杜志彪 ，石晓春

（1. 广州港工程管理有限公司，广东 广州 510730；2. 广东省国土资源测绘院，广东 广州 510500）

目前，差分GPS已广泛应用于海洋测量，一方面定位系统的精度已得到大幅度提高；另一方面海洋开发事业的发展对定位和测深成果的质量提出了更多和更高的要求[1]。在实际测量过程中，由于GPS定位与测深系统分属两个独立系统，如果定位和测深系统不同步，将使测深值产生位移，整个海区海底形状会产生变形，这种影响称为时延效应。现在高新技术手段的应用（差分GPS定位系统及智能测深仪），自动化程度得到了极大提高，时延效应呈现为系统性[2]。针对这种系统性时延效应，多位专家学者根据实践经验，已提出相应的探测与修正方法——特征点对法、基于断面一致性原则确定延时[3]、同一目标探测法、同一测线探测法[4]、特征点匹配法、断面平移法[5]、波形分析法[6]、测量等深线的偏移[7]、基于相关系数迭代法[8]等方法。本文结合可操作性及工程实际，基于同一测线往返测量，采用断面平移法对系统性时延效应进行分析，并对系统性延时效应进行探测和改正，得出一些有益的结论，为类似工程应用提供参考。

1 系统性时延效应分析

在实际测量中，由于测深和定位设备的数据采集率以及传输通道出现“瓶颈”现象，使得计算机记录数据不同步，出现数据记录与采集时刻错位。由于这样的时延依赖测量设备信号和计算机数据处理，时延效应表现得非常明显[3]。

对于测量过程中时延情况，行业作业规范中对此也作了相关要求：测量前测量船应与水位站和定位站校对时间，采用内外业一体化水深测量系统时，应进行导航时延改正[9,10]。本文从定位和测深产生的时延效应出发，来探求系统性时延对测深的影响，如图1所示。

当测量船沿着计划线同向施测时，系统性时延将使采集的每个水深值同向移位Δ（图1a所示），整个海底形状会产生漂移，当测量船沿计划测线往返交替施测时(图1b所示)，系统性时延将使往测方向测深值同向偏移Δ，反测方向测深值反向偏移Δ，整个海底形状产生条带状交叉错位。移位Δ的大小与船速成正比，按平时常用的测量船速6.5节，即3.3 m/s，当时延为0.5 s时，位移量Δ=1.65 m，往返向位移量会达到2Δ=3.3 m，在高精度、大比例水下地形测量工程中，时延效应不容忽视。

图1 系统性时延效应示意图

2 系统性时延改正方法

由于测深工作是在动态环境下进行的，船体姿态对测量水深的结果影响较大，加上沿海水下地形通常比较平坦，凭水深测量数据难以捕获同一水深特征点的位置。为有效反映水下地形测量中系统时延问题，本文基于同一测线往返测量，采用断面平移法[5]，对系统性时延效应进行探测和改正。

目前，在基于差分GPS和测深仪的水下地形测量中，二者均可以以较高的采样率实施定位和测深数据采集。这样，实测数据可以全面反映水下地形断面情况，在船速保持近似匀速的情况下，往返断面的细节可以被清晰地捕捉。因此，往返实测断面均可以构成一条连续的曲线。由于地形在短时间内不变，通过比较往返断面的相似性，对往返断面进行平移，在两条往返断面最大相似情况下获取匹配效果下的位移量。两个断面的相似系数可以用（1）式表示：

式中，存在两个高程序列A和D，当两个序列完全一样时，相关系数R为1；当两个断面不存在相似性时，相关系数R为0，（式中，D为断面距离取值范围，d为断面平移量）。

平移时，以一个断面为参考基准。每移动一个距离，会得到一个相关系数，连续移动时，会得到一组相关系数和平移量。在移动距离尽可能小的情况下，当相关系数达到最大时，说明两个断面相似性达到最大，而此时的移动量dR-max可以认为是因为时延引起的断面滞后量。若往返断面测量过程中，船速平均为和，则系统时延为：

断面平移方法需要高采样率的数据密度，这样才能实现断面匹配的最大相关性，才能对时延量的确定达到最准。现代海洋测绘中，高度自动化、高采样率的数据获取变得容易实现，参与时延计算的数据量足够大，因此该方法相对传统方法具有明显优势。

3 实例验证

为验证该方法的有效性，以珠江内河水域实测数据为例具体分析。实验设备主要为：HY 1600单频测深仪，换能器工作频率为208 kHz，分辨率0.01 m，测量精度为±（0.01 m＋0.1%D，D为所测深度）。天宝SPS351定位设备，频率范围为 283.5～325 kHz，定位精度小于1 m。测图比例为1∶500，水深范围为0～15 m，每条测线长约400 m，每条测线均进行了往返测量，船速匀速近似为6.5节（即3.3 m/s）。

内业数据处理采用中海达成图软件进行数据编辑，进行声速、吃水、姿态改正后，形成每条断面的高密度测深值。图2为一条初始往反测断面图，从中可以明显看出由于时延问题所产生的断面错位影响。

通过断面平移法对断面线进行修正，修正后的往返测断面图如图3所示。从改正后的效果图明显看出，通过时延改正后的断面，断面的相似、一致性得到明显改善，说明时延改正有效消除了系统性时延对测深定位产生的影响，从而确保了成果质量，提高了测量精度。

图2 初始往返测断面图

图3 断面平移法修正延迟后往返测断面图

为获取较高准确度的时延量，通过计算4条断面线的时延量（不同测线对应的时间延迟如表1所示），并求取均值作为最终结果，取平均值0.27 s作为整个时延改正延迟的依据，按平均船速约6.5节计算，时延引起的测深值位移偏差为0.89 m。由此可以看出，时延效应改正是十分必要的。

表1 不同测线对应的时间延迟

4 结 语

差分GPS技术在水下地形测量中，时延效应是引起测深偏差的一个重要因素，尤其是在船速大、坡度大的情况下，引起的测深偏差更大，在进行高精度的测量过程中必须进行必要的时延探测及改正。系统时延效应的探测，必须要有高精度、高密度的水深和定位值，并尽可能获取多余观测量，以提高时延确定的精度和可靠性。