孙涛
摘 要：通过介绍遥控测深船的构成和运行原理，结合部分理想环境下检测实验和滴水湖景观带水深测量工程的实例，阐述遥控测深船的工作原理和适用环境，论述其测量数据质量的可靠性和在相关水深测量工程中应用的可行性，说明此方法相比于传统人工水深测量的优势所在。
关键词：海绵城市；水深测量；遥控测深船；NMEA0183；单波束声呐
中图分类号：P208 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）21-0088-02
1 概述
当下，很多城市都出现过这样的情况，每当下大雨的时候整座城市就会变成一片“汪洋”，给人们的生活带来了诸多不利。在这样的背景下，“海绵城市”的概念就应运而生。然而，“海绵城市”的建设是一个长期的过程，我们首先需要掌握城市水体的具体情况。水深测量就是掌握城市自然水体和河道情况的具体方法、手段。水深测量作为海绵城市建设中不可或缺的重要手段，其应用正在不断得到深化和扩大。不论是在河道疏浚、港口设计选址、内陆防洪还是人工湖泊、围海造田等工程，都需要进行大面积的水深测量。通过水深测量可以得知某位置水面以下的深度，从而衍生得出水下地形地貌、航道上障碍物或水体体积等相关信息。
传统的水深测量一般是人工利用测深锤或测深仪对个别点位进行水深测量，这种测量方式费时费力，而且获取的水深数据极其有限，无法满足大面积水域测量的要求。从传统的水深测量逐步发展到超声波测深，但依然需要船只进行拖拽，定位方式也只有精度较低的微波定位。随着自动化技术的发展，尤其针对水上、水下作业等特殊环境下的测量，遥控、遥测技术已经成为一种必然的趋势，它不仅把测量人员从繁重、危险的工作中解放出来，而且还可以自动化采集大量数据。本文即以滴水湖景观带水深测量工程为例介绍一套遥控测深船系统。
2 遥控测深船系统构造
遥控测深船由四个部分组合而成，它们分别为船体模块、声纳测深模块、平面定位模块和无线遥控模块。
2.1 船体模块
船体模块由船体、动力、主控和船体回归单元构成。其中船体单元是工程塑料制作的密闭、稳定的船体，船舱中承载了动力单元、声纳测深模块和平面定位模块，各个系统合理的分布在船体中。经过调整和测试，船体的吃水深度为0.15m。
动力单元由两块高容量锂电池作为船体的动力来源，两个马达配套螺旋桨作为船体的动力输出系统，螺旋桨后设置两个舵来控制船体行进方向。
主控单元是船体的中枢神经。它包含通讯单元、船体回归单元。通讯单元将各个传感器采集的数据汇总起来，统一处理后再将数据分发给各个系统。它主要起到各个系统之间数据和指令传输的功能，其中包含对无线遥控模块发出指令的接收，同时将该指令处理后传达给动力控制单元从而控制船体动作；也包含将各个传感器采集到的数据存储在主控单元的SD卡上，然后将这些处理后的数据传送给无线遥控模块。
船体回归单元是此测深船中比较特殊的单元。它是记录本次船体运行的起点，然后监测电源剩余电量是否不够返程或无线遥控模块对船体失去无线链路控制时，主动发出指令使船体返回起点的单元。这个单元保证了船体在发生一些异常状态的情况下可以自动回归的行为。
2.2 声纳测深模块
声纳测深模块包含了回声测深仪、水温计和电子罗盘。回声测深仪可以根据水体的深度、浑浊程度和淤泥厚度通过无线遥控模块调整其信号强度，从而达到测量真实水深的目的。本回声探测仪的测量范围为0.5～80m。水温计是通过测量水体温度对不同温度的水体中声速进行改正，其改正关系是：
校正水深=测定水深-（测定水深×0.0033）×（15-水温）
即当水温为15℃时，声音在水中传播速度为1500m/s。
电子罗盘的作用是记录船体在运行期间的方位和姿态等信息。风浪或船体转弯时会给船体带来一定的横向和前后摇摆，这就使得测深仪测定的水深并非为垂直水深。因此，需要考虑到对船体姿态引起测深误差的改正。
2.3 平面定位模块
平面定位模块是通过安装在船体顶部，与测深仪同轴位置的GPS接收机组成。GPS采用美国国家海洋电子协会为海用电子设备制定的标准数据格式NMEA0183。该协议采用ASCII码，其中包含$GPGGA、$GPGSA和$GPRMC三类信息，这三类信息分别对应全球定位数据、卫星PRN数据和运输定位数据。这些数据中包含了WGS84坐标系下的大地坐标、观测卫星数、PDOP值、测位是否为差分解等，它们都存储在船体主控单元的SD卡上。
2.4 无线遥控模块
无线遥控模块由一台安装控制程序便携机，由一个无线路由器连接便携机和船体组成数据、指令的链路。其中便携机既是人工控制船体的载体，又是测深船采集、处理数据后显示、存储数据的单元。即作业人员通过键盘或者手柄发出指令控制船体的行进方向、速度和测深仪信号的强度，同时主控程序同步显示船体采集处理后的实时数据，如船体的行进路径、速度、电门大小、舵方位、起点位置、当前位置和水深、水温，当前电源的剩余电量等各类信息。
