基于GNSS的多源海洋快速深度剖面测量技术研究_陆伟.pdf

DOI:10 3969/j issn 2095 509X 2023 02 018基于 GNSS 的多源海洋快速深度剖面测量技术研究陆伟1，2，胡译文1，2，熊伟1，2(1 天津水运工程勘察设计院有限公司，天津300456)(2 天津市水运工程测绘技术企业重点实验室，天津300456)摘要:为提升海洋深度剖面信息的测量精度，研究了基于全球卫星导航系统(GNSS)的多源海洋快速深度剖面测量技术。在测量船体中设置多波束探测系统，在高处位置设置罗经接收机。首先利用 GNSS 采集海洋剖面测量点的深度信息与定位数据，然后利用抛弃式温盐深仪获取测量点的盐度信息以及温度信息，再利用海洋剖面声速信息计算公式计算海洋剖面声速。合并、融合处理测量船单航线的声速数据，实现多源海洋快速深度剖面测量。实验结果表明，该技术可以实现海洋剖面测量点的精准定位，利用所采集温度以及盐度信息获取精准的声速测量结果，声速测量偏差低于 1 m/s。关键词:全球卫星导航系统;海洋深度剖面;抛弃式温盐深仪;声速测量中图分类号:P229文献标识码:A文章编号:2095 509X(2023)02 0088 05全球卫星导航系统(global navigation satellitesystem，GNSS)是结合了计算机技术、现代空间技术等的空基无线电导航定位系统。GNSS 目前已广泛应用于测绘、军事等领域1。利用 GNSS 具有的卫星定位、导航、测量和监视管理等功能，能够为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息2 3。应用 GNSS，将导航卫星的 L 波段作为海洋探测的信号源，设置机载、星载等信号接收平台，接收待探测目标物体 L 波段的导航信号，反演目标物体的特征参数，从而实现目标物体各项特征参数的有效测绘4，具有成本低、覆盖面广、分辨率高等众多优势。付乃锋等5 将 GNSS 应用于三维电离层的研究中，夏宋鹏程等6 将 GNSS 应用于多源传感器融合定位工作中，两者均实现了 GNSS 的有效应用，也均通过实验验证了 GNSS 具有较好的应用性能，然而目前将 GNSS 应用于海洋测绘领域的研究较少。本文将 GNSS 应用于海洋测绘工作中，用于实现海洋深度剖面测量，即将 GNSS 技术与多波束探测系统相结合，获取海洋剖面的多源信息，从而实现海洋快速深度剖面测量。1多源海洋快速深度剖面测量技术1 1流程设计基于 GNSS 的多源海洋快速深度剖面测量流程图如图 1 所示。图 1多源海洋快速深度剖面测量流程图将相关测量设备安装于测量船体中，测量前需收稿日期:2022 04 28基金项目:中央级公益性科研院所科研创新基金资助项目(TKS20210304)作者简介:陆伟(1985)，男，高级工程师，硕士，主要从事工程测量、海洋测绘、地理信息及港航工程的相关研究工作，Luwei198503 126com通讯作者:熊伟，男，高级工程师，wuxianshenji202163 com882023 年 2 月机械设计与制造工程Feb 2023第 52 卷 第 2 期Machine Design and Manufacturing EngineeringVol 52 No 2要充分考虑测量区域的海况以及气象条件，安装以及调试相关的测量设备。将换能器设置于距离测量船船首 30%位置的船舷右侧位置。在测量船的高处且具有良好信号接收水平的空旷位置设置GNSS 的罗经接收机7，在测量船的重心位置安装姿态传感器。连接多源海洋快速深度剖面测量的工作站和电缆等辅助设备8。完成仪器安装后，测量不同仪器间的距离，便于精准解算测量结果。测量船设置了多波束探测系统，利用该系统同步采集 GNSS 采集的海洋深度信息、定位数据以及抛弃式温盐深仪测量的盐度信息、温度信息9，避免由于数据接收不同步造成的测量数据延迟情况。