【正文】 測深。由單波束測深發(fā)展成為多波束測深， 大大的提高了測深效率 。由于單波束測深系統(tǒng)只能測 得某一點的深度，不利于提高作業(yè)效率，因此，由單波束測深系統(tǒng)發(fā)展而 來的多波束測深系統(tǒng)更加得到廣泛的應(yīng)用。多波束測深系統(tǒng)能同時測得與航線垂直面內(nèi)的幾百個點的深度， 相比單波束而 言， 具有 測深 范圍 更加廣、 更加 穩(wěn)定、 更加自動化 、 數(shù)據(jù)處理更快 等優(yōu)點。 圖 21 單波束測深與多波束測深 海面 海底 單波束測深 多波束測深 淮海工學(xué)院二 〇 一三屆本科畢業(yè) 設(shè)計（論文） 第 3 頁 共 31 頁 水深測量原理 在海洋水深測量中，我們通常采用回聲測深儀進(jìn)行水深測量，回聲測深儀是由 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接收，從而算出船到水底的深度。 圖 22 回聲測深原理圖 如圖 22 所示，換能器安裝在測量船底 下， 豎直 地向海底發(fā)射一個脈沖信號，到達(dá)海底后反射回來， 接收機(jī) 裝置 接收 反射回來的信號 。假設(shè)脈沖信號從發(fā)射到接收總共經(jīng)歷的時間為 T，脈沖信號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，我們要將實測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于深度基準(zhǔn)面的海圖高 Z 的 計算公式： Z=21 CT+Dd (22) 誤差 分析 波浪引起的水深測量誤差 測深船 在海上進(jìn)行作業(yè)時， 有很大的概率會遇到波浪，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對我們的測深作業(yè)產(chǎn)生一定的影響。我們就得對船體各種姿態(tài)的變化進(jìn)行分析，以便于減弱波浪對海洋測深的影響。 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，但是由于波浪對船體 姿態(tài)造成的影響，發(fā)射出去的脈沖信號就不會真正的垂直于海底， 而是發(fā)射到了測深點的左右兩邊或者前后兩處，會發(fā)生一定的偏差，這就導(dǎo)致我們測深結(jié)果有一定的誤差。 船底換能器 海底 脈沖信號 淮海工學(xué)院二 〇 一三屆本科畢業(yè) 設(shè)計（論文） 第 4 頁 共 31 頁 如圖 23 所示，當(dāng)波浪使得船體發(fā)生橫向的搖擺時，擺動角度為 ? ，則實際的測深為 PA1，而理論上的深度應(yīng)該為 PA，因此，波浪對船體造成的橫搖會對測深結(jié)果有一定影響。 圖 23 船體橫搖產(chǎn)生的測深誤差 同理， 如圖 24 所示，波浪對船體造成縱搖時，產(chǎn)生偏角度 ? ，使得理論的水深 PB 與實測水深 PB1 有一定誤差。 圖 24 船體縱搖產(chǎn)生的測深誤差 船速引起的水深測量誤差 在海洋水深測量中，船速是一個很重要的因素。如果船速過慢，那么我們水深測量的效率就會變低，然而，如果船速過快，那么我們水深測量的結(jié)果精度就不夠高。 因此，測深作業(yè)時，要選擇合理的 開 船速度。 水位 觀測引起的 誤差 由瞬時海面實測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 于測深線的海底 ? P A A1 換能器底部 Y 平行于測深線的海底 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（論文） 第 5 頁 共 31 頁 觀測，也就是我們所說的驗潮。 常規(guī) 人工驗潮很難捕捉到準(zhǔn)確的瞬時的潮高， 潮位觀測 時人為因素等 會造成水位改正誤差。對最終水深數(shù)據(jù)造成一定的影響。 因此，可以看出常規(guī)驗潮水深測量精度還是不夠穩(wěn)定的。 3 GPS 無驗潮測深技術(shù) GPS 在海洋測繪中的應(yīng)用 GPS 應(yīng)用于海洋測繪 一切與海洋有關(guān)的活動，比如說海洋工程的建設(shè)，海洋環(huán)境的研究等都離不開海洋測繪單位提供的各種數(shù)據(jù)以及圖文。所以，我們進(jìn)行的海洋測繪工作是相當(dāng)基礎(chǔ)而又甚是重要的。 海洋測繪經(jīng)過了近十年的不斷發(fā)展，海洋測繪采用了各種高新技術(shù)，比如GPS，遙感等，使得我國海洋測繪水平有了很大的 提高。 由于 GPS 有很良好的技術(shù)特性，測量精度高，測量速度快，將其應(yīng)用到海洋測量，能夠很大程度上提高海道測繪的效率。 全球定位系統(tǒng) 簡稱 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，它能夠隨時隨地的向全國擁有 GPS接收機(jī)的用戶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 用戶設(shè)備部分 。 