无人测量船在水下测量中的应用研究

吕伟杰 王嘉伟

摘要：近年来我国对近海滩涂、海底地形测量和陆地水下测量要求的精准性和时效性逐步提升，提高水下测量的精准性和时效性是加快水利工程建设速度的重要路径。本文主要针对传统水下测量的困难，创新采用无人船测量系统解决水下测量难题，就无人测量船在水下测量作业的可行性及与传统载人测量船对比之优缺点进行了探讨，为水下测量提供了一种全新的解决方案。

关键词：无人船 水下测量 自主导航 自动避障

我国幅员辽阔、水域众多，仅流域面积就超过1000平方公里，水下测量工作的要求也在不断提升。长期以来，我国水下测量工作都停留在人工测量阶段，有关水下测量的技术手段较为落后，因此开展无人船水下测量的优势极为明显。

一、水下测量

水下测量作为工程测量中的一项特殊测量，其主要任务是测量江河、湖泊、水库、港湾和近海等水域的水底点平面位置和高程，用以绘制水下地形图，为相关设计规划等部门提供基础水下地形数据。水下测量根据测区类型可以分为海洋测量和内陆水域测量。

水下测量发展过程中经历了六分仪后方交会法、经纬仪或平板仪前方交会法、全站式速测仪极坐标法、无线电定位法、水下声学定位和差分GPS定位法等阶段，测深工具分别有测深杆、测深锤和回声测深仪等器具。

水下测量，一般是在船上安装单波束测深仪，配合GNSS定位得到相应点的三维坐标。然而相比于陆上测量，传统水下测量始终还是存在一些难以克服的困难，主要有以下几方面：

（1）被测对象的不可见性

（2）水面的不稳定性、水流流速、水中障碍物等客观因素的影响

（3）遇到浅水区域、河流被拦水坝滚水坝阻断的水域、水流比较危险的区域，载人测量船无法到达。

（4）人员有涉水危险，测量人员的安全性较低。

（5）外业工作强度大、作业效率低，测量结果的精确度较低。

二、无人船测量系统

无人船水下测量系统为水下测量提供了新的解决方案，利用该平台搭载卫星定位、通讯、水下测量等多种设备，可实现无人工干预的自动化数据采集和航行，有效提高作业效率，减少测量人员的涉水风险。

1.无人测量船

无人测量船是一套软硬件结合的测绘系统，以无人船为载体，搭载GNSS、声纳测深设备、罗盘仪等，以岸基电脑操作导航、控制等软件，让无人船按预定的路线行驶，采集水下地形数据，自动形成测绘成果的一套智能系统。

无人船作为进行水下测量数据获取的重要路径，现阶段已代替了大部分的传统人工测量作业方式。自我国应用无人船技术以来，经由多年的技术创新发展，无人船的水下测量技术已趋近于成熟，而无人船的水下航行表现也趋于稳定。现阶段的无人船发展方向为智能化。在水下测量中无人船技术应用的最大优势就是高效、安全、轻便及小巧，再加上无人船测量运行成本低的应用优势，让无人船测量技术深受测绘单位的喜爱。

无人船测量技术的远程遥控系统，以及自动驾驶系统完全杜绝了水下测量过程中发生的人员伤亡事故，无人船机体的特殊设计能够抵御外力的攻击，确保无人船能够最大程度的保存完好。此外无人船能够搭载我国最为先进的通信系统、传感器系统及导航控制系统，避免无人船在水下测量过程中出现被水草或是渔网缠绕，同时也能帮助测量单位对无人船进行维护检查。与此同时，无人船所搭载的深测仪、ADCP等传感系统，能够帮助测量单位全面测量湖泊、水库及内河航道等区域，实现对水下地形地貌的有效获取。

2.无人船测量系统

2.1系统组成

无人船水下测量系统不仅能够解决传统水上测绘过程中人员涉水问题，还能够超越传统水上人工测量的作业范围，实现自动化无人驾驶水上测绘。因此，无人船水下测量系统除了具备正常的航行设备外，还要同时具备自主导航功能、智能避障功能、实时通信功能、自动数据采集功能和平稳持久的航行能力等，通过对各系统功能整合，从而自动完成水上测绘各项任务。无人船是集高精度姿态定位、无线通信技术、数字测深和遥控技术与一体的水上移动测量设备，按照无人船的主要功能特点，可将整个系统分为船体、通信系统、控制系统、数据采集系统，其各部分的主要功能如下：

