一种深水多波束测深系统的安装测量方法

1.本发明公开了一种深水多波束测深系统的安装测量方法，属于测绘技术领域。


背景技术：

2.随着越来越多的专业科考船在水运和海洋调查中投入使用，为实现高精度的测量成果，精确测定众多传感器在船体中以及相互之间的位置和偏角关系，是目前科考船行业中亟待解决的问题之一。目前各种传感器的测量精度越来越高，传感器在船体坐标系中安装位置和偏角的测量精度已成为制约最终测量成果精度的主要因素之一。
3.安装深水多波束的船舶在结构上往往有以下共性：1)此类综合船舶还会搭载其他拖曳设备或水底取样设备，均具备更大的前后甲板作业空间，且后作业甲板往往较低，距离吃水面较近，以满足拖曳设备或水底取样设备的收放；2)各类仪器设备所需天线头较多。为避免gnss天线头之间的干扰，保证各种天线的信号接收强度，此类船舶往往具备更高的桅杆，且其上往往有众多的天线；3)部分传感器放置船舱较深的位置。为满足部分设备室内、振动小、恒温等条件，姿态传感器和重力仪等设备一般放置靠近船体重心位置，在此类船舶专门的仪器室；4)为保证船体有足够空间安装声学换能器阵列，船底设计有专门的换能器区域，或具备导流罩或gondola结构体，这些结构体下表面较大且平坦。这些共性对于深水多波束安装测量的影响在于：(1)船舱内通视情况较差，传感器之间距离较远，往往需要多次转点才能测量，但是多次转点容易影响测量精度；(2)船舶施工时，往往由多部门协同作业，现场混乱，对于测量工作产生较多不确定影响；(3)测量工作不能在短时间内结束，而需要测量的传感器较多，空间距离上较远，如何保证每一次测量基于原有成果十分关键；(4)此类船舶往往在浮船坞上进行施工，浮船坞的晃动对全站仪测量结果产生较大影响。因此，如何在满足工程实际应用精度的前提下，快速高效地进行深水多波束测深系统的测量工作具有重要的实际意义和良好的应用前景。