3 工作原理
3.1 平面定位原理
平面定位采用双频水上GPS接收机，设置为采样间隔为1秒，采用广域差分定位技术（SBAS），从而得到能够满足水深测量并且有较高精度的平面定位。其中广域差分增强系统是由大量分布极广的差分站（位置已知）对导航卫星进行监测，获得原始定位数据（伪距、载波相位观测值等）并送至中央处理设施（主控站），后者通过计算得到各卫星的各种定位修正信息，通过上行注入站发给GEO卫星，最后将修正信息播发给广大用户，从而达到提高定位精度的目的。GPS的观测定位原理是通过GPS接收机观测多颗卫星，通过后方交会的原理确定接收机位置。所不同的是广域差分增强系统将电离层延迟、卫星钟差等改正信息一同发送给用户进行改正，从而得到改正后的GPS观测值。
3.2 水深测量原理
水深测量即测量测深仪从发出一束超声波脉冲到其到达水体底部后返回测深仪的时间间隔，从而确定超声波脉冲在这段时间内行进的距离。在水温为15℃，不考虑含盐水体和水深对声速影响的情况下，声音在水中的传播速度为1500m/s，得出水深h=1/2×1500×t[1]。通过测定水温，可以进行水深测量的温度改正。对于水体盐度和水压等其他影响测量精度的因素，通过经验公式可以看出在一定的精度范围内可以忽略。
4 实验检测
4.1 平面定位检测
为初步检测测深船平面定位精度是否满足日常水深测量的需要，特制定了检测方案如下：选取周边地形开阔的若干地点，分别将船体开机后静置十分钟，然后在对应船体GPS接收机的位置利用上海市CORS基准站数据进行平面位置测量，最终取得若干组船体和RTK对若干点位测量的平面位置。具体数据见表1。
通过表1我们可以看到三个点位中，船体GPS测量值和RTK测量值纬度最大差值为-0.0134秒，初步估计对应城市平面坐标约为36cm；经度最大差值为-0.0129秒，初步估计对应城市平面坐标约为40cm。考虑到平面定位精度，暂参考《JTJ203-2001水运工程测量规范》中要求，在大于1：5000比例尺的工程中，测深定位点点位中误差限制要小于图上1.5mm，对于1：1000比例尺地形图，点位误差要小于1.5m[2]，可见测深船的平面定位精度完全满足水运工程测量的要求。
4.2 水深检测
水深检测选取一个蓄满水的标准游泳池，在其水面静止时将测深船分别放置在三个不同深度的区域进行水深测量。同时，使用测深杆或金属水准尺进行水深校核。最终在三个不同位置测得的水深见表2：
通过表2，我们可以看到在常规理想情况下，两种方式测得的水深最大差值仅为2cm。《JTJ203-2001水运工程测量规范》中要求在水深小于20m时，深度误差限差为±0.2m；在水深大于20m时，深度误差限差为±0.01×深度。由此可见，测深船的水深测量精度也完全满足水运测量的要求。
以上检测均为理想环境中的初步检测，不考虑其他额外因素，仅从半理想状态验证了测深船的平面和水深测量精度。因此，测深船的适用性、可用性等还需要进一步在实际工程环境中检验。
5 应用实例
本工程为上海市浦东新区临港地区滴水湖沿湖景观带改造工程。由于改造的需要，本工程需要测定湖区沿环湖一路长度约4公里，沿岸宽度80m范围内的水深。
图1为本工程中局部地区的数据，图中可见在两条航迹交会地点，位置1中所测深度相差1cm，位置2中取0.85和0.87的平均数为0.86，故位置2所测深度相差1cm。其余数据中航迹交会的地方情况也大致如此。因此，在短时间不考虑水位变化影响的情况下，测深船深度测量的内符合性可以得到验证。同时，在测深船采集数据的同时，为检测测深船的可靠性，我们同时抽取测深船航行路径上个别点位利用测深杆进行数据校核。最终得到两组水深数据的互差都在±10cm以内，因此，可以确认测深船的测量数据基本可靠。
6 结束语
通过介绍本遥控测深船系统的构成和运行原理，结合实验确定其满足常规水深测量的要求。在实际使用过程中，无人遥控测深船可以满足绝大多数野外情况的水深测量。相比于传统的人工测量方法，测深船将作业人员从大量而危险的劳动中解放出来，更为难得的是将野外数据采集的密度由原来的散点方式变为现在的线性方式，使作业人员更容易发现水下地形变化的趋势。可以预见无人遥控测深船在今后的生产中将不断发挥其难以替代的作用。
参考文献：
[1]桑金.水深测量中的声速改正问题研究[J].海洋测绘，2006，6（3）.
[2]JTJ203-2001.水运工程测量规范[S].北京：人民交通出版社，2001.