（1）船体。

作为水上航行的工具，主要承载着各类的测量和通信设备，是各系统的基架。通常为了能够适应各类水质和航行条件，船体材料采用含碳纤维、凯夫拉防弹布高强度玻璃钢材质，具有耐腐蚀、船体轻、耐碰撞特点。

（2）通信系统。

是实现无人船和岸基控制单元相互通信的重要窗口，无人船通过实时射频点对点通讯方式，可以实时将无人船的工作状态、航行姿态及任务状态传输到岸基系统。

（3）控制系统。

主要负责控制无人船的航行轨迹，由PC机、手持遥控器及通讯单元组成，根据各水上测绘不同区域的特点，可选择自动控制和遥控控制两种控制方式，测量相关人员可在两种控制方式中自由切换，以适应复杂的水面状况。同时岸基控制单元与测深船之间进行无线通信，将船上各类传感器数据、影像数据传回给控制软件，以供岸上操控人员实时掌握船体状态和测量数据，及时发现错误信息，调整航行轨迹和仪器设置。

（4）數据采集系统。

是整个测量系统中的核心系统，承担着水深测量和导航定位任务，主要是负责完成各类数据的采集和记录工作，具体采集工作由安装在无人船上的各类测量设备进行，如：数字测深仪、姿态传感器、GPS接收机、多普勒流速剖面仪（ADCP）、超声波避碰声呐、全角度摄像头、距离传感器等高精密传感设备。

智能无人船测量系统是智能导航控制、GNSS定位和众多技术的结合，实现了水下测量的高精度、无人化、智能化、网络化，与传统的作业方式相比，具有成倍提升作业效率，提高测量精度，保障作业人员安全等优点。

2.2无人船测量系统的工作原理

无人船测深系统的工作原理，是经由无人船的船底声呐装置进行声波的发生，等待声波达到介质的表面反射时，计算发射反射波，以及接受反射波的时间差（Δt），根据声波在水中的传播速度（V），利用无人船自带的微型处理器进行测点水深（h）的计算。具体公式如下：

h=（V×Δt）/2

无人船测水底高程的工作原理为，将GNSS的天线相位中心高程设置为H1，GNSS天线相位中心到船吃水高度的距离设置为H2，将船体丝带设置为Δh，无人船测量系统中测深仪测量水深为h，水底高程则是D，测量水底高程的具体公式如下：

D=H1-H2-（h+Δh）

无人船测量系统的运转是基于GNSS-RTK动态定位技术，同无人船测量系统运行过程中，利用姿态传感器对船体的姿态信息进行修正，实现对无人船三维坐标的实时修正。避免测量过程中因船体的晃动，导致测量数据失真，确保了测量成果的精确度。

通常无人船在实际航行过程中受风和水流等因素的影响，会造成船体的左右和前后摇摆，即横摇和纵摇，改变测量船的姿态。这样会造成换能器采集的水深数据与GPS接收机的平面数据不匹配，产生离散现象，同时测深仪的水深数据也不准确，此项误差会随着水深的增加而增大，不可忽略。因此，需要利用船体上的姿态传感器，对采集的水深数据进行改正，保证测量船测得的水深数据正确可靠，姿态改正由系统软件自动完成。

3.无人测量船的优点

相比于传统水下测量，无人测量船具有以下优点：

（1）经济便利，节省船租;

（2）作业时可深入浅水区或危险区，扩展了测量范围，扫除了测量盲区，避免倾覆、撞船带来的人身伤害;

（3）重量轻、体积小、便携，且具有自动避障功能，使得水下测量更加灵活、方便;

（4）可按照规划航线自主导航或手动遥控作业，大大减少了外业工作量。

结束语

传统水下测量，需要耗费大量的人力、物力，且所应用到的测量设备比较复杂、笨重，严重影响了水下测量的效率及测量数据的精准性。无人船水下测量技术的出现具备极高的经济价值，不仅能够减少人力、物力上的资金投入，大大降低运作成本，同时也能有效解决传统人工测量面临的难题。

参考文献

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