技术实现要素：

4.本发明公开了一种深水多波束测深系统的安装测量方法，以解决现有技术中，传感器在船体中以及相互之间的位置和偏角关系不易精确测量的问题。
5.一种深水多波束测深系统的安装测量方法，包括：
6.s1：测量船体的坐标信息，构建船体坐标系，将所有坐标信息的坐标点转换到船体坐标系下；
7.s2：测量多波束测深系统发射换能器与接收换能器的安装支架，使安装支架的安装平面平整；
8.s3：测量船体的gnss接收机、声学换能器传感器以及姿态传感器的位置与姿态信息。
9.所述船体坐标系为：y轴指向船艏为正，以垂直于xoy平面且经过原点的竖线为z轴，z轴向下为正，在左手坐标系准则约束下，x轴经过原点，并指向右舷为正；
10.俯视的方向上，船艏方向顺时针旋转时偏航角为正；侧视的方向上，y轴逆时针旋转则俯仰角为正，反之为负；后视的方向上，x轴所指方向顺时针旋转时翻滚角为正，反之为负。
11.选择船体吃水面为船体坐标系的参考面xoy平面，沿着船体吃水线周围用全站仪测量多个点，基于最小二乘法构建出xoy平面。
12.所述xoy平面的方程为：z＝ax by c
13.定义单个数据点的误差项：δi＝axi by
i-zi c
14.对于n组数据，定义所有数据的最小二乘问题：
[0015][0016][0017]
f(a,b,c)为误差方程，分别为误差方程的偏导数；
[0018]
改为矩阵的形式：
[0019]
n为方程数。
[0020]
如果在船艏与船尾方向有特殊标注，通过测量特殊标注建立船体坐标系的y轴；
[0021]
如果没有特殊标注，则根据船体对称关系测量并计算出y轴；
[0022]
在已知y轴和z轴的情况下，根据左手坐标系关系，计算出x轴，根据选择的原点与所得坐标轴，将测量的所有数据转换到船坐标系下，分别求得(xi,yi,zi)在三个坐标轴下的分量：
[0023][0024]
x1、x2、x3、y1、y2、y3、z1、z2、z3为x轴、y轴以及z轴上的坐标。
[0025]
所述安装支架的安装过程为：
[0026]
在安装支架上选择多个点进行测量，计算这些点是否在一个平面上，平整性的计算公式如下：
[0027]
如果平整性较差，调整以后继续重复测量与计算工作，直到这些点的平整性满足要求。
[0028]
s3包括：使用全站仪无棱镜模式进行观测，gnss天线头测量时，测定船体坐标系中
央位置的gnss天线，使用全站仪无棱镜模式在多个导线点上多次观测，然后依据数学关系计算出天线头圆心位置；
[0029]
在发射换能器安装到其安装支架上以后，测量四个角点，并将角点值用于安装偏差角的计算，安装偏差角的检校按照先艏向安装偏差，再纵向安装偏差，最后横向安装偏差的检校顺序进行。
[0030]
艏向安装偏差计算过程为：
[0031]
利用发射换能器艏向上所测量的点坐标计算发射换能器艏向的方向向量；
[0032]
将发射换能器艏向方向向量其投影到船坐标系xoy平面上；
[0033]
计算投影后的发射换能器艏向方向向量与船体艏向之间的夹角，获得发射换能器艏向安装偏差
△
yaw；
[0034]
将发射换能器表面上所有观测点(x
t
,y
t
,z
t
)绕z轴旋转
△
yaw，得到(x
t1
,y
t1
,z
t1
)：
[0035][0036]
纵向安装偏差计算步骤为：
[0037]
利用旋转后发射换能器艏向上的测点(x
t1
,y
t1
,z
t1
)求出发射换能器y轴上的方向向量；计算发射换能器艏向方向向量与船坐标系xoy平面的夹角，即纵向安装偏差
△
pitch；
[0038]
按照如下旋转关系对发射换能器上测量的坐标点进行坐标转换，从而得到各测点坐标(x
t2
,y
t2
,z
t2
)：
[0039][0040]
横向安装偏差计算步骤为：
[0041]
利用旋转变换后发射换能器上的测点(x
t2
,y
t2
,z
t2
)，求出发射换能器y轴的方向向量；
[0042]
计算发射换能器与船体坐标系xoy面的夹角，即roll安装偏差
△
roll；
[0043]
根据计算所得的按照
△
roll，按照如下公式进行坐标转换：
[0044][0045]
从而计算出所有的安装角度误差。
[0046]
本发明的主要优点为，高精度的全站仪或其他相关测量设备可以为提供良好的数据，为相关的船坐标系构建、传感器空间关系计算提供支撑，通过合理布设控制网与支导线，可以快速高效且准确地采集船舶及其传感器所需的位置信息；解决了浮船坞上进行深水多波束安装测量的问题，对于不同船坞环境下深水多波束安装测量均具有较好的适用性；实现了大型船舶仪器设备及传感器之间空间位置与角度的标定，有效解决了深水多波束测深系统的安装与标定难题。
附图说明
[0047]
图1是本发明的技术流程图；
[0048]
图2是本发明中船体坐标系示意图；
[0049]
图3是本发明中平整性测量示意图。
具体实施方式
[0050]
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
[0051]
