【正文】 主要研究成果如下：系統(tǒng)研究了水下地形測量中的坐標轉換、坐標傳遞、導航計算、數(shù)據(jù)處理等方面的理論和算法；證明了由空間直角坐標轉換為大地坐標的迭代公式(223)是一定會收斂的；闡述了七參數(shù)的兩種模型：布爾莎模型和DSNP+模型；研究了七參數(shù)求解時的法方程病態(tài)問題，并提供了解決方案；研究了七參數(shù)求解時的最小二乘約束問題。經過大量的室內測試及多次的實地測試，可以證明本文所實現(xiàn)的水下地形測量軟件是穩(wěn)定、可靠的，完全可以應用于實際水下地形測量作業(yè)。它記錄了測深儀換能器的運行軌跡，共有左右兩條。事實上，如果室內測試工作做得好，實地聯(lián)機測試會相當?shù)捻樌?，會極大地縮短測試周期、降低測試成本。還有就是實際作業(yè)時的情況非常復雜，有許多意想不到的因素[40]，如：測量船上的各種連接線比較多，有可能把接口弄錯了；測量船上的發(fā)動機對GPS差分數(shù)據(jù)鏈有干擾，導致無法差分定位；因此，必須在測量船上實際聯(lián)機測試，確保軟件能夠長時間、正確、穩(wěn)定地運行。同時，它考慮的情況非常全面，如：可以考慮到測量船在西半球……，所以，經過這輪測試，軟件在正確性、穩(wěn)定性上都得到了保證。另外，軟件使用了多線程讀取串口數(shù)據(jù)，因此，需要長時間運行測試，保證軟件的穩(wěn)定性，及實時處理數(shù)據(jù)的高效性。目的就是要檢測軟件能否正確完成GPS定位、GPS坐標傳遞、更新各個子窗口的顯示，以及正確無誤的記錄實時處理的數(shù)據(jù)及原始的串口數(shù)據(jù)；使用串口通訊程序給軟件發(fā)送串口模擬數(shù)據(jù)。首先需要在室內進行模擬測試，就是給軟件發(fā)送模擬的串口數(shù)據(jù)。實際應用軟件前必須對軟件進行大量、嚴格的測試。用戶可以使用鼠標拖動來調整、刪除采樣時刻；程序內插計算并輸出每個采樣時刻對應的數(shù)據(jù)。如果需要人工剔除水深粗差或獲取驗潮高程，則必須對數(shù)據(jù)進行后處理，其步驟為：輸入驗潮站的水面高程觀測記錄，即輸入n組數(shù)據(jù)(ti,Hi)表示ti時刻的水面高程為Hi；編輯原始記錄文件，將水深粗差人工剔除掉，；確定采樣時刻，如：想輸出07年05月17日15時33分22秒換能器對應的水底地形點坐標，則可以增加采樣時刻070517 15:33:22。移動船體該窗口以圖形方式通知作業(yè)人員應該如何調整船姿。警告作業(yè)人員應根據(jù)程序的警告進行錯誤排除，確保硬件沒有問題。主要的子窗口顯示如下：GPS接收機該窗口顯示了GPS接收機的相關信息，如：坐標、解狀態(tài)、衛(wèi)星分布圖等。接著計算出水底地形點的施工坐標及無驗潮高程，并輸出到實時記錄文件。數(shù)據(jù)處理是定時進行的，如：1秒進行一次。數(shù)據(jù)讀取在單獨的線程里，一旦獲得串口數(shù)據(jù)立即進行解析，將解析后的數(shù)據(jù)保存到原始記錄文件中以便后處理。這樣，每次的重繪內容就非常少了，將極大的提高重繪效率。這么做增大了軟件的內存開銷，但是優(yōu)點也是很多的：首先是防止了屏幕閃動，給用戶的感覺比較好；其次是提高了繪制效率。HydroSurv中使用了最簡單、效率最高的最鄰近插值。BMP旋轉位圖的顯示屬于圖像變換，軟件采用了逆向映射的方法，即：將屏幕上的一個個像素點映射到BMP位圖，然后通過圖像重采樣計算出該像素點的顏色值，最后將其顯示到屏幕上。圖形顯示對用戶而言非常重要。平行布線垂直布線扇形布線區(qū)域布線點、折線段的增加參考了AutoCAD，可以使用鼠標增加，也可以通過命令窗口增加：此外，軟件還具有撤銷、重復功能，極大的方便了用戶的設計工作。