【正文】 測(cè)深。由單波束測(cè)深發(fā)展成為多波束測(cè)深， 大大的提高了測(cè)深效率 。由于單波束測(cè)深系統(tǒng)只能測(cè) 得某一點(diǎn)的深度，不利于提高作業(yè)效率，因此，由單波束測(cè)深系統(tǒng)發(fā)展而 來(lái)的多波束測(cè)深系統(tǒng)更加得到廣泛的應(yīng)用。多波束測(cè)深系統(tǒng)能同時(shí)測(cè)得與航線(xiàn)垂直面內(nèi)的幾百個(gè)點(diǎn)的深度， 相比單波束而 言， 具有 測(cè)深 范圍 更加廣、 更加 穩(wěn)定、 更加自動(dòng)化 、 數(shù)據(jù)處理更快 等優(yōu)點(diǎn)。 圖 21 單波束測(cè)深與多波束測(cè)深 海面 海底 單波束測(cè)深 多波束測(cè)深 淮海工學(xué)院二 〇 一三屆本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè) 共 31 頁(yè) 水深測(cè)量原理 在海洋水深測(cè)量中，我們通常采用回聲測(cè)深儀進(jìn)行水深測(cè)量，回聲測(cè)深儀是由 安裝在 船底 的 換能器、發(fā)射裝置、接收裝置、顯示屏等部分組成 。 換能器 垂直向下 發(fā)射聲波，傳到海底再反射回來(lái)接收，從而算出船到水底的深度。 圖 22 回聲測(cè)深原理圖 如圖 22 所示，換能器安裝在測(cè)量船底 下， 豎直 地向海底發(fā)射一個(gè)脈沖信號(hào)，到達(dá)海底后反射回來(lái)， 接收機(jī) 裝置 接收 反射回來(lái)的信號(hào) 。假設(shè)脈沖信號(hào)從發(fā)射到接收總共經(jīng)歷的時(shí)間為 T，脈沖信號(hào)在水中的傳播速度為 C，換能器的吃水深度為 D，則海面到海底的深度 H 可 表示為： H=21 CT+D (21) 由于海洋測(cè)量中，描述海底深度都要從深度基準(zhǔn)面算起，因此，我們要將實(shí)測(cè)到的水深減去深度基準(zhǔn)面以上的距離 d。那么我們就可以得出對(duì)于深度基準(zhǔn)面的海圖高 Z 的 計(jì)算公式： Z=21 CT+Dd (22) 誤差 分析 波浪引起的水深測(cè)量誤差 測(cè)深船 在海上進(jìn)行作業(yè)時(shí)， 有很大的概率會(huì)遇到波浪，在海面上的分布也比較廣，波浪很容易使得船體姿態(tài)發(fā)生一些變化，比如使船體產(chǎn)生上下左右的搖晃，還能使得船體不斷的升沉，那么這些很顯然都會(huì)對(duì)我們的測(cè)深作業(yè)產(chǎn)生一定的影響。我們就得對(duì)船體各種姿態(tài)的變化進(jìn)行分析，以便于減弱波浪對(duì)海洋測(cè)深的影響。 照理論，船體下面的發(fā)射機(jī)換能器應(yīng)該是垂直的向海地發(fā)射脈沖信號(hào)，但是由于波浪對(duì)船體 姿態(tài)造成的影響，發(fā)射出去的脈沖信號(hào)就不會(huì)真正的垂直于海底， 而是發(fā)射到了測(cè)深點(diǎn)的左右兩邊或者前后兩處，會(huì)發(fā)生一定的偏差，這就導(dǎo)致我們測(cè)深結(jié)果有一定的誤差。 船底換能器 海底 脈沖信號(hào) 淮海工學(xué)院二 〇 一三屆本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁(yè) 共 31 頁(yè) 如圖 23 所示，當(dāng)波浪使得船體發(fā)生橫向的搖擺時(shí)，擺動(dòng)角度為 ? ，則實(shí)際的測(cè)深為 PA1，而理論上的深度應(yīng)該為 PA，因此，波浪對(duì)船體造成的橫搖會(huì)對(duì)測(cè)深結(jié)果有一定影響。 圖 23 船體橫搖產(chǎn)生的測(cè)深誤差 同理， 如圖 24 所示，波浪對(duì)船體造成縱搖時(shí)，產(chǎn)生偏角度 ? ，使得理論的水深 PB 與實(shí)測(cè)水深 PB1 有一定誤差。 圖 24 船體縱搖產(chǎn)生的測(cè)深誤差 船速引起的水深測(cè)量誤差 在海洋水深測(cè)量中，船速是一個(gè)很重要的因素。如果船速過(guò)慢，那么我們水深測(cè)量的效率就會(huì)變低，然而，如果船速過(guò)快，那么我們水深測(cè)量的結(jié)果精度就不夠高。 因此，測(cè)深作業(yè)時(shí)，要選擇合理的 開(kāi) 船速度。 