海洋水深测量的误差分析及其改正

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1、海洋水深测量的误差分析及其改正摘要近年来，海洋管道项目越来越多，单波束、多波束测深系统已广泛应用于水下地形测量中。本文基于海洋水深测量的特点，定性和定量的分析了波束角效应、测深延迟效应、波浪效应、潮位模型选择、坐标系统转换等因素对水深数据的影响，最后提出了海洋水深测量中应注意的问题及解决的方法。一、引言海洋管道测量的基本工作其实就是给设计部门提供准确的水下地形图。水下地形测量主要包括平面定位和测深两大部分，其中测深是重要的内容。目前市场上主流测深系统还是采用回声测量原理，利用水声换能器垂直向下发

2、射声波并接受水底回波，根据回波时间和声速来确定被测点的水深，然后根据各点对应的水深值来准确绘制出水下地形图。在这里需要强调的是，由于测量仪器、测量环境等因素的影响，往往外业得到的水深数据必须经过相关误差改正后才能使用。二、现代海洋水深测量的特点除了与现代陆地测量具有的高精度、自动化、高效率等特点外，现在海洋水深测量还具有以下特点：(1)全天候、测量作业连续(2)误差源复杂(3)测量环境多变(4)海底地形看不见，很难掌握其实际情况，测量性质属于水下声波遥感(5)测量观测值较多，集定标、导航、测深及

3、潮汐观测四种测量手段于一体，需要较强的数据采集、存储、查询、分析处理和管理能力。三、误差分析及其改正现代海洋水深测量误差主要来自四个方面（见表1）：(1)深度测量方面的误差；(2)定位方面的误差(3)潮位观测及改正模型的误差(4)测量环境效应误差，包括由船速效应、波浪效应、定位中心偏心效应及测深延迟效应引起的测量误差。表1现代海洋水深测量主要误差因子分析误差种类主要误差因子测深误差测深仪测深（仪器标称值）；测深仪换能器动态吃水；海水声速。定位误差GPS接收天线多路径效应；差分方法（伪距/相位差分

4、）；电离层改正模型；单频/双频机；卫星几何强度；定位点到GPS差分基准站的距离；差分信号发送间隔；不同坐标系间坐标转换。潮位改正误差潮汐观测值；潮位改正模型；理论深度基准面。测量环境效应误差波浪效应；定位中心偏心效应；测深延迟效应；船速效应；波束角效应。1.船速效应船速效应是由于船速过快及声波传播时间的影响引起测深仪在异地（T2）接受到前一时刻（T1）所发射的测深回波信号，见图1。设测深仪波束角为θ，声速为1500m/s，船速V，测深点水平位移为d＝ΔS/2，H2为测深仪观测值（T2时刻），H1

5、为T1时刻所对应的实际深度,从T1到T2时刻，声波传播路径总长度近似为H1和H2之和。由于船速效应,深度点（声波反射点）从P2位移到P3，原测量点（定位点）T1上所对应的水深值变为H2（T2处收到T1处发射的声波束覆盖区的边缘信号，它遵循入射角等于反射角原理），在图1的直角三角形P1P2P3中，H1=P1P2，S=2×P2P3，故可得到下列等式：图1船速效应原理（1）（2）（3）（4）（5）当顾及测算仪波束角时，有等式：（6）当船速为30kn，水深为75m，位置误差可达0.77m，深度误差仅为0

6、.01m。因此，当船速小于30kn，水深小于75m的海区,船速效应误差可忽略不计。在实际中如果需要考虑其影响,可采用公式(4)与(5)作为其误差改正模型。理论上,由公式(5)与(6)可得最大船速(考虑单波束边缘信号)：（7）当波束角为12°时,由(7)式可算得最大船速为157.66m/s，即测量船以306kn的速度航行均可接收到测深信号。但是在实际上，由于船速加快，各种不利于测深的噪音将会增大，测深回波信号相对变弱，从而影响深度测量。我们建议测量船速度应尽量地加大到测深仪能正常工作为限，以利于提

7、高测量工作效率，但究竟能加到多快，视测量所处环境（例如，测深仪接收灵敏度、海底地质、海水介质理化特性、测量船本身噪声等情况）而定。2.测深延迟效应测深延迟效应是测深时刻与定位时刻不同步所引起的测量误差"定位与测深是否同步有两个含义：一是指发送给接收机的定位标记时刻与发送给测深仪的测深标记时刻（这两个时刻一般以世界标准时整秒时刻给出）是否同步；二是指测深仪本身发射声波时刻滞后于世界标准时的整秒时刻所引起的测深点移位效应。两种情况的效应结果类似，本文讨论第二种情况。在图2中，L1测线测量船向南航行，

8、在A1处测量系统发出测量信号，在整秒时刻及时定位，而测深仪的发射声波信号却滞后S，实际水深测量点在A2处，设航速为V，则测深延迟效应所致的测量点水平方向（向南滞后）位移量为。若航速为10kn，延迟为0.1s，则：图2测深延迟效应原理及等深延迟效应前（A图）、后（B图）等深线对比同样，在测量船向北航行的相邻测线L2中，测量信号在与L1的A1点相对应的B1点发出，此时的滞后效应产生向北偏移约1m，由于一南一北，相邻测线测量点水平误差效应将达2m，其后果会造成水深等深线呈锯齿状走势，图2中A图为实际等