所謂計劃線就是事先設計好，測圖時讓測量船行走的直線段，以保證測得的水底地形點在測區(qū)內分布均勻、合理。、設備水下地形測量之前，需要進行設計工作。還需要添加設備，可以添加1~2臺GPS接收機，多臺測深儀。外部模塊就是有特定接口函數(shù)的動態(tài)鏈接庫文件，可以按實際工程的需要靈活定制。軟件里，所有的參數(shù)都在一個界面內輸入：實際工程中，將WGS84大地經緯度轉換為施工坐標的方法是多種多樣的，有些轉換方法是無法用上面的標準設置完成的。軟件的功能主要有六個（），后繼章節(jié)將逐個介紹軟件的設置功能主要有五個（），比較重要的有兩個：坐標系統(tǒng)和船形、設備。作者開發(fā)的水下地形測量軟件HydroSurv，使用的是VC++、在Windows2000/XP下完成編碼。MFC不僅僅包裝了很多有用的類，如：字符串類CString、數(shù)組類CArray……極大的簡化了編程，更重要的是它提供了一個框架，將一些重要的工作都包辦了，如：消息映射、傳遞等?？傊?，在Windows平臺下開發(fā)水下地形測量軟件，VC++是個理的選擇。很多操作系統(tǒng)都支持C/C++語言，并有相應的編譯器。目前主流的微機操作系統(tǒng)是Windows，其開發(fā)工具現(xiàn)在非常多：、VC++、VC……從效率的角度考慮應該使用C/C++語言，因為軟件需要開辟多線程用于串口通訊，實時計算、更新圖形顯示……，[37]，唯獨VC++能夠生成本機代碼，其效率是非常高的。 第6章軟件實現(xiàn)開發(fā)這套軟件的主要目的是協(xié)助作業(yè)人員完成水下地形的測量，具體的就是獲得水底地形點的施工坐標和海拔高程。計算任一時刻t、任一位置(x,y)水面高程的步驟如下：（1）根據(jù)水文站觀測資料內插計算出時刻t各個水文站的水面高程Hi（2）根據(jù)各個水文站的坐標(xi,yi)及水面高程Hi計算出(x,y)的水面高程H。驗潮高程有靜態(tài)驗潮模型和動態(tài)驗潮模型[36]，常用的是靜態(tài)驗潮模型。無驗潮高程計算很簡單，而且可以實時獲得，但是由于大地水準面的復雜性導致有時推算出來的正常高精度很差，特別在山區(qū)，這種情況尤其明顯。文獻[1][34][35]提出了更多的方法，進一步的研究中值得借鑒。奇異點的剔除一般是在數(shù)據(jù)后處理時人工進行的。采用上述方法能剔除大部分的粗差，但仍可能存在奇異點，其原因可能是：（1）有時粗差的個數(shù)多于正常數(shù)據(jù)，導致程序誤判，將正常觀測值剔除，保留了粗差數(shù)據(jù)；（2）水下地形、情況比較復雜，該數(shù)據(jù)可能為水下某孤立點的真實測深數(shù)據(jù)。假定軟件1秒處理一次測深數(shù)據(jù)，則剔除粗差的步驟如下[32][33]：（1）對于不合理的數(shù)值直接剔除，如：水深值為零、測深儀標明該數(shù)據(jù)不可靠……（2）軟件兩次處理之間積累了n個測深數(shù)據(jù)，求出這些測深數(shù)據(jù)的最大值hmax、最小值hmin、平均值havg；（3）若hmax－h(huán)min6m0（m0為測深儀的標稱精度），說明測深數(shù)據(jù)無粗差，深度值取為平均值havg，完成測深數(shù)據(jù)的處理；（4）若hmax－h(huán)min6m0且n=2，說明無有效的深度值，終止測深數(shù)據(jù)的處理；（5）若hmax－h(huán)avghavg－h(huán)min則剔除最大的測深數(shù)據(jù)，反之則剔除最小的測深數(shù)據(jù)。但測深數(shù)據(jù)并不穩(wěn)定，粗差出現(xiàn)的概率較大。數(shù)據(jù)處理中，測深數(shù)據(jù)需要特別的注意。