水位 觀測(cè)引起的 誤差 由瞬時(shí)海面實(shí)測(cè)的水深換算到以深度基準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的海圖高需要進(jìn)行水位X 垂直 于測(cè)深線(xiàn)的海底 ? P A A1 換能器底部 Y 平行于測(cè)深線(xiàn)的海底 船底換能器 P B B1 ? 淮海工學(xué)院二 〇 一三屆本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè) 共 31 頁(yè) 觀測(cè)，也就是我們所說(shuō)的驗(yàn)潮。 常規(guī) 人工驗(yàn)潮很難捕捉到準(zhǔn)確的瞬時(shí)的潮高， 潮位觀測(cè) 時(shí)人為因素等 會(huì)造成水位改正誤差。對(duì)最終水深數(shù)據(jù)造成一定的影響。 因此，可以看出常規(guī)驗(yàn)潮水深測(cè)量精度還是不夠穩(wěn)定的。 3 GPS 無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深技術(shù) GPS 在海洋測(cè)繪中的應(yīng)用 GPS 應(yīng)用于海洋測(cè)繪 一切與海洋有關(guān)的活動(dòng)，比如說(shuō)海洋工程的建設(shè)，海洋環(huán)境的研究等都離不開(kāi)海洋測(cè)繪單位提供的各種數(shù)據(jù)以及圖文。所以，我們進(jìn)行的海洋測(cè)繪工作是相當(dāng)基礎(chǔ)而又甚是重要的。 海洋測(cè)繪經(jīng)過(guò)了近十年的不斷發(fā)展，海洋測(cè)繪采用了各種高新技術(shù)，比如GPS，遙感等，使得我國(guó)海洋測(cè)繪水平有了很大的 提高。 由于 GPS 有很良好的技術(shù)特性，測(cè)量精度高，測(cè)量速度快，將其應(yīng)用到海洋測(cè)量，能夠很大程度上提高海道測(cè)繪的效率。 全球定位系統(tǒng) 簡(jiǎn)稱(chēng) 為 GPS。 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)是 基于全球 24 顆衛(wèi)星進(jìn)行工作的，它能夠隨時(shí)隨地的向全國(guó)擁有 GPS接收機(jī)的用戶(hù)提供他們所在的地理位置信息。它由三部分構(gòu)成， 如圖 31 所示， 一是由主控站、 監(jiān)測(cè)站、注入站 組成 的 地面支持系統(tǒng)； 二是由 24 顆 GPS 衛(wèi)星組成的空間部分； 三是 GPS 用戶(hù)設(shè)備部分 。 衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)跟 GPS 接收機(jī)接收到這個(gè)信號(hào)之間有一段時(shí)間差， GPS 接收機(jī)通過(guò)計(jì)算這算時(shí)間差，求得衛(wèi)星跟 GPS 接 收機(jī)之間的距離，利用衛(wèi)星瞬時(shí)的位置確定出地面點(diǎn)的位置， 這一特點(diǎn)能廣泛應(yīng)用于海洋測(cè)繪 ， 比如用于海洋大地測(cè)量，海洋資源開(kāi)發(fā)等等。 GPS 是現(xiàn)代全新的 定位方法， 由于其定位精度較高，尤其是 RTK 定位精度可達(dá)厘米級(jí)。 已經(jīng)取代了很多傳統(tǒng)的 測(cè)繪儀器 。 1980 年以后， GPS 定位技術(shù)不僅僅在陸地測(cè)量中使用的比較多，也逐漸的應(yīng)用到海洋測(cè)繪中， 圖 31 GPS定位系統(tǒng)組成部分 空間 GPS 衛(wèi)星 GPS 用戶(hù)設(shè)備部分 監(jiān)測(cè)站 主控站 注入站 地面支持系統(tǒng) 淮海工學(xué)院二 〇 一三屆本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) 共 31 頁(yè) GPS 海洋定位常用差分系統(tǒng) GPS 常用的定位系統(tǒng)有信標(biāo)差分 定位 、 CORS、 RTK 等 。 信標(biāo)差 分系統(tǒng)： 近年來(lái)，沿海地區(qū)信標(biāo)機(jī)的設(shè)立為海洋測(cè)繪提供了基礎(chǔ)，它為海上船舶的運(yùn)輸安全，以及一些海洋建設(shè)工程，海洋水深測(cè)量提供了技術(shù)上的支持 。 每一臺(tái)信標(biāo)機(jī)都在不斷的發(fā)送差分?jǐn)?shù)據(jù)，這樣，用戶(hù)一旦擁有了 GPS 跟信標(biāo)二合一接收機(jī) ， 就可以得到相對(duì)精度的定位結(jié)果。 