多波束测深误差改进模型设计方法

摘要

多波束测深误差改进模型设计方法，属于多波束测量数据精度评估方法研究领域。本发明主要针对多波束测深系统改进误差模型，基于精确波束入射角度推导，以常梯度声线跟踪模型为基础，结合Rob Hare经典误差分类，推导了顾及回波检测方式、吃水改正和升沉改正误差综合影响的改进误差模型，有助于发现查找问题和剥离误差源,更准确的分析各误差源导致的误差量级大小，研究成果对数据质量控制、数据检核提供理论依据和技术支撑。

说明书

技术领域

本发明属于多波束测量数据精度评估方法研究领域，尤其涉及多波束传 播不确定度(TPU)计算的方法。

背景技术

多波束测深系统(multi-beam echo sounder,MBES)作为海底地形测量的主 要技术手段，其测量数据的误差分析与评估是重要内容。多波束测深系统测量 误差由多种误差引起，按方向可分为测点平面位置误差和深度误差。其中深度 误差中包括：测船吃水、升沉改正和水位改正引起的全条带型误差，和回波时 间(TOA)和回波角度(DOA)相关测量误差引起的单个波束型误差；平面位置误差 中包括：由水平定位误差和动态偏心改正误差等引起的全条带型误差，和回波 时间(TOA)和回波角度(DOA)相关测量误差引起的单个波束型误差。因此，国内 外学者先后探讨了其误差影响规律及大小，相继提出了相应的改正方法和模型， 在一定程度上提高了数据的精度和可靠性。但均对误差源存在一定程度的近似和简化计算，为了更加准确的评价多波束测量数据质量，并对现阶段多波束测 深系统各误差源影响进行系统区分，本发明综合考虑各项因素对多波束测深的 影响，以Rob Hare经典误差模型为基础，尝试通过精确计算横纵摇影响下波束 入射角、不同回波检测方式导致的误差，考虑升沉和吃水改正中存在误差的系 统性影响，应用常梯度声线跟踪算法计算总传播误差，建立多波束误差改进模 型。

发明内容

本发明主要针对多波束测深系统改进误差模型，基于精确波束入射角度推 导，以常梯度声线跟踪模型为基础，结合Rob Hare经典误差分类，推导了顾及 回波检测方式、吃水改正和升沉改正误差综合影响的改进误差模型，有助于发 现查找问题和剥离误差源,更准确的分析各误差源导致的误差量级大小，研究成 果对数据质量控制、数据检核提供理论依据和技术支撑。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

多波束测深误差改进模型设计方法，步骤如下：

第一步，计算测点归位

首先，建立以接收换能器几何中心为坐标系原点的船体坐标系O→(X,Y,Z)和当地水平坐标系LLS：O→(X

然后，采用常梯度声线跟踪模型根据波束的指向角和往返传播时间，逐层 跟踪测深点相对换能器中心的水平距离和水深，得到测点位置，具体如下：

在当地水平坐标系下，波束与Z轴的夹角为θ

设声速剖面数据C

式中，r

进一步船体坐标系下水深点坐标换算到当地水平坐标系下的坐标，表示如 下：

第二步，构建垂直方向误差改进模型

对于单个条带，多波束测深误差包括水位改正、吃水改正和升沉改正；对 于单个波束，多波束测深误差包括距离测量即回波时间TOA相关和回波角度 DOA相关的误差贡献量；

根据误差传播定律，由(4)式得到水深的累计误差σ

其中，

进一步，设角度误差和测距误差相互独立且服从正态分布，各因素对测深 误差的影响分析如下。

①测距误差TOA

由测距误差

然而，振幅检测和相位检测测距误差计算如公式(8)，同时考虑到实际测量 时，存在参数记录不完全的情况，也能用代表性测距误差

式中

②波束指向角误差

其中，θ

式中，n

③纵摇角误差

④波束角误差

Ψ

⑤声速误差

⑥升沉误差

多波束换能器实时升沉H由同时刻姿态传感器的测量升沉值H

式中，

其中，

值得注意的是，根据多波束测深测点归算作业流程，升沉误差对测深点的 影响成系统性，体现在入射深度上进而影响声线跟踪归算测深点深度上，由此 给出总升沉误差对测深误差贡献量σ

若使用的升沉测量设备有延时升沉计算功能，使用计算得真升沉值进行跟 踪归算，减小实时升沉误差。

⑦吃水误差

draught表示测船静止时的吃水，squat表示测船航行时，由于船速造成的吃 水的改变，load为在航行中，由于油料消耗原因造成的测船吃水的改变与升沉误 差影响方式相同，则总吃水误差对测深误差贡献量σ