測量時把測量數(shù)據(jù)全部都保存到磁盤，后處理時提取這些數(shù)據(jù)，然后內插計算出采樣時刻的GPS天線坐標、水深。更為復雜的計算方法是時間序列的預報[31]。以測深為例，、tt2……時刻的水深，t是觀察時刻（即計算時的時刻），此時的水深是多少？如果船速較慢，水深變化不大，可以取t時刻的水深為t0時刻的水深，該方法最簡單，被稱為“臨近值法”，如文獻[29]中論述的量測數(shù)據(jù)實時采集。在測量船上需要時刻了解一些信息，如：水深是多少？船在什么位置？所以必須對測量數(shù)據(jù)（GPS數(shù)據(jù)、測深數(shù)據(jù)）進行實時處理。nEnd)。//獲取時鐘計數(shù)Sleep(100)。//獲取時鐘周期QueryPerformanceCounter(amp。QueryPerformanceFrequency(amp。前者獲取計算機一秒內的時鐘計數(shù)，后者獲取計算機的時鐘計數(shù)。在Win32系統(tǒng)下，可以使用API函數(shù)GetLocalTime來獲取系統(tǒng)時刻，這個時刻精確到了毫秒。其實現(xiàn)代碼比較繁瑣，具體請參考附錄B時間類CDateTime代碼。根據(jù)m_dt獲得公元紀年的步驟就是不斷劃分：首先以400年的間隔劃分，判斷m_dt在哪個400年內，然后在400年內繼續(xù)以一個世紀的間隔劃分，判斷m_dt在哪個世紀，然后再以4年、1年劃分。（2）如果Year為閏年，則第（1）步計算的nDate里已經考慮了該閏年多出的一天，所以如果Month≤2則nDate應該減去一天。這樣的運算符，VC中只要a、b均為整數(shù)，則a/b就是整除運算。CDateTime的基準時刻可以任意取，這里取閏世紀的第1年（年號為400n99）元旦零點為基準時刻，如：n=5時，取1901年1月1日0時分0秒為基準時刻。所以四個世紀里共有25+324=97個閏年，共有40365+97=146097天，平均每年為146097/400=。21世紀是四個世紀中的第1個世紀，每4年一個閏年，但是最后那一年（2100）不算閏年，共24個閏年。（2）四個世紀為一個循環(huán)周期，以20~23世紀為例。即便取m_Unit為109，m_dt的單位為納秒，這個時間類也能表示前后290年的時間。m_dt表示基準時刻至其表示時刻的時間，這個時間的單位為1/m_Unit秒。long m_Unit。m_dt為負的時候有些復雜，如：，即為1899年12月29日4時48分0秒。m_dt的數(shù)值為基準時刻（1899年12月30日0時0分0秒）至表示時刻的天數(shù)。微軟的MFC類庫中有時間類COleDateTime。唯一能夠緩解的方法就是在水下地形測量的時候船速要盡量緩慢些。因為GPS接收機的定位數(shù)據(jù)經過解算并通過串口傳給軟件是需要時間的，測深數(shù)據(jù)也一樣。處理數(shù)據(jù)時，以計算機時間為基準。要將兩者的數(shù)據(jù)組合起來，需要一個共同的時間系統(tǒng)——計算機時間。Win32操作系統(tǒng)下，可以使用臨界區(qū)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步[25][26][27]。在Win32操作系統(tǒng)下，自主式主要通過定時器消息（WM_TIMER）和多線程技術實現(xiàn)，其關鍵點有兩條：（1）開辟一個單獨的線程專門接收、解析數(shù)據(jù)，并將結果（位置、速率、方向等）保存到相應的變量中；（2）響應定時器消息的函數(shù)中讀取位置、速率、方向等信息，然后再做相應處理。軟件接收、解析NMEA數(shù)據(jù)后將其保存到內存中，而處理過程是按一定時間間隔執(zhí)行的。