CORS： 基準(zhǔn)站通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模式發(fā)送差分?jǐn)?shù)據(jù)，用戶(hù)接收差分?jǐn)?shù)據(jù)的同時(shí)，也接收 GPS 衛(wèi)星信號(hào)，就能進(jìn)行實(shí)時(shí)的定位。 CORS 網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍大，因此，用戶(hù)可以在大范圍內(nèi)進(jìn)行作業(yè)。 RTK： RTK 也分網(wǎng)絡(luò)模式跟電臺(tái)模式，網(wǎng)絡(luò)模式由服務(wù)商幫用戶(hù)登錄服務(wù)器，直接架設(shè)基準(zhǔn)站，通過(guò) 網(wǎng)絡(luò)將差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給移動(dòng)站，用戶(hù)直接 獲取 精度較高的 三維坐標(biāo) ；電臺(tái)模式需要在基準(zhǔn)站架一個(gè)電臺(tái)，發(fā)送差分?jǐn)?shù)據(jù)，繼而移動(dòng)站經(jīng)過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理得出定位結(jié)果。 現(xiàn)在 RTK 在海洋測(cè)繪上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，圖 32 表示了 GPS 技術(shù)跟數(shù)字測(cè)深儀結(jié)合的無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深技術(shù)。 圖 32 GPS 用于無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深 GPS 應(yīng)用在海洋測(cè)繪中的優(yōu)勢(shì) 全球全天候 實(shí)時(shí) 定位 ： 由于 GPS 的 24 顆衛(wèi)星 分布 相對(duì) 均勻， 這就使得無(wú)論用戶(hù)在哪個(gè)地方， 接收機(jī)都能至少接收 到 4 顆衛(wèi)星 的信號(hào) ，且海洋上視野開(kāi)闊，能 觀測(cè)到更多的衛(wèi)星，能更快的給出定位結(jié)果。 定位精度高 ： 假設(shè)在離長(zhǎng)期驗(yàn)潮站不遠(yuǎn)的地方測(cè)深作業(yè)，采用 RTK 模式，測(cè)深精度可達(dá) 1~2 厘米，足以滿(mǎn)足 海洋 測(cè)深 的 精度要求。 觀測(cè)時(shí)間短 ： 移動(dòng)站作業(yè)時(shí)在具有一定條件時(shí)，可以設(shè)置成兩秒測(cè)一次，大大減少了工作的時(shí)間。 海洋視野開(kāi)闊 ： GPS 作業(yè)時(shí)要求周?chē)曇跋鄬?duì)開(kāi)闊 ， 這樣就很快的能夠進(jìn)入換能器 GPS 天線(xiàn) 前拉繩 后拉繩 水面 淮海工學(xué)院二 〇 一三屆本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) 共 31 頁(yè) 固定解。恰好海洋上視野相當(dāng)開(kāi)闊，為 GPS 的無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深作業(yè)提供了一個(gè)良好的作業(yè)環(huán)境。 操作方便 ： 現(xiàn)在 GPS 產(chǎn)品 變得越來(lái)越自動(dòng)化 ， 測(cè)深工作者 只需稍加學(xué)習(xí)便可熟練 掌握 。 基準(zhǔn)統(tǒng)一 ： GPS 測(cè)量 可獲取測(cè) 點(diǎn)平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及高程數(shù)據(jù) 。另外， 其 定位結(jié)果是在全球唯一 的 WGS84 坐標(biāo)系統(tǒng)中 解算 的，因此全球不同地點(diǎn)的測(cè)量成果是相互關(guān)聯(lián)的。 GPS 無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深 原理及常用方法 目前， 傳統(tǒng)海洋水深測(cè)量中，我們都是通過(guò)人工驗(yàn)潮的方式確定圖載水深，然而，水位改正又恰恰是影響水深測(cè)量精度最重要的因素，因此，傳統(tǒng) 人工 驗(yàn)潮測(cè)深方法 誤差可能相對(duì)較大 。 