衛(wèi)星發(fā)射信號跟 GPS 接收機(jī)接收到這個信號之間有一段時間差， GPS 接收機(jī)通過計算這算時間差，求得衛(wèi)星跟 GPS 接 收機(jī)之間的距離，利用衛(wèi)星瞬時的位置確定出地面點的位置， 這一特點能廣泛應(yīng)用于海洋測繪 ， 比如用于海洋大地測量，海洋資源開發(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。 已經(jīng)取代了很多傳統(tǒng)的 測繪儀器 。 1980 年以后， GPS 定位技術(shù)不僅僅在陸地測量中使用的比較多，也逐漸的應(yīng)用到海洋測繪中， 圖 31 GPS定位系統(tǒng)組成部分 空間 GPS 衛(wèi)星 GPS 用戶設(shè)備部分 監(jiān)測站 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（論文） 第 6 頁 共 31 頁 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，沿海地區(qū)信標(biāo)機(jī)的設(shè)立為海洋測繪提供了基礎(chǔ)，它為海上船舶的運輸安全，以及一些海洋建設(shè)工程，海洋水深測量提供了技術(shù)上的支持 。 每一臺信標(biāo)機(jī)都在不斷的發(fā)送差分?jǐn)?shù)據(jù)，這樣，用戶一旦擁有了 GPS 跟信標(biāo)二合一接收機(jī) ， 就可以得到相對精度的定位結(jié)果。 CORS： 基準(zhǔn)站通過網(wǎng)絡(luò)模式發(fā)送差分?jǐn)?shù)據(jù)，用戶接收差分?jǐn)?shù)據(jù)的同時，也接收 GPS 衛(wèi)星信號，就能進(jìn)行實時的定位。 CORS 網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍大，因此，用戶可以在大范圍內(nèi)進(jìn)行作業(yè)。 RTK： RTK 也分網(wǎng)絡(luò)模式跟電臺模式，網(wǎng)絡(luò)模式由服務(wù)商幫用戶登錄服務(wù)器，直接架設(shè)基準(zhǔn)站，通過 網(wǎng)絡(luò)將差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給移動站，用戶直接 獲取 精度較高的 三維坐標(biāo) ；電臺模式需要在基準(zhǔn)站架一個電臺，發(fā)送差分?jǐn)?shù)據(jù)，繼而移動站經(jīng)過系統(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)字測深儀結(jié)合的無驗潮測深技術(shù)。 圖 32 GPS 用于無驗潮測深 GPS 應(yīng)用在海洋測繪中的優(yōu)勢 全球全天候 實時 定位 ： 由于 GPS 的 24 顆衛(wèi)星 分布 相對 均勻， 這就使得無論用戶在哪個地方， 接收機(jī)都能至少接收 到 4 顆衛(wèi)星 的信號 ，且海洋上視野開闊，能 觀測到更多的衛(wèi)星，能更快的給出定位結(jié)果。 定位精度高 ： 假設(shè)在離長期驗潮站不遠(yuǎn)的地方測深作業(yè)，采用 RTK 模式，測深精度可達(dá) 1~2 厘米，足以滿足 海洋 測深 的 精度要求。 觀測時間短 ： 移動站作業(yè)時在具有一定條件時，可以設(shè)置成兩秒測一次，大大減少了工作的時間。 海洋視野開闊 ： GPS 作業(yè)時要求周圍視野相對開闊 ， 這樣就很快的能夠進(jìn)入換能器 GPS 天線 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（論文） 第 7 頁 共 31 頁 固定解。恰好海洋上視野相當(dāng)開闊，為 GPS 的無驗潮測深作業(yè)提供了一個良好的作業(yè)環(huán)境。 操作方便 ： 現(xiàn)在 GPS 產(chǎn)品 變得越來越自動化 ， 測深工作者 只需稍加學(xué)習(xí)便可熟練 掌握 。 基準(zhǔn)統(tǒng)一 ： GPS 測量 可獲取測 點平面坐標(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，因此全球不同地點的測量成果是相互關(guān)聯(lián)的。 GPS 無驗潮測深 原理及常用方法 目前， 傳統(tǒng)海洋水深測量中，我們都是通過人工驗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量精度最重要的因素，因此，傳統(tǒng) 人工 驗潮測深方法 誤差可能相對較大 。 近年來，隨著人們對 GPS 技術(shù) 的不斷研究跟發(fā)展， GPS 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋測繪中各個領(lǐng)域，尤其是近年實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)（ RTK）的發(fā)展，為我們的海洋水深測量提供了一個更有效的途徑。 