翟信德，王 宇*，劉俊文

（1.長江南京航道局，江蘇 南京 210011；2.江蘇中海達海洋信息技術有限公司，江蘇 南京 211800）

自單波束測深儀面世以來，如何提升其測量精度廣受關注，已有較多成果，RTK三維水深測量方式可以解決部分精度問題[1-2]。因RTK水深測量時對于衛(wèi)星信號的接收條件要求較高，當出現信號遮擋、干擾情況時，流動站無法獲得固定解。隨著長江江蘇段已建、在建、擬建和重點規(guī)劃的過江通道數量不斷增加[3]，橋梁區(qū)域水下地形測量時受橋梁遮擋、電磁波干擾的影響，水下地形測量定位時常受到影響，造成橋區(qū)下方測量留有空白。目前，已有較多專家、學者對上述問題開展研究，并使用傳統(tǒng)高精度的慣性導航系統(tǒng)和單波束測深儀結合，可以解決上述部分問題[4-10]，但使用高精度慣導系統(tǒng)的成本高，可推廣性不足；隨著技術的不斷發(fā)展，中級慣性傳感器性能越來越穩(wěn)定，成本也越來越低。本文提出了一種使用輔助的姿態(tài)傳感器，確保衛(wèi)星失鎖狀態(tài)下測量成果的精度。在RTK受遮擋無法獲取固定解情況下，水下地形測量需要同時獲取船舶吃水信息。慣導系統(tǒng)配合使用壓力式傳感器，可提升衛(wèi)星信號失鎖狀態(tài)下定位精度。

1 系統(tǒng)技術設計

本文為解決上述兩大技術難題，使用中等精度、低成本組合慣導系統(tǒng)為測深儀提供厘米級定位數據、0.1°精度航向數據和高精度姿態(tài)數據，在GNSS信號受到嚴重干擾、導致無法定位的復雜環(huán)境下仍然能提供定位航向姿態(tài)數據。同時，將壓力傳感器技術應用于測深儀動態(tài)吃水值的計算，實現了全自動和連續(xù)實時的測深儀動態(tài)吃水值的讀取，降低了人為干擾和動態(tài)吃水對測量精度的影響，從而提高了水下地形測量的精度。本文主要研究內容包括：（1）研究利用慣性導航技術，為水下地形測量提供連續(xù)位置信息，解決長江上橋梁、跨江電纜等障礙物對衛(wèi)星信號遮擋干擾，導致衛(wèi)星失鎖無法定位問題；（2）研究利用現代傳感技術，結合壓力傳感器，解決測深設備入水深度改正難題，實時獲取測深儀換能器距離水面高度，從而提高測深精度。

1.1 系統(tǒng)簡介

慣性傳感器（IMU）是可以檢測加速度與旋轉運動的傳感器。基礎的慣性傳感器包括加速度計與角速度計。本文主要討論基于MEMS的六軸慣性傳感器，主要由3個軸加速度傳感器以及3個軸的陀螺儀組成。

MEMS慣性傳感器分為3個級別：低精度慣性傳感器作為消費電子類產品主要用于智能手機，此類傳感器售價在50美分到幾美元不等，但是測量的誤差會比較大。中級慣性傳感器主要用于汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)以及GPS輔助導航系統(tǒng)，此類傳感器售價在幾百到上千美元。相對于低端慣性傳感器，中級慣性傳感器在控制芯片中對測量誤差有一定修正，所以測量結果更加準確，但是長時間運行后，累計的誤差也會越來越大。高精度的慣性傳感器作為軍用級和宇航級產品，要求高精度、全溫區(qū)、抗沖擊等指數，主要用于通訊衛(wèi)星無線、導彈導引頭、光學瞄準系統(tǒng)等穩(wěn)定應用。此類傳感器售價在幾十萬美元區(qū)間，即便經過長時間運行后，仍然可以達到米級精度，比如跨太平洋洲際導彈。

無人車使用的一般是中低級的慣性傳感器。其特點是更新頻率高（1 kHz），可以提供實時位置信息。但是慣性傳感器的致命缺點是它的誤差會隨著時間的推進而增加，所以只能在較短時間內完全依賴慣性傳感器進行定位。