近年來(lái)，隨著人們對(duì) GPS 技術(shù) 的不斷研究跟發(fā)展， GPS 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋測(cè)繪中各個(gè)領(lǐng)域，尤其是近年實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)（ RTK）的發(fā)展，為我們的海洋水深測(cè)量提供了一個(gè)更有效的途徑。 RTK 技術(shù)能夠精確的測(cè)定觀測(cè)站的三維坐標(biāo)，精度可達(dá)厘米級(jí)，已經(jīng)滿(mǎn)足了海洋水深測(cè)量的精度要求。 除此之外，還可以用覆蓋范圍較廣的 CORS 系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量，近年來(lái)，我國(guó)沿岸也設(shè)立了不少信標(biāo)機(jī)，作業(yè)時(shí)，通過(guò)接收差分改正信號(hào)也可實(shí)現(xiàn)無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量。 因此，由 GPS 定位系統(tǒng)跟數(shù)字測(cè)深儀相結(jié)合的無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深技術(shù)已經(jīng)在海洋水深測(cè)量中獲得廣泛的應(yīng)用。 GPSRTK 無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深原理 如圖 33， 用戶(hù)首先 將一臺(tái) GPS 接收機(jī) 安置在 沿岸 長(zhǎng)期驗(yàn)潮站 控制點(diǎn)上， 假如用電臺(tái)模式的話(huà)，還需在基準(zhǔn)站架設(shè)電臺(tái)用于傳播差分?jǐn)?shù)據(jù)，對(duì)已知控制點(diǎn)進(jìn)行 觀測(cè)，并且與其已知數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，將誤差數(shù)據(jù)通過(guò)電臺(tái)發(fā)送給在海洋上測(cè)深的移動(dòng)站 GPS 接收機(jī)，測(cè)深的 GPS 接收機(jī)通過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理分析，能夠得出一個(gè)相對(duì)精度的三維坐標(biāo)，其中就有包含有高程，再通過(guò)數(shù)學(xué)關(guān)系求出實(shí)測(cè)的大地高轉(zhuǎn)換到深度基準(zhǔn)面以下的圖載水深。假如需要采用網(wǎng)絡(luò)模式，用戶(hù)測(cè)深人員首先需要請(qǐng)服務(wù)商幫他們的兩臺(tái) GPS 接收機(jī)都登上網(wǎng)絡(luò)，那么用戶(hù)只需在沿岸長(zhǎng)期站控制點(diǎn)上假設(shè)接收機(jī)而不需要架設(shè)電臺(tái)，差分?jǐn)?shù)據(jù)都是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給海洋上的測(cè)深船上的 GPS 接收機(jī)。 岸上基準(zhǔn)站連續(xù)地觀測(cè) GPS 衛(wèi)星 ，流動(dòng)站的GPS 接收機(jī)安置在數(shù) 字測(cè)深儀 換能器 的上端，要求在同一垂線(xiàn)上。基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將觀測(cè)到的相位觀測(cè)值、已知數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)地傳輸給流動(dòng)站，測(cè)深儀上面的流動(dòng)站在接收基準(zhǔn)站傳輸過(guò)來(lái)數(shù)據(jù)的同時(shí)，自己也不斷的觀測(cè) GPS 信號(hào)，在系統(tǒng)內(nèi) 通過(guò)處理差分值以及觀測(cè)數(shù)據(jù) ，最終解算出測(cè)深點(diǎn) 的三維坐標(biāo) 。 當(dāng) 岸上 基準(zhǔn)站與 海上 流動(dòng)站距離小于 20 公里時(shí)，將岸邊 的高程異常與 海洋上 測(cè)深點(diǎn)的高程 視為 一致。