RTK 技術(shù)能夠精確的測定觀測站的三維坐標(biāo)，精度可達(dá)厘米級，已經(jīng)滿足了海洋水深測量的精度要求。 除此之外，還可以用覆蓋范圍較廣的 CORS 系統(tǒng)來進(jìn)行無驗潮水深測量，近年來，我國沿岸也設(shè)立了不少信標(biāo)機(jī)，作業(yè)時，通過接收差分改正信號也可實現(xiàn)無驗潮水深測量。 因此，由 GPS 定位系統(tǒng)跟數(shù)字測深儀相結(jié)合的無驗潮測深技術(shù)已經(jīng)在海洋水深測量中獲得廣泛的應(yīng)用。 GPSRTK 無驗潮測深原理 如圖 33， 用戶首先 將一臺 GPS 接收機(jī) 安置在 沿岸 長期驗潮站 控制點上， 假如用電臺模式的話，還需在基準(zhǔn)站架設(shè)電臺用于傳播差分?jǐn)?shù)據(jù)，對已知控制點進(jìn)行 觀測，并且與其已知數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，將誤差數(shù)據(jù)通過電臺發(fā)送給在海洋上測深的移動站 GPS 接收機(jī)，測深的 GPS 接收機(jī)通過內(nèi)部數(shù)據(jù)處理分析，能夠得出一個相對精度的三維坐標(biāo)，其中就有包含有高程，再通過數(shù)學(xué)關(guān)系求出實測的大地高轉(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，用戶測深人員首先需要請服務(wù)商幫他們的兩臺 GPS 接收機(jī)都登上網(wǎng)絡(luò)，那么用戶只需在沿岸長期站控制點上假設(shè)接收機(jī)而不需要架設(shè)電臺，差分?jǐn)?shù)據(jù)都是通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給海洋上的測深船上的 GPS 接收機(jī)。 岸上基準(zhǔn)站連續(xù)地觀測 GPS 衛(wèi)星 ，流動站的GPS 接收機(jī)安置在數(shù) 字測深儀 換能器 的上端，要求在同一垂線上?；鶞?zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將觀測到的相位觀測值、已知數(shù)據(jù)等實時地傳輸給流動站，測深儀上面的流動站在接收基準(zhǔn)站傳輸過來數(shù)據(jù)的同時，自己也不斷的觀測 GPS 信號，在系統(tǒng)內(nèi) 通過處理差分值以及觀測數(shù)據(jù) ，最終解算出測深點 的三維坐標(biāo) 。 當(dāng) 岸上 基準(zhǔn)站與 海上 流動站距離小于 20 公里時，將岸邊 的高程異常與 海洋上 測深點的高程 視為 一致。即： 淮海工學(xué)院二 〇 一三屆本科畢業(yè) 設(shè)計（論文） 第 8 頁 共 31 頁 hhhh 4321 ??? (31) 圖 33 RTK 無驗潮測深 示意圖 我們在長期驗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)測深點與長期驗潮站在 20 公里范圍之內(nèi)時，我們無驗潮測深就采用該基準(zhǔn)面。那么，測深點的圖載水深計算就可以用圖 34 的位置關(guān)系求出。 圖 34 無驗潮 計算水深 圖中， H 為 GPS 接收機(jī)測出的大地高； d 為測深儀實測出的換能器到海底的距離； ha 為測深儀換能器到 GPS 接收機(jī)天線的垂直距離； 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 測深點 h1 h2 h3 h4 海底 WGS84 橢球面 瞬時海面 換能器 GPS天線 測區(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（論文） 第 9 頁 共 31 頁 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)，也就是說不需要進(jìn)行人工驗潮來確定圖載水深，也即我們所說的無驗潮測深。這種測深方法消除了傳統(tǒng)測深中人工驗潮所帶來的誤差，是一種理想的海洋測深方法。 CORS 用于 無驗潮測深 考慮到 RTK 差分信號改正受到距離的限制，假 設(shè)海面測深區(qū)域與長期驗潮站的距離大于 30 公里時， RTK 可能不能正常工作，對測深結(jié)果造成一定影響。隨著近年來 我國越來越多 CORS 站建立 ， 為海洋測深提供了技術(shù)支持， 海洋測繪中利用 CORS 進(jìn)行無驗潮測深能夠擴(kuò)大作業(yè)范圍， 這種作業(yè)模式解除了 RTK無驗潮測深受到距離限制的困擾 ，對無驗潮測深作業(yè)工作效率的提高有很大幫助。 我們求出附近長期驗潮站的高程異常以及深度基準(zhǔn)面大地高，通過內(nèi)插法能夠求出測深點的高程異常，有了高程異常值以及深度基準(zhǔn)面的大地高，通過計算機(jī)技術(shù)，不難確定出實時圖載水深。 信標(biāo)差分用于無驗潮測深 國家已 經(jīng)在我國沿海區(qū)域設(shè)立了多個信標(biāo)臺站，這樣我們就可以考慮用信標(biāo)差分技術(shù)進(jìn)行無驗潮測深。將一臺 GPS 接收機(jī)架