海洋水深測量的誤差分析及其改正

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1、海洋水深測量的誤差分析及其改正摘要近年來，海洋管道項目越來越多，單波束、多波束測深系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于水下地形測量中。本文基于海洋水深測量的特點，定性和定量的分析了波束角效應(yīng)、測深延遲效應(yīng)、波浪效應(yīng)、潮位模型選擇、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換等因素對水深數(shù)據(jù)的影響，最后提出了海洋水深測量中應(yīng)注意的問題及解決的方法。一、引言海洋管道測量的基本工作其實就是給設(shè)計部門提供準(zhǔn)確的水下地形圖。水下地形測量主要包括平面定位和測深兩大部分，其中測深是重要的內(nèi)容。目前市場上主流測深系統(tǒng)還是采用回聲測量原理，利用水聲換能器垂直向下發(fā)

2、射聲波并接受水底回波，根據(jù)回波時間和聲速來確定被測點的水深，然后根據(jù)各點對應(yīng)的水深值來準(zhǔn)確繪制出水下地形圖。在這里需要強調(diào)的是，由于測量儀器、測量環(huán)境等因素的影響，往往外業(yè)得到的水深數(shù)據(jù)必須經(jīng)過相關(guān)誤差改正后才能使用。二、現(xiàn)代海洋水深測量的特點除了與現(xiàn)代陸地測量具有的高精度、自動化、高效率等特點外，現(xiàn)在海洋水深測量還具有以下特點：(1)全天候、測量作業(yè)連續(xù)(2)誤差源復(fù)雜(3)測量環(huán)境多變(4)海底地形看不見，很難掌握其實際情況，測量性質(zhì)屬于水下聲波遙感(5)測量觀測值較多，集定標(biāo)、導(dǎo)航、測深及

3、潮汐觀測四種測量手段于一體，需要較強的數(shù)據(jù)采集、存儲、查詢、分析處理和管理能力。三、誤差分析及其改正現(xiàn)代海洋水深測量誤差主要來自四個方面（見表1）：(1)深度測量方面的誤差；(2)定位方面的誤差(3)潮位觀測及改正模型的誤差(4)測量環(huán)境效應(yīng)誤差，包括由船速效應(yīng)、波浪效應(yīng)、定位中心偏心效應(yīng)及測深延遲效應(yīng)引起的測量誤差。表1現(xiàn)代海洋水深測量主要誤差因子分析誤差種類主要誤差因子測深誤差測深儀測深（儀器標(biāo)稱值）；測深儀換能器動態(tài)吃水；海水聲速。定位誤差GPS接收天線多路徑效應(yīng)；差分方法（偽距/相位差分

4、）；電離層改正模型；單頻/雙頻機；衛(wèi)星幾何強度；定位點到GPS差分基準(zhǔn)站的距離；差分信號發(fā)送間隔；不同坐標(biāo)系間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。潮位改正誤差潮汐觀測值；潮位改正模型；理論深度基準(zhǔn)面。測量環(huán)境效應(yīng)誤差波浪效應(yīng)；定位中心偏心效應(yīng)；測深延遲效應(yīng)；船速效應(yīng)；波束角效應(yīng)。1.船速效應(yīng)船速效應(yīng)是由于船速過快及聲波傳播時間的影響引起測深儀在異地（T2）接受到前一時刻（T1）所發(fā)射的測深回波信號，見圖1。設(shè)測深儀波束角為θ，聲速為1500m/s，船速V，測深點水平位移為d＝ΔS/2，H2為測深儀觀測值（T2時刻），H1

5、為T1時刻所對應(yīng)的實際深度,從T1到T2時刻，聲波傳播路徑總長度近似為H1和H2之和。由于船速效應(yīng),深度點（聲波反射點）從P2位移到P3，原測量點（定位點）T1上所對應(yīng)的水深值變?yōu)镠2（T2處收到T1處發(fā)射的聲波束覆蓋區(qū)的邊緣信號，它遵循入射角等于反射角原理），在圖1的直角三角形P1P2P3中，H1=P1P2，S=2×P2P3，故可得到下列等式：圖1船速效應(yīng)原理（1）（2）（3）（4）（5）當(dāng)顧及測算儀波束角時，有等式：（6）當(dāng)船速為30kn，水深為75m，位置誤差可達0.77m，深度誤差僅為0

6、.01m。因此，當(dāng)船速小于30kn，水深小于75m的海區(qū),船速效應(yīng)誤差可忽略不計。在實際中如果需要考慮其影響,可采用公式(4)與(5)作為其誤差改正模型。理論上,由公式(5)與(6)可得最大船速(考慮單波束邊緣信號)：（7）當(dāng)波束角為12°時,由(7)式可算得最大船速為157.66m/s，即測量船以306kn的速度航行均可接收到測深信號。但是在實際上，由于船速加快，各種不利于測深的噪音將會增大，測深回波信號相對變?nèi)酰瑥亩绊懮疃葴y量。我們建議測量船速度應(yīng)盡量地加大到測深儀能正常工作為限，以利于提

7、高測量工作效率，但究竟能加到多快，視測量所處環(huán)境（例如，測深儀接收靈敏度、海底地質(zhì)、海水介質(zhì)理化特性、測量船本身噪聲等情況）而定。2.測深延遲效應(yīng)測深延遲效應(yīng)是測深時刻與定位時刻不同步所引起的測量誤差"定位與測深是否同步有兩個含義：一是指發(fā)送給接收機的定位標(biāo)記時刻與發(fā)送給測深儀的測深標(biāo)記時刻（這兩個時刻一般以世界標(biāo)準(zhǔn)時整秒時刻給出）是否同步；二是指測深儀本身發(fā)射聲波時刻滯后于世界標(biāo)準(zhǔn)時的整秒時刻所引起的測深點移位效應(yīng)。兩種情況的效應(yīng)結(jié)果類似，本文討論第二種情況。在圖2中，L1測線測量船向南航行，

8、在A1處測量系統(tǒng)發(fā)出測量信號，在整秒時刻及時定位，而測深儀的發(fā)射聲波信號卻滯后S，實際水深測量點在A2處，設(shè)航速為V，則測深延遲效應(yīng)所致的測量點水平方向（向南滯后）位移量為。若航速為10kn，延遲為0.1s，則：圖2測深延遲效應(yīng)原理及等深延遲效應(yīng)前（A圖）、后（B圖）等深線對比同樣，在測量船向北航行的相鄰測線L2中，測量信號在與L1的A1點相對應(yīng)的B1點發(fā)出，此時的滯后效應(yīng)產(chǎn)生向北偏移約1m，由于一南一北，相鄰測線測量點水平誤差效應(yīng)將達2m，其后果會造成水深等深線呈鋸齒狀走勢，圖2中A圖為實際等