无人船在水下地形测量中的应用与探讨

摘要：传统的水下地形测量一般使用人工操作,而由于客观存在的复杂地形要素，测量过程中往往存在诸多困难。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的使用,具有着极好的前景,可以克服浅水区无法进入的问题、有效避免测量时的安全威胁,从而提升测量的效率和准确度。

关键词：无人船；水下地形测量；应用

引言

传统水下测量，一般来说是将单波束测深仪安装在船上，配合GNSS定位和采集、导航、后处理软件得到相应点的三维坐标。水下测量中常常会遇到浅水区域载人测量船无法靠近、水流比较危险的区域、河流被拦水坝阻断找不到船只的水域，在这种情况下使用智能无人测量船可以很好地解决此类这样的问题，无人船测量可以按规划航线自主导航或手动遥控作业，可以深入浅水区或危险区域作业。 1国内无人船发展现状

2018年的央视春晚，由无人船、无人车、无人机组成的“海陆空”展演堪称惊艳。夜色下的珠江口海面上，“瞭望者”号海洋无人艇为群龙之首，带着80艘小型无人船，它们闪烁着光，如离弦之箭般穿越港珠澳大桥，场面颇为壮观。这是全球首次无人艇协同编队。

无人船华丽表演的背后，是云洲技术团队的支撑和付出。在国内无人船领域，云洲是佼佼者。这个2010年由三名学生在珠海高新区注册成立的公司，起步艰难，最初靠补助搞研发，既缺钱又缺人，直到2013年夺得中国创新创业大赛总决赛冠军，如同蛟龙出海一般，进入发展快车道。2013年销售全球首款水质监测无人船，2013年底到2014年底在国内卖出70多艘无人船。2014年的第三届莫斯科国际创新发展论坛展览，李克强总理和俄罗斯总理一起参观了云洲展台，风光无限。2016年，云洲无人船研发测试基地在珠海开工建设。2017年，中国船级社、珠海市政府和武汉理工大学、云洲智能公司四方共同启动国内首艘小型无人智能货船项目。不只是云洲。自2009年以来,国家海洋局第一海洋研究所无人船研究小组,便开展了无人船系统的研发与应用研究工作，已研发2艘3米级和一艘5米级“久航”系列无人船。中船集团在2014年开始研发建造智能型干散货船。海航科技物流旗下的海航智造承担海航无人船开发项目的主要工作。

2017年6月，美国船级社、中国船级社、中国舰船研究设计中心、沪东中华造船（集团）有限公司等多家全球船舶行业顶级企业和机构齐聚上海，共同成立无人货物运输船开发联盟。7月，中国船舶工业集团公司、大连海事大学、中国船级社、交通运输部水运科学研究院共建的“无人船技术与系统联合重点实验室”揭牌。2018年3月，珠海万山无人船海上测试场建设项目正式启动，作为亚洲首个无人船海上测试场，建成后将成为世界上面积最大的无人船海上测试场，引发美国高度关注。 2无人船的优势

2.1安全可靠,事故减少

无人船测量的最大优势是更加安全、高效及运行成本更低。远程遥控和自动驾驶杜绝了人员伤亡事故,无人船特殊设计甚至可抵御海盗袭击； 2.2浅滩测量优势

无人船由于船体载重小，吃水较浅的原因，同时无人船测量系统通常有避障功能，能及时预报障碍物，避免发生碰撞危险，因此相比有人船才浅滩测量上更有优势； 2.3航行轨迹优势

无人船测量相比有人船测量在航行的轨迹上有着绝对的优势，无人船由于内部有自动调整推进器，切流方向工作时会自动调整推进器方向，使得推进力产生水流方向的速度分量，即便在流速与流向不断变化的复杂工作环境中，自动控制系统也会保证无人船在自动模式下

按照计划线航行，获取的数据即美观又准确。 3无人船测量系统构成 3.1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(如图1所示)，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:

图1无人船测量系统示意图 3.1.1船体

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。在船型设计上目前主流的设计为三体船和双体船，可达到较高的抗风浪等级，确保在3级～5级风浪条件下能够安全平稳航行。 3.1.2通信系统

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。另外，还可以实时传输测深、流速、定位数据，也可以实时传输视屏数据，让用户在岸上就可实时获取信息。通信方式上，除了用户选择电台通讯外，还可选择4G通讯方式，突破通讯距离的限制。

3.1.3控制系统

控制系统主要负责控制无人船的航行轨迹，由工控机(笔记本)或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。 3.1.4数据采集系统

数据采集系统是整个测量系统中的核心系统，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、多普勒流速剖面仪(ADCP)、超声波避碰声呐、摄像系统等仪器设备。其中，测深数据和GPS定位数据是数据采集的重要内容，在数据采集软件上对测深数据进行查看、编辑、改正和存储，形成最终水深数据，为下一步地形图成图提供数据基础。 3.2测量系统基本原理

无人船测量系统是整个无人船系统的核心，承担着水深测量和导航定位任务，整个测量系统主要由数字测深仪、姿态传感器、GPS接收机、全角度摄像头及距离传感器等多种高精密传感设备。其基本测量原理如图2所示:

图2无人船测量系统原理示意图

整个系统的导航定位采用GPS－RTK动态差分定位原理(图2)，在岸基架设GPS基准站接收GPS卫星信号并将差分数据发送给无人船上安置的GPS接收机，实现实时定位和导航功能。水深测量由安置在船上的数字双频测深仪完成，其基本原理是利用超声波穿透介质并在不同介质表面会产生反射的现象，由换能器(探头)发射超声波，测出发射波和反射波之间的时间差来进行水深测量。假设装载在船上的GPS接收机的高程为HG，数字测深仪测得换能器到水底面的水深为H3，测量时实际获得GPS接收机至水面高度及水面至换能器底部高度分别为H1、H2，那么在无人船航行时任意时刻位置的对应水底点的高程H就可通过式(1)计算得到:

其中，HG是GPS－RTK测得的高程，通常需要转换到当地或国家高程基准中，△H是船体的姿态改正。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。 4任务区概况

本水域面积约5.5平方千米，水深最深处约12米左右，北部较深，南部较浅，其中包含若干孤立的小岛，南部浅水区围网较多，东部边沿芦苇较多。本次作业期间正值水库拉网捕鱼期。作业要求是按1∶2000比例尺测量水下地形，航线间隔40米，航向数据采样点间距10米（无人船自动采集间隔设置稍小些，最终数据适当抽稀），地形起伏较大处适当加密。 5无人船在水下地形测量中的应用与探讨 5.1技术路线

目前无人船的智能避障功能在实际操作中发现避障效果远没达到成熟，大多数情况下都需要人工干预，尤其是靠近障碍物或近岸操作时，无人船系统设置安全避障距离达到设置的警戒距离无人船自动暂停，防止碰撞，所携带的避障设备作为辅助参考，因此在设计航线时要尽可能避开障碍物区域。在航线设计前要先在测区踏勘，标注障碍区或围网区，然后内业中利用地形图资料套合最新的卫星影像（目前市场上也有的无人船可在操控软件上下载测区影像，直接在影像地图上设计航线），若无地形图可以外业现场采集特征点坐标，内业借助CASS软件进行影像坐标校正，从几何校正后的卫星影像中寻找可能需要避开的潜在障碍区，设计好避让线路，然后将航线转为dxf格式导入岸基操控软件。方便根据影像可以发现航线上的诸多障碍区，如围网、浅滩、孤岛、太阳能指示灯等。无人船在远离视线范围作业时如果发生靠岸贴边、搁浅、挂住围网及潜在避障区域靠远距离手动遥控脱离障碍区也是比较麻烦的，因此作业前充分考虑潜在的障碍区是十分有必要的。对于岸边或狭小区域可以直接手动遥控作业。

5.2外业数据采集

无人测量船在外业数据采集过程中数据的通信传输非常重要，有岸基电脑、无人船测深数据、无人船搭载的GNSS坐标数据、岸基基站数据等之间的传送，岸基基站将GNSS差分改正数据传送给船载GNSS进行实时坐标精确定位，船载电脑实时采集坐标数据、水深数据和船体参数传送给岸基电脑并执行岸基电脑发送的指令。各个节点之间一个环节出现问题都会影响采集数据的可用性，因此作业中尽量使用基站外接电台、岸基电脑和无人船都使用远距离数据传输天线。由于自动按航线导航作业时有一定的转弯半径，提前在障碍物周围做好规避航线，实际外围自动导航作业后还要手动遥控贴近障碍区域采集水深数据，尽可能采集完整。经过约两星期的作业，采集了整个的水深数据。 5.3数据处理

无人测量船同样是按一定的距离或时间间隔采集数据，对获得的数据还不能直接使用，需要进行粗差剔除和数据抽稀，对处理的水底正高数据这里采用的是无验潮模式，对实时获得的水面高程和水深数据进行处理得到水底正高数据，然后生成等高线和TIN成果，成果较直观地反应水下地形状况。 5.4精度检核

本次无人船测深数据的检核从两方面进行，首先布设检校航线利用无人船对先前测过的数据进行自检校，另外利用机船搭载南方的SDE-28自动记录测深仪进行高精度检校，由于无人船采集的是纯粹的水深数据，而SDE-28可以实时根据水深数据模拟航线上断面起伏波形图，可以有效辨别悬浮物，而且SDE-28测深仪测深探头比无人船便携式测深探头接收反射面大，精度受悬浮物影响较小。通过对180处航线交叉点无人船自检校和55处SDE-28高精度检校分别统计精度（如表1、表2所示）。

表2SDE-28测深仪精度检校统计

结语

无人船测量技术作为近年来水下地形测量发展的一项新技术，目前并未进入大规模使用状态，尚处在行业推广阶段。在实际项目应用当中还存在一些问题，如:测量死角、信号遮挡等问题。如何能够完全实现自主航行和测量，充分发挥无人船测量系统的优势，将是未来无人船测量技术的发展方向。 参考文献:

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