1.2 系統(tǒng)技術路線

圖1為系統(tǒng)組建方案圖。

如圖1所示，將慣導系統(tǒng)和壓力式水位計應用于測深系統(tǒng)。慣性導航模塊用于船載定位導航，主要用于GNSS信號受到嚴重干擾導致無法定位的復雜環(huán)境下提供高精度定位姿態(tài)數據。慣導通過GNSS主天線和從天線接入GNSS信號，GNSS主天線作用是定位，從天線作用是定向；再接入由CORS 或基準站提供的RTCM3.2格式的差分信號，結合內部傳感器，通過深度耦合算法，在有無GNSS信號的情況下，均能輸出GINS定位語句，并將語句接入測深儀工控機，由測深軟件進行組合計算。壓力傳感器通過設置特殊固件，使水位計能實時動態(tài)輸出高精度的吃水數據，通過測深軟件進行識別、讀取、存儲并參與計算。

2 系統(tǒng)安裝與實現

2.1 慣導系統(tǒng)

2.1.1 設備安裝 慣導應固定安裝，為了達到更好的慣導效果，推薦最佳的安裝位置是位于船體中軸線上，并且讓慣導模塊遠離熱源、振動源，如發(fā)動機、電機等。天線安裝方式是將主、從天線安裝在船體的左右兩側，即主、從天線連線與船體前進方向垂直，并且主天線在左，從天線在右的位置安裝。為了達到更好的航向精度，推薦主從天線擺放距離大于1 m。慣導主機采用12 V直流電源供電，與測深系統(tǒng)可以共用一個直流電源。采用RS232口輸出組合慣導GINS語句，包含定位、航向、姿態(tài)、速度等多種定位和姿態(tài)信息，可以直接接入測深儀使用。

2.1.2 系統(tǒng)軟硬件連接 慣導語句接入測深儀軟件中之后，軟件從語句中提取出來導航信息，用于和測深儀數據進行匹配，由于測深數據頻率比定位數據要高，可以通過線性插值算法，見式（1）：

通過內插出所有位于測深點的平面坐標（x,y），其中(x1，y1)和（x2，y2）分別代表當前位置前后時間點GNSS輸出的位置值的平面坐標，這樣可以提高匹配精度，不容易造成測深數據與定位數據的延遲。軟件從語句中提取出來姿態(tài)信息之后，同樣可以先用內插算法，算出位于測深數據時間點上的姿態(tài)信息，再通過姿態(tài)融合算法，采用左手定則，依次代入橫搖和縱搖，對參考點進行位置上的改正。但是這里需要注意的是，由于用的是慣導加水位計的方式，實際上水位計已經對水深數據經過了改正，涌浪數據不應再參與解算。

2.2 壓力式水位計

壓力式水位計包括壓力傳感器及有關的引壓、信號傳輸、數據處理（含存貯、編碼和記錄）等裝置。采用靜壓液位測量原理，中央處理單元實時采集壓力傳感器、溫度傳感器，并在內部運用復雜算法對壓力傳感器數據進行線性修正和溫度補償，從根本上保證了產品的穩(wěn)定性和精度；實時動態(tài)輸出5 Hz的高密度吃水數據，并輸出到測深儀工控機中，和測深儀測深數據自動匹配，得到實時的水深值，配合潮位計算得到高精度的水深。

3 系統(tǒng)測試

3.1 定位精度測試

為進一步檢驗慣導的精度，比測了慣導系統(tǒng)和GNSS設備，進行失鎖符合精度測試，測線分3段，分別為直線和彎曲航線。

慣導在3段航線中完全遮擋GNSS信號，進入純慣導推算狀態(tài)提供定位和姿態(tài)信息。作為比測使用GNSS接收機全程接收信號，提供固定解定位信息。3段航線完全遮擋時間為40 s，在遮擋期間內，慣導只能依靠內部傳感器計算定位信息。（日常航道測量中經過大橋等失鎖區(qū)域遮擋時間一般為10 s左右）。

為保證測試的準確性，將慣導的輸出坐標和比測用GNSS的坐標均歸算到測深儀換能器所在位置，測試采用相同的CORS信號和坐標轉換數據。測試步驟如下：

（1）安裝連接：將慣導固定在船艙，將兩個天線用磁吸盤固定在船頂前后兩端，分別連接到慣導輔助天線和主天線接口，由12 V電瓶連接電源線供電。接入CORS提供差分信號，由RS232輸出數據至測深軟件，并采用模擬水深數據記錄采集數據。