一种深水多波束测深系统的安装测量方法，如图1，包括：
[0052]
s1：测量船体的坐标信息，构建船体坐标系，将所有坐标信息的坐标点转换到船体坐标系下；
[0053]
s2：测量多波束测深系统发射换能器与接收换能器的安装支架，使安装支架的安装平面平整；
[0054]
s3：测量船体的gnss接收机、声学换能器传感器以及姿态传感器的位置与姿态信息。
[0055]
所述船体坐标系如图2：自定义船坐标系相当于建立一个坐标基点，所有的测量与计算工作参照这个三维系统展开，具体包括传感器及仪器的空间位置和角度关系，y轴指向船艏为正，以垂直于xoy平面且经过原点的竖线为z轴，z轴向下为正，在左手坐标系准则约束下，x轴经过原点，并指向右舷为正；
[0056]
俯视的方向上，船艏方向顺时针旋转时偏航角为正；侧视的方向上，y轴逆时针旋转则俯仰角为正，反之为负；后视的方向上，x轴所指方向顺时针旋转时翻滚角为正，反之为负。
[0057]
选择船体吃水面为船体坐标系的参考面xoy平面，沿着船体吃水线周围用全站仪测量多个点，基于最小二乘法构建出xoy平面。
[0058]
所述xoy平面的方程为：z＝ax by c
[0059]
定义单个数据点的误差项：δi＝axi by
i-zi c
[0060]
对于n组数据，定义所有数据的最小二乘问题：
[0061][0062][0063]
f(a,b,c)为误差方程，分别为误差方程的偏导数；
[0064]
改为矩阵的形式：
[0065]
n为方程数。
[0066]
x1、x2、x3、y1、y2、y3、z1、z2、z3为x轴、y轴以及z轴上的坐标。
[0067]
如果在船艏与船尾方向有特殊标注，通过测量特殊标注建立船体坐标系的y轴；
[0068]
如果没有特殊标注，则根据船体对称关系测量并计算出y轴；
[0069]
在已知y轴和z轴的情况下，根据左手坐标系关系，计算出x轴，根据选择的原点与所得坐标轴，将测量的所有数据转换到船坐标系下，分别求得(xi,yi,zi)在三个坐标轴下的分量：
[0070][0071]
深水多波束等大型换能器阵列，其收发换能器由多个模块拼接构成，需使用高精度全站仪测定安装支架关键点在船体坐标系下的高差。所述安装支架的安装过程为：
[0072]
在安装支架上选择多个点进行测量，计算这些点是否在一个平面上，平整性的计算公式如下：
[0073]
如图3，换能器安装支架中，a为支架上的测量点，b为支架表面。平整度调整时，多次测量a部分，计算并调整直到满足技术规范。如果平整性较差，调整以后继续重复测量与计算工作，直到这些点的平整性满足要求。
[0074]
s3包括：船舶内部结构复杂，布设支导线进行坐标和方位传递，从而进行舱内传感器测量。传感器自身测量中心位置不一，有的位于传感器内部，不易测量，因此需提供设备规格，以进行偏心归算，结合外部观测信息和传感器内部的几何关系获得传感器测量中心；有的设备测量中心位于传感器外表面，容易测得，因此使用全站仪无棱镜模式进行观测，gnss天线头测量时，测定船体坐标系中央位置的gnss天线，使用全站仪无棱镜模式在多个导线点上多次观测，然后依据数学关系计算出天线头圆心位置；
[0075]
为了测量换能器、惯导和船坐标系坐标轴之间的安装偏差角，以发射换能器为例，在发射换能器安装到其安装支架上以后，测量四个角点，并将角点值用于安装偏差角的计算，安装偏差角的检校按照先艏向安装偏差，再纵向安装偏差，最后横向安装偏差的检校顺序进行。
[0076]
艏向安装偏差计算过程为：
[0077]
利用发射换能器艏向上所测量的点坐标计算发射换能器艏向的方向向量；
[0078]
将发射换能器艏向方向向量其投影到船坐标系xoy平面上；
[0079]
计算投影后的发射换能器艏向方向向量与船体艏向之间的夹角，获得发射换能器艏向安装偏差
△
yaw；
[0080]
将发射换能器表面上所有观测点(x
t
,y
t
,z
t
)绕z轴旋转
△
yaw，得到(x
t1
,y
t1
,z
t1
)：
[0081][0082]
纵向安装偏差计算步骤为：
[0083]
利用旋转后发射换能器艏向上的测点(x
t1
,y
t1
,z
t1
)求出发射换能器y轴上的方向向量；计算发射换能器艏向方向向量与船坐标系xoy平面的夹角，即纵向安装偏差
△
pitch；
[0084]
按照如下旋转关系对发射换能器上测量的坐标点进行坐标转换，从而得到各测点坐标(x
t2
,y
t2
,z
t2
)：
[0085][0086]
横向安装偏差计算步骤为：
[0087]
利用旋转变换后发射换能器上的测点(x
t2
,y
t2
,z
t2
)，求出发射换能器y轴的方向向量；
[0088]
计算发射换能器与船体坐标系xoy面的夹角，即roll安装偏差
△
roll；
[0089]
根据计算所得的按照
△
roll，按照如下公式进行坐标转换：
[0090][0091]
从而计算出所有的安装角度误差。
[0092]
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。