⑧水位误差

水位误差包括潮位测量误差、潮位控制误差和垂直基准误差，水位误差总 体用σ

⑨总测深误差

第三步，构建水平方向误差改进模型

根据公式(4)利用误差传播律，则船体坐标系下水平方向累计误差σ

以σ

式中，σ

本发明的有益效果：多波束测深系统改进误差模型设计方法，基于精确波 束入射角度推导，以常梯度声线跟踪模型为基础，结合Rob Hare经典误差分类， 推导了顾及回波检测方式、吃水改正和升沉改正误差综合影响的改进误差模型。 实测数据计算结果表明，改进模型相较Rob Hare误差模型考虑的误差因素更多， 更能精细的刻画测点误差分布规律，误差构成更加完善，更能反应数据中存在 的随机误差分布。通过与交叉点误差对比分析，主检CUBE曲面差值对比等方 式，验证了构建的误差模型的正确性和有效性。改进模型有助于发现查找问题 和剥离误差源,更准确的分析各误差源导致的误差量级大小，设计方法对数据质 量控制、数据检核提供理论依据和技术支撑。

附图说明

图1为当地水平坐标系(LLS)及波束实际入射方向；

图2为多波束测深垂直误差源分类及改进；

图3为多波束测深水平方向误差源分类及改进；

图4为实验1、2号比对测线水深图；

图5为1号测线改进模型和Rob Hare模型垂直、水平方向中误差，其中(a) 1号测线改进模型垂直中误差、(b)1号测线改进模型水平中误差、(c)1号 测线RobHare模型垂直中误差、(d)1号测线RobHare模型水平中误差；

图6为1号测线第60ping波束改进模型主要误差分解图，其中(a)1号测 线第60ping波束改进模型水平中误差(垂直航迹方向)、(b)1号测线第60ping 波束改进模型垂直中误差(垂直航迹方向)；

图7为模型计算误差与交叉点不符值中误差比对，其中(a)交叉点不符值 中误差投影、(b)改进模型计算交叉点中误差投影、(c)Rob Hare模型计算 交叉点中误差投影；

图8为改进模型与Rob Hare模型CUBE曲面比对结果；

图9为本发明模型的流程图。

具体实施方式

为使本发明模型解决的问题、采用的方法方案和达到的效果更加清楚，下 面结合附图和实验对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述 的具体实验仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是， 为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

多波束测深误差改进模型设计方法，具体包括以下步骤：

第一步，计算测点归位

首先建立以接收换能器几何中心为坐标系原点的船体坐标系(载体固联坐标 系)O→(X,Y,Z)和当地水平坐标系(LLS)O→(X

然而由于海水温度、盐度等分层不同，声波在海水中传播为一条曲线，直 接的坐标旋转将引入误差，为了精确获取测深点位置，精确计算横纵摇影响下 波束入射角，通常采用常梯度声线跟踪模型归算测点位置。为此，本步骤采用 常梯度声线跟踪模型归算测点位置。

常梯度声线跟踪模型的原理是根据波束的指向角和往返传播时间，逐层跟 踪测深点相对换能器中心的水平距离和水深。如图1所示，考虑到测船姿态的 影响，在当地水平坐标系下，该波束与Z轴的夹角为θ

假设声速剖面数据已知，即可通过单个波束回波时间根据已知声速剖面应 用常梯度声线跟踪公式。设该波束到海底共经过n层(第n层未全部跟踪时单独 作为一层),声波入射时声速为C

式中，r

进一步船体坐标系下水深点坐标可以换算到当地水平坐标系下的坐标，表 示如下：

第二步，构建垂直方向误差改进模型

如图2所示，斜四边形项表示改进模型与Rob Hare模型相比改进较大项： 对于单个条带，多波束测深误差主要由水位改正、吃水改正和升沉改正引起， 考虑到升沉和吃水改正中，误差对测深点的影响与其声线跟踪起算面相关，对 垂直方向误差贡献量呈系统性，改进模型对此综合分析；对于单个波束而言， 可分为距离测量即回波时间(TOA)相关和回波角度(DOA)相关的误差贡献量，改 进模型考虑了不同检测方式(振幅法/相位法)引起的误差；由于常梯度声线跟 踪算法引入，求解声速剖面误差导致误差采取逐层累加的方式，相比Rob Hare 模型近似计算更新较大。

各灰色项为考虑常梯度声线跟踪公式更新项：对表层声速误差导致的测距 和测角误差和横、纵摇测量误差及安装偏差误差引起的误差公式进行更新。改 进模型与RobHare模型相比更贴近实际测量情况,误差构成更加完善。

