姿態(tài)測量誤差對多波束測深數(shù)據(jù)影響分析

劉 毅，周興華，史永忠，張 杰

（1．浙江省河海測繪院，浙江 杭州310008；2．浙江省河口海岸重點實驗室，浙江 杭州310020）

船姿測量參數(shù)主要包括航偏角、縱搖、橫搖和涌浪（動態(tài)吃水）等。受風(fēng)浪、船體操縱等因素影響，船姿參數(shù)會發(fā)生瞬時變化，安裝在船體上的多波束換能器的姿態(tài)也隨之發(fā)生變化，造成測量成果失真或地形畸變。在船姿測量誤差作用下波束腳印歸位計算的結(jié)果常常與實際位置存在較大偏差。因此，為了保證多波束測量成果的精度和質(zhì)量必須對船姿測量誤差進行補償。

1 姿態(tài)測量誤差對波束點位坐標的影響分析

1．1 航偏角h的影響分析

受各種因素的影響，測量船的航行方向與測線方向不可能常常保持一致，而是繞軸在水平面上產(chǎn)生一定的扭動角，該扭動對于波束腳印在船體坐標系（VFS）下的坐標不會造成影響，但會造成當(dāng)?shù)刈鴺讼担↙LS）與船體坐標系（VFS）之間的旋轉(zhuǎn)角A0從變化為A＝A0＋h，如圖1所示。相對于設(shè)計測線航向偏左，h為正，反之則為負。Δh為在LLS系下的坐標及航偏角測量誤差，該誤差對波束腳印坐標的影響

圖1 航偏角引起船姿變化示意

其中，D＝R cosφ．

1．2 橫搖的影響分析

換能器繞x軸在y Oz面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度r稱為橫搖，從而導(dǎo)致測量斷面發(fā)生變化，如圖2所示。設(shè)波束入射角由θ0變化Φ，其中Φ＝θ0＋r，則波束腳印在VFS坐標系下的坐標以及橫搖r測量誤差d r對測點坐標的影響

圖2 橫搖示意

由式4可知 橫搖的變化只對y坐標和z坐標產(chǎn)生影響，對坐標沒有影響。

1．3 縱搖影響分析

換能器繞y軸在x Oz平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度p稱為縱搖，逆時針旋轉(zhuǎn)為正，反之為負，如圖3所示。實際測量斷面與設(shè)計測量斷面之間產(chǎn)生一個二面角p，則波數(shù)腳印坐標以及p角的測量誤差d p對測點坐標的影響：

其中，（x′，y′，z′）為理想狀態(tài)下的坐標。

圖3 縱搖示意

2 試驗分析

利用式（1）～式（6），在不同條件下分別計算不同的姿態(tài)測量誤差對測點位置坐標的影響，規(guī)律進行歸納總結(jié)，結(jié)果如表1所示。

表1 姿態(tài)誤差對測點位置影響

由表1中數(shù)據(jù)可知

1）姿態(tài)參數(shù)中的縱搖、橫搖、航偏角等測量誤差對測點坐標的影響與測深成正比；

2）航偏角測量誤差僅對波束腳印的平面位置坐標x，y產(chǎn)生影響，對深度值z沒有影響，除了與測深值成正比外，還與波束入射角有關(guān)，成正相關(guān)（大致近似于正比關(guān)系），特別對坐標值的影響尤為明顯；

3）縱搖測量誤差對測點坐標x，z均有影響，當(dāng)測量水深較淺時，這種影響較小，基本可以忽略不計，但隨著測量距離（水深）較大時，尤其是邊緣波束，這種影響比較明顯，尤其對x坐標的影響特別明顯；

4）橫搖測量誤差對測點坐標y，z皆有影響，其中對y坐標的影響較z坐標明顯，與縱搖測量誤差對x坐標的影響基本一致。

3 結(jié)束語

姿態(tài)測量誤差對波束腳印坐標的影響與波束入射角、測量水深值等因素密切相關(guān)，基本成正比關(guān)系。在多波束測量中邊緣波束的測量精度較中間波束數(shù)據(jù)的測量精度低。因此，在實際測量中，為了提高多波束測量成果的質(zhì)量 應(yīng)盡可能增大條帶重疊率。

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