還有一個比較嚴重的問題就是程序的穩(wěn)定性會減弱：如果串口數(shù)據(jù)傳入程序太快，而且處理過程耗時較大，則整個程序會響應很慢甚至導致死機。處理過程因定位數(shù)據(jù)的收到而被執(zhí)行，因此稱其為“觸發(fā)式”。軟件中接收、解析NMEA數(shù)據(jù)后有兩種處理方案：觸發(fā)式該模式下，測量船上只有1臺GPS接收機和1臺測深儀，而且GPS接收機與測深儀的平面坐標是重合的。采用上述方法處理串口數(shù)據(jù)稍顯復雜，但是對程序的穩(wěn)定性而言是大有益處的。如果串口數(shù)據(jù)太多，無法加入緩沖區(qū)，則應該從緩沖區(qū)頭部清除適當?shù)臄?shù)據(jù)，然后再加入新的串口數(shù)據(jù)；接收到串口數(shù)據(jù)后，馬上進行對緩沖區(qū)內的數(shù)據(jù)進行解析。原因在于：某些情況下會接收到二進制的串口數(shù)據(jù)，如：串口波特率設置錯誤。所以，請盡量提高串口波特率，還有盡量減少GPS接收機的數(shù)據(jù)輸出。每行數(shù)據(jù)以$開始，以回車(0DH)和換行(0AH)結束。為了保證通用性，建議軟件中直接處理NMEA0183數(shù)據(jù)。航行到C點后需要實時計算、顯示導航信息。它不一定等于垂直距離的絕對值，而應該按下式計算：，被稱為航線。QP也被稱為橫向偏差。將C、D轉換到施工坐標系下，則：，P是任意一點，PQ垂直于有向線段，Q為垂足。V是在WGS84站心坐標系下的航向，而上面討論的航向αV是在施工坐標系下的。第4章導航導航就是指揮測量船到預定的位置——導航目標，如：水下地形測量前必須引導測量船到預定的測深區(qū)域。使用公式描述就是：矩陣R的具體內容如下：注意：不同的姿態(tài)儀其天線坐標系的定義可能不同，歐拉姿態(tài)角的定義也可能不同，所有這些都導致上面的R矩陣不可能適用于任何姿態(tài)儀。這三個姿態(tài)角描述了天線坐標系與站心坐標系（在WGS84橢球下，原點位于主天線相位中心）之間的旋轉關系。XYZ坐標系繞Z軸右轉L0，再繞Y軸左轉B0就與ENU坐標系平行了。船體坐標轉換為天線坐標的公式天線坐標轉換為船體坐標的公式，ENU就是站心坐標系，它的原點位于一個固定點P0，U軸就是P0點處的橢球面法線，由橢球內指向橢球外，N軸垂直于U軸，指向北方向，E軸垂直于U軸和N軸，ENU形成右手系。第三個軸zv與xv、yv軸構成三維的右手坐標系。yv軸一般與航行方向一致。天線坐標系的定義為：原點在主天線的相位中心。不同的姿態(tài)儀其天線坐標系也不盡相同，文獻[23]說明了SeptentrioPolaRx2/2e姿態(tài)儀天線坐標系的定義PolaRx2/2e姿態(tài)儀有三個天線。具體的計算如下：天線坐標系是通過姿態(tài)儀天線定義的坐標系，文獻[22]稱其為載體坐標系。在施工坐標系下其x、 y、 z分量分別如下：將上面兩式代入(314)和(315)，化簡得：P在施工坐標系的xy平面投影形成Pxy，則根據(jù)上式可知Pxy的方位角為α+ε。本文采用直接法進行坐標傳遞。規(guī)定：U、V軸箭頭抬高時傾斜角為正，即船頭高于船尾時αu0，船右高于船左時αv0。天線2的實時施工坐標為x1，y1，h1和x2，y2，h2。至于高程只需加上一個常數(shù)即可。W軸的零點：水平面與靜止船體的相交平面就是W=0。第3章GPS坐標傳遞GPS測得的坐標僅僅是天線相位中心的位置，要將這個坐標傳遞給船體的任一點（如：測深儀換能器）就必須建立船體坐標系。實際工程中，GPS坐標轉換的步驟和方法多種多樣，如：參考文獻[20]提到的EE2橢球。一般將WGS84大地坐標轉換為施工坐標的過程如下：將WGS84大地坐標轉換為空間直角坐標；使用七參數(shù)將第1步的空間直角坐標轉換到用戶橢球（如：克拉索夫斯基橢球）；將第2