根据误差传播定律，可由(4)式得到水深的累计误差σ

进一步，假设角度误差和测距误差相互独立且服从正态分布，各因素对测 深误差的影响分析如下。

①测距误差

多波束测深系统由测距误差

然而，由于振幅检测法(amplitude detection)和相位检测法(phase detection)检 测原理和导致的误差大小不同，分别给出计算公式(8)，同时考虑到实际测量时， 存在参数记录不完全的情况，也可以用代表性测距误差

式中

②波束指向角误差(包含横摇误差)

式中，n

③纵摇角误差

④波束角误差

Ψ

⑤声速误差

⑥升沉误差

由图2所示，多波束换能器实时升沉H由该时刻姿态传感器的测量升沉值H

式中a为升沉标称精度中的固定部分，(b*heave)为其可变的部分，取两者之 间的最大值。而对于诱导升沉而言，根据误差传播律可得：

值得注意的是，根据多波束测深测点归算作业流程，升沉误差对测深点的 影响成系统性，体现在入射深度上进而影响声线跟踪归算测深点深度上，由此 给出总升沉误差对测深误差贡献量σ

若使用的升沉测量设备有延时升沉(delayedheave)计算功能，使用计算得真 升沉值(trueheave)进行跟踪归算，可减小实时升沉误差，以POS MV WaveMaster Ⅱ为例，其精度可以达到0.01m。

⑦吃水误差

draught表示测船静止时的吃水，squat表示测船航行时，由于船速造成的吃 水的改变，load为在航行中，由于油料消耗等原因造成的测船吃水的改变与升沉 误差影响方式相同，其总吃水误差对测深误差贡献量σ

⑧水位误差

多波束测深数据处理时，由于水位改正在声线跟踪之后进行，考虑到水位 误差与升沉改正和吃水改正存在误差的影响方式不同，可以直接确定其影响， 其中可以分为潮位测量误差、潮位控制误差和垂直基准误差，总体用σ

⑨总测深误差

第三步，构建水平方向误差改进模型

如图3所示，斜四边形项表示改进模型与Rob Hare模型相比改进较大项： 对于单个条带，多波束水平方向误差主要由水平定位误差、坐标动态偏心改正 误差引起，与垂直方向误差类似考虑到升沉和吃水改正对其声线跟踪起算面影 响，进而系统性影响水平位置归算，改进模型对此综合分析；对于单个波束而 言，水平方向误差可分为距离测量即回波时间(TOA)相关和回波角度(DOA)相关 的误差贡献量。改进模型同样顾及检测方式应用公式(8)和(10)，改进水平方向的 误差贡献量；在水平方向引入由于常梯度声线跟踪算法，求解声速剖面误差导 致误差采取逐层累加的方式，相比Rob Hare模型近似计算更新较大。

灰色项为考虑常梯度声线跟踪公式更新项：在水平方向上表层声速误差导 致的测距和测角误差和横、纵摇测量误差和安装偏差误差。

根据公式(4)利用误差传播律，则船体坐标系下水平方向累计误差σ

以σ

式中，

实验数据来源于2020年6月大连某地实测数据，多波束测深仪采用Reson T50-P，定位定姿系统采用POS MV WaveMasterⅡ，声速测量使用AML Minos·X 声速剖面仪。根据仪器标称精度和偏差校准经验，给出模型涉及的各误差源数 值大小如表1所示。

表1多波束测深系统主要误差源参数表

选取本次测量1、2号交叉测线，应用常梯度跟踪模型，经过标准水深处理 改正流程获得，航迹线、水深如图4所示，水深范围17.8～19.5m。

改进模型正确性验证。将表1误差值分别带入改进模型和Rob Hare模型， 其中测角和测距误差改进模型应用公式(8)、(10)中精确计算各方向误差贡献量， Rob Hare模型应用其代表性误差，其目的是减小误差值选取对模型比对的影响， 计算1号测线上测深点垂直和水平中误差如图5所示。由图5可以看出以下规 律：

(1)在垂直和水平方向两个模型的波束误差分布趋势相同，总体呈中央波 束误差小，边缘波束误差大的特点。

(2)在垂直方向上，如图5中的(a)所示，改进模型误差中央波束小于Rob Hare模型误差，且改进模型分布不规律。原因在于改进模型考虑不同回波检测 方式对测深误差的影响规律，中央波束附近采用振幅检测，其波束测距误差引 起测深误差小。

(3)在量级比较上，两模型水平方向误差均高于垂直方向，这主要是因为 不同测深点平面位置叠加了±0.1m的GNSS定位误差。

(4)改进模型变化幅度比Rob Hare模型快是因为改进模型在水平方向上考 虑了升沉误差和吃水误差对声线跟踪起始位置的影响，导致水平方向误差比Rob Hare模型大。

