[發明專利]多波束測深誤差改進模型設計方法

在審

• 申請號: 202110223610.8
• 申請日: 2021-03-01
• 公開（公告）號: CN113093159A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 金紹華;李凡;邊剛;章寧;肖付民
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍大連艦艇學院
• 主分類號: G01S7/52
• 分類號: G01S7/52;G01S15/42;G01S15/88;G06F17/16
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

1.多波束測深誤差改進模型設計方法，其特征在于，步驟如下：

第一步，計算測點歸位

首先，建立以接收換能器幾何中心為坐標系原點的船體坐標系O→(X,Y,Z)和當地水平坐標系LLS：O→(X_LL,Y_LL,Z)，在船體坐標系O→(X,Y,Z)中，O點為船重心，X軸船艏為正，Y軸左舷方向為正，Z軸垂直向上；令當地平面坐標系LLS的原點與船體坐標系一致，X_LL軸指向東，Y_LL指向北，Z軸垂直于OX_LLY_LL平面向上，當地平面坐標系不隨船體的運動而改變；設波束指向角，即波束方向與換能器平面垂向夾角為θ₀，r為θ₀方向上測得的斜距；姿態測量橫搖角度為R，左舷向上時R為正；縱搖角度為P，船艏向上時P為正；航向角度為A，航向A與艏搖正方向相同；在船體坐標系下，測深點q的坐標(x_q,y_q,z_q)，在當地水平坐標系LLS下，經動態偏心改正(ΔX_at,ΔY_at,ΔZ_at)，設定位設備中心在船體坐標系中的坐標為(x_a,y_a,z_a)，用表示坐標旋轉矩陣，則測深點q在船體坐標系中的坐標(x_lq,y_lq,z_lq)表示為：

然后，采用常梯度聲線跟蹤模型根據波束的指向角和往返傳播時間，逐層跟蹤測深點相對換能器中心的水平距離和水深，得到測點位置，具體如下：

在當地水平坐標系下，波束與Z軸的夾角為θ_f，與X軸的夾角為則：

設聲速剖面數據C_i已知，g_i表示每層聲速變化梯度，Δz_i表示各層垂直距離；便能通過單個波束回波時間根據已知聲速剖面應用常梯度聲線跟蹤公式；設波束到海底共經過n層，第n層未全部跟蹤時單獨作為一層，聲波入射時聲速為C_vs，Snell常數p＝sinθ_f/C_vs，可得公式(3)：

式中，r_i為每層聲波傳播距離，R_i、L_i分別對應每層聲線傳播的曲率半徑和水平位移；將聲線每層圓弧路徑的微分單元近似取為傳播路徑對應的弦長，并結合每層精確波束入射角θ_i，則可計算聲線在整個水柱中的垂直位移d和水平位移L；則在船體坐標系中海底點(x_q,y_q,z_q)的坐標表達式為：

進一步船體坐標系下水深點坐標換算到當地水平坐標系下的坐標，表示如下：

第二步，構建垂直方向誤差改進模型

對于單個條帶，多波束測深誤差包括水位改正、吃水改正和升沉改正；對于單個波束，多波束測深誤差包括距離測量即回波時間TOA相關和回波角度DOA相關的誤差貢獻量；

根據誤差傳播定律，由(4)式得到水深的累計誤差σ_d，表示如下：

其中，為每層測距誤差，為每層測角誤差；

進一步，設角度誤差和測距誤差相互獨立且服從正態分布，各因素對測深誤差的影響分析如下；

①測距誤差TOA

由測距誤差引起的垂直方向誤差大小與聲速剖面測量誤差有關，用r_m表示波束聲線傳播距離，則測距誤差的影響量表示為：

然而，振幅檢測和相位檢測測距誤差計算如公式(8)，同時考慮到實際測量時，存在參數記錄不完全的情況，也能用代表性測距誤差近似計算；

式中為振幅檢測和相位檢測測距誤差，c為常聲速1500m/s,采樣分辨率Δr_s＝c/2f，通過模擬信號與數字信號轉換采樣率f求得，τ為發射波束脈寬，Ψ_y為接收波束角，n_A為振幅檢測采樣數；

②波束指向角誤差

與σ_ΔR表示運動傳感器的橫搖角R測量誤差和穩定性試驗的未校準誤差；波束指向角對測深誤差貢獻量表示為：

其中，θ_m為測得單個波束接收角；為波束指向角測量誤差，根據檢測方式不同求出，考慮到實際測量時，存在記錄不完全的情況，以代表性測角誤差計算；

式中，n_P為相位檢測數，s為測點斜率，Δr_p為相位檢測采樣率，通常情況與Δr_s相等；

③縱搖角誤差

σ_ΔP表示運動傳感器的縱搖角P測量誤差和穩定性試驗的未校準誤差，則縱搖角誤差對測深誤差的貢獻量為：

④波束角誤差

Ψ_x表示發射波束開角的大小，波束角誤差對測深誤差的貢獻量表示為：

⑤聲速誤差

為表層聲速測量誤差，對表層聲速測量誤差加以區分，則聲速誤差對測深誤差的貢獻量表示為：

⑥升沉誤差

多波束換能器實時升沉H由同時刻姿態傳感器的測量升沉值H_m(real heave)和誘導升沉H_i組成；

式中，為升沉測量誤差，a為升沉標稱精度中的固定部分，(b*heave)為升沉誤差的可變的部分，取兩者之間的最大值；而對于誘導升沉而言，根據誤差傳播律可得：

其中，為誘導升沉誤差，和為IMU三維空間位置測量誤差；

值得注意的是，根據多波束測深測點歸算作業流程，升沉誤差對測深點的影響成系統性，體現在入射深度上進而影響聲線跟蹤歸算測深點深度上，由此給出總升沉誤差對測深誤差貢獻量σ_heave為：

若使用的升沉測量設備有延時升沉計算功能，使用計算得真升沉值進行跟蹤歸算，減小實時升沉誤差；

⑦吃水誤差

draught表示測船靜止時的吃水，squat表示測船航行時，由于船速造成的吃水的改變，load為在航行中，由于油料消耗原因造成的測船吃水的改變與升沉誤差影響方式相同，則總吃水誤差對測深誤差貢獻量σ_{dyn_draught}為：

⑧水位誤差

水位誤差包括潮位測量誤差、潮位控制誤差和垂直基準誤差，水位誤差總體用σ_WL表示；

⑨總測深誤差

第三步，構建水平方向誤差改進模型

根據公式(4)利用誤差傳播律，則船體坐標系下水平方向累計誤差σ_h和動態偏心改正在水平方向上誤差σ_Δat：

以σ₀表示定位設備自身誤差，σ_{X_at}、σ_{Y_at}表示動態偏心改正的水平位置歸算誤差，σ_{x_tq}、σ_{y_tq}表示船體坐標系下水平位置歸算誤差，各誤差分量表示如公式(20)：

式中，σ_{x_at}σ_{y_at}和σ_{z_at}表示船體坐標系下三維空間位置誤差，σ_ΔA分別是運動傳感器的艏搖角測量誤差和穩定性試驗的未校準誤差，結合公式(19)、(20)，則得到總的平面中誤差可表示為：