（2）慣導標定臂桿參數：儀器首次安裝或者移動過位置后，需要進行臂桿參數的標定。首先量取主從天線至IMU中心位置的偏距，并輸入系統(tǒng)，發(fā)送命令進入標定模式，標定模式分兩步，首先在靜止環(huán)境下獲取參數，然后進動態(tài)跑圈標定和優(yōu)化參數，再在長江江面上按照一定的速度勻速航行后完成標定，自動進入導航模式。

（3）導航模式下模擬失鎖：進入導航模式后，靜止1～2 min等待慣導初始化，由人為模擬測試船通過大橋下的整體狀態(tài)，并按照一定的時間進行直線及彎曲測線進行比對。

將比測使用的GNSS數據導入Excel，作為外符合比測標準，將慣導失鎖狀態(tài)下純IMU推算數據作為對比數據和GNSS定位數據進行對比如表1和表2所示。

表1 直線定位誤差表

表2 第二段曲線定位誤差表

綜上所述，通過實測比測，可以得出結論：在未失鎖環(huán)境下慣導可以完全替代一般GNSS。而在極端失鎖環(huán)境下，一般GNSS完全失鎖，無法提供定位信息。慣導仍然可以提供一定精度的定位信息。

在直線航行時，失鎖5 s時，平面定位誤差為0.44 m；在失鎖10 s時，產生的平面定位誤差為0.82 m；在失鎖15 s時，產生的平面定位誤差1.20 m，詳細比較數據見表1。在彎曲航行時，在失鎖5 s時，產生的平面定位誤差為0.39 m；在失鎖10 s時，產生的平面定位誤差為2.03 m；在失鎖15 s時，產生的平面定位誤差4.37 m，曲線精度略低于直線精度，詳細比較數據見表2。

3.2 水深數據測試

將水位計放置于靜態(tài)放置于水池中，通過卷尺測得水深作為比測標準，檢驗水位計輸出的吃水值精度，如圖2所示。

圖2 壓力式水位計驗證結果

圖2左圖為卷尺測量水位計實際吃水值，右圖為壓力式水位計實際讀取的動態(tài)吃水值。由圖2可知，水位計的輸出吃水值為0.29 m，卷尺的水位計讀數為0.306 m，對比誤差在1.6 cm，符合《水運工程測量規(guī)范》（JTS 131-2012）中關于深度對比互差限值的要求。

在RTK信號遮擋的時候，RTK驗潮數據不夠準確，此時可用壓力傳感器進行動態(tài)吃水接入，結合潮位站的數據，可以得到較為精確的測量結果。正常情況下水深計算公式如下：

式中：H為最終計算水深；Depth為換能器測量水深；Draft為測量吃水值；Heave為實時涌浪。用水位計替代之后，實際水深計算公式如下

式中：ΔDraft為壓力傳感器測量值，即動態(tài)吃水。

可以通過室內模擬來得到驗證結果，假設一個平靜的水面，如圖3所示，設置水深為23.5 m，水位計測量的動態(tài)吃水為0.51 m，最終在后處理顯示的水深為24.01 m。

圖3 壓力式水位計接入結果和后處理界面顯示實際水深結果

4 結 論

本文將自動駕駛慣性導航系統(tǒng)和壓力式水位計結合，用于輔助單波束水深測量。經測試，慣導系統(tǒng)可以在GNSS信號失鎖情況下，一定時間內保持定位精度，可以顯著提高測量效率，解決了GNSS接收機在高大建筑物下方無法精確定位的問題；壓力式水位計可以精確量取換能器吃水值，從而實獲取換能器動態(tài)吃水。當RTK衛(wèi)星信號受到遮擋或者干擾時，慣導系統(tǒng)不間斷提供定位數據，壓力式傳感器獲取吃水數據，使單波束測深儀能夠正常進行測量，提高測量精度，避免了測量數據錯漏的返工，提升了工作效率。本文使用的中等精度慣導系統(tǒng)和壓力式傳感器均可以較低價格配置，具有低成本、兼顧高精度的特點，可大規(guī)模推廣，從而提升單波束水深測量的整體精度。