(5)随机选取第60ping共512个波束对其误差进行分解如图6中的(a)、(b) 所示。在水平方向上(a)：随着波束入射角增加，改进模型中由吃水改正误差引 起误差逐渐增大，是改进模型总误差边缘大于Rob Hare模型的主因。在中央波 束附近总水平误差突起是由于振幅检测测角误差比相位检测方式误差贡献量大 造成；在垂直方向上(b)：振幅检测导致的测距误差小于其代表性误差贡献量， 是改进模型中央波束总误差小于Rob Hare模型的主因。改进模型边缘波束总误 差逐步大于Rob Hare模型是由于随着波束入射角增加，相位检测的边缘波束采 样数相比中央波束减少和改进模型使用常梯度声线跟踪，在边缘波束比Rob Hare模型跟踪距离长，误差累积大共同造成的。

以上对比分析表明，改进模型较Rob Hare模型在水平和垂直航迹方向根据 各自波束特点考虑了更多的误差因素，更精细的刻画了单个波束的误差分布规 律。

在多波束测量误差分析与评估中，通过模型计算得出的中误差为先验式误 差，即得到该水深点存在的理论中误差值，而交叉点不符值评估为后验式误差， 即可获得该点实际测得中误差值，两种方式都是衡量数据的偶然误差分布规律， 其中误差的置信度相同，在统计上应呈现一定程度的相关性。因此为了说明改 正模型能客观评价数据的误差分布，将其与通过交叉点不符值求得的中误差进 行对比分析。

(1)交叉点不符值中误差计算

1，2号测线交叉点共计152201个，以每一个交叉点为圆心，搜索一定半径 范围内的交叉点不符值(交叉点个数一般不小于50)，利用圆内交叉点不符值 计算得到该交叉点的中误差。计算得到的区域交叉点不符值中误差如图7所示。

(2)改进模型计算交叉点中误差

利用本文提出的改进模型和Rob Hare模型分别计算1，2号测线测深点水平 和垂直中误差，为便于水深误差计算，类比于合成不确定度，首先应用误差传 播率，将水平中误差转化为垂直中误差，即将水平中误差与海底地形斜率建立 联系，斜率越大则水深定位点误差受水平方向中误差影响越大。若计算点周围 海底地形的平均斜率为，则总的测深点水深误差的计算公式为：

绘制改进模型和Rob Hare模型计算交叉点中误差等值线图，如图7所示。

(3)对比分析

由图7中的(a)、(b)、(c)对比分析可以发现：①通过公式(22)计算的交叉 点中误差与两误差模型计算量级相当，整体分布规律基本相似，呈现四周边缘 大、中间小、四角略大的整体变化趋势，原因在于中间为两条测线中央波束相 交区域，四角为边缘波束相交区域(参见图4中测线分布)，中央波束数据精 度一般高于边缘波束，导致误差整体呈现一种凹球面分布状态，符合误差分布 规律；②交叉点中误差局部分布规律相似，如两图中标出的细线圆形区域，原 因在于交叉点误差受海底地形倾角影响，海底地形变化越剧烈(图4)，局部交 叉点中误差越大；③图7中的(a)、(b)中粗线圆形区域表示改进模型和真实数据 计算交叉点不符值相似区域，而在(c)中不存在类似相似，其原因是图中粗线 圆形区域为改进模型相比Rob Hare模型改进较大区域(图5、图6)。以上分析 表明，改进模型能客观评价多波束测量数据质量，更精细的刻画了单个波束的 误差分布规律。

此外，本发明还基于CUBE模型生成曲面来对本文推导的改进模型和Rob Hare模型进行分析比对。

为了进一步定量验证改进模型，本文在1、2号测线重叠区域建立比对区域， 以不同格网点间隔(node spacing)为变量，取格网点最小捕捉半径(Capture Distance Min)5、最小捕捉半径系数(Capture Distance Scale)0.5、水平不确定 度传播比例系数(hes)2.95和估计偏移值(estioff)4，4个核心参数不变，其 余判断阈值为默认值，分别建立1、2号测线交叉区域cube曲面，计算重叠CUBE 曲面交叉点不符值均值和中误差，如图8所示。

从图8中发现，随着格网间距的缩小，两模型不符值中误差呈现减小趋势， 说明两模型均能提高数据质量，其中改进模型不符值中误差下降幅度较Rob Hare模型更快,在格网间距为0.5米时减弱了约2％中误差，以上表明，改进模型 对数据中偶然误差的刻画更为详尽且符合真实情况，验证了改进模型误差组成 更完善的优势。

最后应说明的是：以上各实验仅用以说明本发明的方法方案，而非对其限 制；尽管已经对本发明进行了详细的说明，本领域的普通方法人员应当理解： 其对前述所记载的方法方案进行修改，或者对其中部分或者全部方法特征进行 等同替换，并不使相应方法方案的本质脱离本发明方法方案的范围。