利用所采集的测量点定位信息、声速剖面信息、船体姿态等数据进行格式转换、插值处理和平滑处理，将测量船的吃水以及潮位数据与船体姿态信息结合，获取测量船单航线的水深数据，通过合并以及融合处理单航线的水深数据，获取测量区域海底地形，从而实现多源海洋快速深度剖面测量。1 2基于 GNSS 的海洋剖面测量点定位1 2 1海洋剖面测量点深度信息GNSS 采集的信号中会存在一定量的噪声信息，相比于卫星发送的直射信号，反射信号的功率更低，需要对 GNSS 采集的信号进行处理，获取较高的增益，通过高增益的测量信号功率，实现 GNSS的海洋深度剖面测量点精准定位，为海洋快速深度剖面测量提供数据基础。GNSS 的直射信号处理过程中，假设当时间为t0时，接收的 GNSS 信号为 D，当时间为 t 时，所接收的 GNSS 信号 YD(t)为:YD(t)=Ti0uDbtexp(pc+p?d)dt(1)式中:pc和 Ti分别为接收信号的中心频率以及积分时间;p?d为 GNSS 的本地多普勒估计值;b 为本地复制码。以 GNSS 的接收信号为基础建立 GNSS 反射信号的相关函数。海洋深度剖面为粗糙面时，GNSS反射信号的复杂度较高，信号反射过程存在明显的衰减。GNSS 反射信号的时延一维相关函数 Y为:Y=Ti0ubt2(t0+t)exp(pc+p?d+p0)dt(2)式中:Y为 GNSS 反射信号的时延;u，p0为多普勒频移。由式(2)可知，当多普勒频移为p0时，随着时间的增加，GNSS 反射信号呈现一维变化态势。针对 GNSS 反射信号具有明显衰减的特征，结合相干累加方法以及非相干累加方法，提升 GNSS对海洋深度剖面定位时的信噪比10，获取精准的GNSS 反射信号的二维相关值。GNSS 采用相干累加方法处理传输信号的信噪比，信号噪声的带宽受到相干累加时长影响而变窄。通过相干累加方法提升海洋测量信号增益11，GNSS 反射信号的相干特性受相干累加时间值影响。GNSS 镜面点的相干时间 tcoh为:tcoh=hr2csin/2vr(3)式中:vr和 hr分别为 GNSS 接收机速度和高度;和 c分别为 GNSS 信号的载波波长和码片长度;为卫星的高度角。GNSS 接收机的运动状态决定了反射信号的相干特征，可以通过设置接收机的高度和速度12，调整 GNSS 接收机的相干时间。相对于直射信号，反射信号的路径延迟 E为:E=2hcos(2)(4)式中:h 为 GNSS 接收机反射天线至反射面的垂直高度。通过反射信号的路径延迟 E，可得 GNSS 接收机反射天线至反射面的垂直高度 H:H=2Esin(5)1 2 2基于 GNSS 的测量点定位信息GNSS 通过载波相位定位方法实现海洋剖面测量点的精准定位。用 sj与 tj分别表示探测卫星以及探测历元，j tj(g)表示载波信号相位，i ti(g)表示 GNSS 的接收机在历元为 ti时的参考载 波 信 号，可 得 GNSS 载 波 信 号 的 相 位 差ji t(g):ji t(g)=i ti(g)j tj(g)(6)GNSS 接收机与卫星之间的距离明显大于不同 GNSS 接收站之间的距离，因此可以忽略接收站各天线受卫星信号的影响。利用 GNSS 的两根天线同时获取两个卫星发送的信息，载波相位测量方法是利用两个卫星传送的信息13，消除海洋剖面测量点定位过程中存在的载波相位以及钟差，提升海洋剖面测量点的定位精度。用(x1，y1，z1)与(x2，y2，z2)分别表示天线1 与天线 2 的坐标，两个天线的基线向量沿观测载体坐标系的分量(x，y，z)利用载波相位测量方程可表示为:x=x2 x1y=y2 y1z=z2 z1(7)982023 年第 2 期陆伟:基于 GNSS 的多源海洋快速深度剖面测量技术研究GNSS 观测载体的航向角 以及俯仰角 为:=arctanyx=arctanzx2+y2(8)解析 GNSS 卫星数据，获取海洋剖面测量点的经纬度14，将经纬度位置信息转换至空间直角坐标系中，可得海洋剖面测量点的坐标(X，Y，Z)为:X=(+D)cosBcosLY=(+D)cosBcosLZ=(1 )sinB+D(9)式中:L与B分别为目标点与X，Y轴的垂直角度;D与 分别为笛卡尔坐标系原点至 GNSS 接收机的距离以及笛卡尔坐标系的椭球半径。