即： 淮海工學(xué)院二 〇 一三屆本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè) 共 31 頁(yè) hhhh 4321 ??? (31) 圖 33 RTK 無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深 示意圖 我們?cè)陂L(zhǎng)期驗(yàn)潮站確定出深度基準(zhǔn)面的大地高，深度基準(zhǔn)面大地高具體算法在之后章節(jié)給出。當(dāng)測(cè)深點(diǎn)與長(zhǎng)期驗(yàn)潮站在 20 公里范圍之內(nèi)時(shí)，我們無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深就采用該基準(zhǔn)面。那么，測(cè)深點(diǎn)的圖載水深計(jì)算就可以用圖 34 的位置關(guān)系求出。 圖 34 無(wú)驗(yàn)潮 計(jì)算水深 圖中， H 為 GPS 接收機(jī)測(cè)出的大地高； d 為測(cè)深儀實(shí)測(cè)出的換能器到海底的距離； ha 為測(cè)深儀換能器到 GPS 接收機(jī)天線(xiàn)的垂直距離； HD為 WGS84 橢球WGS84 橢球面 高程基準(zhǔn)面 海面 岸邊基準(zhǔn)站 換能器 測(cè)深點(diǎn) h1 h2 h3 h4 海底 WGS84 橢球面 瞬時(shí)海面 換能器 GPS天線(xiàn) 測(cè)區(qū)深度基準(zhǔn)面 海底 ha H d HD D HP0 淮海工學(xué)院二 〇 一三屆本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè) 共 31 頁(yè) 面到海底的距離； HP0為深度基準(zhǔn)面到 WGS84 橢球面的距離；那么海底某點(diǎn)的海圖高 D： )(0 dhHHD ap ???? (32) 上式中未涉及到水位數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)不需要進(jìn)行人工驗(yàn)潮來(lái)確定圖載水深，也即我們所說(shuō)的無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深。這種測(cè)深方法消除了傳統(tǒng)測(cè)深中人工驗(yàn)潮所帶來(lái)的誤差，是一種理想的海洋測(cè)深方法。 CORS 用于 無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深 考慮到 RTK 差分信號(hào)改正受到距離的限制，假 設(shè)海面測(cè)深區(qū)域與長(zhǎng)期驗(yàn)潮站的距離大于 30 公里時(shí)， RTK 可能不能正常工作，對(duì)測(cè)深結(jié)果造成一定影響。隨著近年來(lái) 我國(guó)越來(lái)越多 CORS 站建立 ， 為海洋測(cè)深提供了技術(shù)支持， 海洋測(cè)繪中利用 CORS 進(jìn)行無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深能夠擴(kuò)大作業(yè)范圍， 這種作業(yè)模式解除了 RTK無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深受到距離限制的困擾 ，對(duì)無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深作業(yè)工作效率的提高有很大幫助。 我們求出附近長(zhǎng)期驗(yàn)潮站的高程異常以及深度基準(zhǔn)面大地高，通過(guò)內(nèi)插法能夠求出測(cè)深點(diǎn)的高程異常，有了高程異常值以及深度基準(zhǔn)面的大地高，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)，不難確定出實(shí)時(shí)圖載水深。 信標(biāo)差分用于無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深 國(guó)家已 經(jīng)在我國(guó)沿海區(qū)域設(shè)立了多個(gè)信標(biāo)臺(tái)站，這樣我們就可以考慮用信標(biāo)差分技術(shù)進(jìn)行無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深。將一臺(tái) GPS 接收機(jī)架