付明亮

摘要：以往进行的水下地形测量使用人工操作，存在诸多困难。本文拟以无人船在水下地形测量中的应用为研究主题，基于使用GPS技术的无人船开展水下测量试验。本文首先对当前的无人船测量系统进行概述，并介绍其工作原理。之后依靠试验数据，对无人船水下测量情况进行分析。从结果来看，无人船在水下测量工作中，具有着极好的前景，可以有效避免测量时的安全威胁，提升测量的效率和准确度。

关键词：无人船；水下地形测量；试验

前言：根据调查区域的类型，水下测量一般分为海洋和内陆水域两种，就这两种类型而言，较陆地测量，其难度都是无法比拟的。具体来说，首先水下测量的对象具有不可见性，其次是测量时，水面很难保持平稳、船只很难保持位置固定一一易晃动移位，再者载人船有很多危险，浅滩、近岸无法到达或者不易到达。这些因素的存在，导致水下测量的误差和困难有时候会很大。就测量方法来说，水下测量通常是让船只停留水面，测量水下的地貌地形等情况，有时当水体不稳定时，还需要采取涉水测量的方法，但在测量时的风险及人员配置都是较大的，对人员安全和财产安全造成了一定威胁。

基于上述考虑，无人船进行的水下测量，可以有效解决测量中的危险问题，降低人工成本。并且，无人船搭载大量的高新技术和工具，在测量准度及工作效率上都得到了很大的提升。

2无人船水下测量系统的构成

2.1系统组成及其功能

就目前所见的无人船水下测量系统的构成来说，其大致分为以下几个部分：无人船平台，自动导航装置，声纳装置，GPS，外围传感器，岸基控制中心等。其工作的主要原理是通过声纳和GPS的双重测量，继而以确定水下地形地貌的坐标和高度。此外，该测量系统还具有以下特点：

（1）独立导航功能

在无人船中装备有智能芯片，通过芯片工作人员可实时获取无人船的GPS路线，并将之与预先设定的航线坐标对比，这样可以实时地进行航线的调整。

（2）智能避障功能

无人船的船头部分安装有摄像机和距离传感器，当无人船在航行中，工作人员可以实时监控无人船的航行情况，一旦遭遇障碍物时，传感器可做到迅速传递距离信息给智能芯片中，这时无人船会根据预设的安全距离数值，果断采取避让或停止的动作。这一过程的完成，很少有人为参与的加入，在很大程度上提升了无人船测量工作的效率和安全性。

（3）实时通讯功能

无人船系统还安装有数据传输设备和实时地图传设备，依托这两种设备无人船可进行与岸上操控中心数据的实时对接。测量数据支持的传输范围在10公里内，船上的相机和数据采集设备可以实时将数据传到工作站，同时工作站根据测量需求给无人船传达动作指令，继而实时调整船舶航行轨迹。

（4）具有平稳，持久的航行能力

无人测量船在硬件上也相应做出了一些改进和调整，具体来说，如将传统船只单体设计变为三体设计，做到船只重心的降低，这样能够显著改善其抗风浪的能力，使船在行驶中更加顺畅。此外，为了提升船的续航能力，在船上使用了高容量的锂聚合物电池，从而大大增加了电源容量，一次出行可连续工作5小时或以上，有效地提升了工作效率。

2.2无人船系统的测量原理

无人船系统装备有GPS、声纳这两种主要的测量仪器。在开展水下测量时，其工作原理如下：

首先船只发出声波，声波从水底传到船上时，声纳获取水下O1点的深度h1，此时船上的GPS设备开始测量船在水面O2点的平面坐标x、Y和高程值H（这时O1、O2、O2和O4在同一竖直轴线上）。在获得上面的数据后，水底O1点的高程数据H1可以通过式（1）计算获得，具体详见下图。

式（1）中的h2和h3是已知的参数。而O1和O4的平面坐标也是相同的，分别为为x和Y，通过上述的计算，我们可以获取水底O1点的三维坐标。

需要注意的是，船只在工作中很容易受到风浪的干扰，导致测量系统存在一定的误差值，该误差是由于船体在测量时的轻微摇动造成的。尽管测量船设备具有一定的误差纠正功能，但是应用的范围也仅限于较小的误差，如果风浪较大时，测量误差将无法避免，所以工作人员在测量前要密切关注测量水体的天气等情况。

3水下测量试验

3.1实验过程

本次无人船测量试验采用了云洲智能生产的ME70无人船，该无人船采用RF无线射频点对点双向通信，距离为5km，在充满电后可以持续工作约10小时，其测深精度为2cm±0.1%h（h代表水深），定位精度（RTK）为水平±8mm+lppmRMS、垂直±15mm+1ppm RMS，试验采样的地点为一处3500平方米的水库，水库附近的地形较为开阔。在进行试验的当天，水面较为平稳，没有风浪，所以对测量精度的干扰可以忽略不计。

在试验中，工作人员分别进行了手动遥控和自动航行两种方式的测量，无人船總共的测量时间约40分钟，总共的采集数据约1000个，我们从这些数据中随机抽取了30个进行比对研究，之后在水库排水后，进行了该30个数据的人工测量。具体的试验样本如下，其中G1为无人机测量高程，G2为人工测量高程，△G表示二者的差值：

通过比较这些数据发现，△G数值大于零的有14个，小于零的有16个，呈现出正态分布的特点。而G1和G2的平均差为0.018m，这个数据是很小的，基本可以忽略不计，这说明无人船测量的数据较人工测量来说其差值符合误差范围，表明无人船的测量是较为可靠的。

3.2注意问题

经过本次的试验，我们也发现无人船在测量中存在着一些问题：

（1）本次试验选取的水域面积不大，导致无人船的自动巡航效果受到了减缩，我们认为，无人船自动巡航功能的能力不只如此，如果在较大的水域机械能测量时，自动巡航能力将会得到更为充分地展现。

（2）无人船系统使用的声纳穿透能力不佳，一旦声波遇到水体中较大的悬浮物时，将会对声波传播造成阻碍，因此获取的数据也难以反应水底的真实情况。结语：总之，通过上文的考察、试验和分析，我们认为，无人船在水下地形测量工作中作用显著突出，其依托高科技设备和手段，能够实现自动化地水下地形地貌测量，且测量数据有效，工作时间短，安全稳定、高效，给当前的水体测量提供了很大的帮助。endprint