1 3多波束探测系统的海洋剖面声速测量利用多波束探测系统测量海洋剖面的声速，多波束探测系统利用多个波束的发射与接收，在海洋剖面区域的测量点与测量船航行方向建立垂直的波束条状区域，众多波束在海底形成反向散射信号，计算所形成反向信号角度与时间，从而获取投射的波束点对应的海洋声速。选取间接测量法，依据海洋剖面测量点的温度、压力以及盐度信息，通过经验公式获取声速信息。海洋剖面声速 c 的计算公式如下:c=1 5026+458T 0049T2+0000 031T3+(1 29 0 01T)(K 36)+0 021Z(10)式中:K 与 T 分别为海水盐度以及海水温度。通常，海水温度范围为 0，33、海水盐度范围为 0，35。通过以上研究可以看出，测量海洋剖面时，温度、深度和盐度信息的测量精度极为重要，需要选取具有高精度检测性能的传感器。用抛弃式温盐深仪测量海水温度、海水压力等海洋特征参数，具有可以重复使用的优势15，可实现全水深作业，获取精准的海水温度信息。2实验与分析从某海域中选取测量点，利用多源海洋快速深度剖面测量技术(以下简称本文技术)测量该海域的剖面信息，从而验证该技术的有效性以及全面性。测试现场如图 2 所示。采用 GNSS 作为多源海洋快速深度剖面测量的定位系统。设置 GNSS 不同接收平台高度，GNSS 相干时间见表 1。从表1 可以看出，GNSS 接收平台高度越高、信号传输速度越快，GNSS相干时间越少。相干时间图 2测试现场图表 1GNSS 相干时间平台高度/m 高度角/()传输速度/(kms1)相干时间/ms5090025285100900872341509018518120090215152250902911163009038509435090467076400905850584509061503450090675028是衡量信道变化快慢的重要指标，测量者可以依据GNSS 相干时间变化，设置合理的 GNSS 接收机平台高度。本文设置 GNSS 接收机高度为 300 m。本文采用 GNSS 获取海洋快速深度剖面测量点的深度信息、温度信息以及盐度信息，应用到的设备是 CTD 剖面仪。该设备是进行海水剖面观测的主要仪器，可以精确测量不同深度海水的温度和电导率信息，进而推算出海水盐度、密度、声速等数据。CTD 剖面仪如图 3 所示。图 3CTD 剖面仪092023 年第 52 卷机械设计与制造工程获取的海洋剖面测量点深度信息与实际海洋剖面测量点深度信息对比结果如图 4 所示。图 4测量点深度对比由图可知，采用本文技术获取的海洋剖面测量点深度信息与实际海洋剖面测量点的深度信息高度吻合，初步验证了本文技术的有效性。为了进一步验证本文技术的定位性能，将海洋剖面测量区域测量点的定位结果与实际测量点定位结果对比，对比结果如图 5 所示。图 5测量点定位信息由图可知，本文技术采用 GNSS 获取的测量点位置与测量点的实际位置相差极小，因此通过该技术可以获取精准的海洋剖面测量点位置信息，为海洋快速深度剖面测量提供了良好的定位基础，提升了海洋快速深度剖面测量精度。本文采用抛弃式温盐深仪获取海洋深度剖面测量点的温度信息以及盐度信息，如图 6 所示。由图可知，本文获取的温度信息、盐度信息，与实际温度信息、盐度信息具有较高吻合度，说明利用抛弃式温盐深仪可以有效采集海洋温度剖面与盐度剖面的相关信息，数据采集精度较高。利用海洋剖面测量点的温度信息、深度信息以及盐度信息，获取海洋深度剖面声速测量结果，如图 7 所示。由图可知，本文获取的海洋深度剖面声速信息图 6温度剖面与盐度剖面图 7海洋深度剖面声速信息与实际海洋深度剖面声速信息具有较高的吻合度。为了验证海洋快速深度剖面测量精度，统计采用本文技术获取的海洋深度剖面声速信息的偏差分布，结果如图 8 所示。由图可知，不同海洋