duì)比同樣，在測(cè)量船向北航行的相鄰測(cè)線L2中，測(cè)量信號(hào)在與L1的A1點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的B1點(diǎn)發(fā)出，此時(shí)的滯后效應(yīng)產(chǎn)生向北偏移約1m，由于一南一北，相鄰測(cè)線測(cè)量點(diǎn)水平誤差效應(yīng)將達(dá)2m，其后果會(huì)造成水深等深線呈鋸齒狀走勢(shì)，圖2中A圖為實(shí)際等