单波束测深数据延时研究
陈星荣 平先才 梁向棋 吕娇 舒晓明
摘 要：在使用单波束测深仪进行水深测量时，由于定位系统与测深系统属于两个独立的系统，产生的系统性延时效应，成为水深测量中的一种误差。本文对单波束测深系统性延时进行了分析，利用后处理软件对系统性延时进行延时补偿，以解决单波束测深系统性延时的问题，并在长江太平口水道进行了相关试验，说明本文所述的内容。
关键词：单波束测深；系统性延时；延时补偿
中图分类号：[TN98] 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）7-0052-02
由于GNSS接收机测量计算过程中的时延、测深设备及测量软件在定位数据和水深数据的传输采集率的不同步，导致水深测量的真实位置（理论值）与测量位置不一致，产生了偏移，这种偏移为延时效应。水深测量中最基本的内容就是定位与测深，由于定位和测深分属两个不同的系统（通常定位系统具有光学、电磁波特性，而测深系统具有声学特性，并且前者工作在水面之上，后者工作在水面之下），始终存在着不同程度的延时效应。
延时效应对水下地形测定的影响随定位及测深手段不同而不同。过去，自动化程度低，人工干预严重，使得延时效应大多呈现为偶然性，常规为定位误差这一概念。现在，随着高新技术测量手段的应用，自动化程度大为提高，延时效应常呈现为系统性。本文首先对延时效应进行分析，进而给出对系统性延时效应的改正方法。
1单波束测深系统性延时原理
1.1测深系统性延时组成
①测深仪数据延时；②GNSS定位延迟；③采集软件系统处理时间；④换能器安装偏差。
1.2延时原理
测深仪声呐探头将测到的水深数据传输给测深主机，测深主机通过内部虚拟串口将水深数据结合物理串口由GNSS采集到的定位数据，输入到采集软件中，完成原始测深数据的采集。但是，测深仪的数据以及GNSS定位数据输入到采集软件中的时间并不是一致的，而是存在时间差，这个时间差就是测深系统的延时。延时会导致水深真实位置的偏移，水深与定位数据的不正确匹配，反应到后处理中，会出现平滑的等深线出现明显的小锯齿，如果延时很大，锯齿的现象会更加明显。
测深仪的数据延时主要是量程延时，测深仪会在一个Ping完成整个量程的搜索之后才会将数据传输出入并进入下一Ping的搜索。所以在某个时刻点采集到的水深数据，实际存在了声波在该量程中传播的时间加上数据处理的时间延迟。以100m的量程为例，这个固定的时延时0.16S。这个值就是测深仪在测深系统中的延时。GNSS同样也存在着时延，某个时刻点，GNSS将解算好的定位数据传入到采集软件中，也存在一个滞后的时间。这种情况下，GNSS延时减掉测深仪的延时，依然存在着较大的差值，这个差值就是测深系统的整体延时，从而极大影响了水深数据的质量。
换能器安装中的角度偏差也会造成测深数据的误差。当换能器安装时朝着船头方向倾斜时，会造成水深数据比船位置的提前，这种影响尤其是在水底地形坡度较大的测区非常明显，以波束角8度的换能器为例，在安装偏差5度，水底坡度为40度的水底，每1米真实水深其测量误差经计算为0.11米，偏差越大，坡度越大，其误差就越大。但是，换能器安装的偏差很难测量，只能把它归于测深系统的误差进行系统的校正。
2单波束测深系统延时解决方案
为解决测深过程系统性延时导致的数据延时的问题，本次试验提出了三种解决方案：
（1）采集过程的优化：延时现象在水下地形起伏变化较大的地方更加突出，所以在实际测量过程中，在具有这种特征的水域中测量时，降低船速，能够明显的缓解测深仪数据延时和GNSS定位延迟。
（2）系统固定时延输入：根据实际测量过程中设置的采集量程，设置固定的延时值，该值需要随着测深量程的改变而改变。该方法主要针对换能器安装偏差。
（3）数据后处理消除延时：采集到具有延时的数据，可以通过后处理软件对原始数据进行延时补偿。
上述三种方法均可以解决测深过程系统性延时的问题，但在具体的测深过程中方案1并不能解决定位系统与测深系统的系统性延迟；方案2仅能解决已知固定的延时，需要在后续的数据处理阶段再利用方案3解决。因此，本次试验利用后处理软件对原始数据进行延时补偿，以解决数据延时的问题。试验地点在长江太平口水道，这里用南方自由行的Processlag.exe软件为例进行介绍，数据采用的是太平口的一段用南方自由行軟件采集到的具有严重延时的数据。
3试验案例
该软件可以将自由行采集到的原始数据，通过输入滞后校正系数，即系统延时值，进行滞后处理，生成新的经过延时补偿的原始数据。
针对太平口.org文件，进行1，1.5，2这三个值的延时改正，分别生成改正后的原始文件，并通过南方自由行的后处理模块取样，生成DAT文件，最后在surfer8中成图生成等深线，以下是对这些等深线曲线图的分析。
图2红色方块中，在一条等深线上出现剧烈震荡的小锯齿的现象，就是延时问题的实际反映。除了红色标记区域，其他区域也有非常明显的延时特征出现。
利用Processlag软件进行1s的延时校正后，得到太平口1.org 延时补偿数据文件，将两张图叠加到一起进行对比如图3。
黑线代表2S延时改正后的数据，锯齿特征明显缓解了很多，但局部区域还具有，甚至在某些地方出现了相对原始数据来说的“反锯齿”特征。
用1.5S延时补偿数据再次进行对比如图7。
局部放大对比如图8。
很明显，黑线几乎没有了小锯齿的延时特征了，说明太平口的这段延时数据存在了1.5S左右的一个系统延时。
本次试验利用南方自由行的Processlag.exe软件对南方自由行软件采集的长江太平口的延时数据进行延时补偿。试验证明，利用后处理软件解决单波束测深数据延时的问题是确实可行。
4结束语
目前在水深测量中已经普遍使用DGPS系统进行定位，而测深系统与定位系统必然存在系统性延时，系统性延时效应的存在使得水深测量的可靠性下降。如果延时过大，会导致水深数据的错位和失真，在成等深线图时，出现严重的锯齿现象，甚至水深的大幅度扭曲。本文提出了利用工具软件，将原始数据进行固定的时延补偿，这个时延值需要利用带入法，根据等深线的特征对比，实验出最佳的改正值，这种通过后处理补偿原始数据的方法，用该方法试验结果证明消除系统性延时的影响得到实现。
参考文献：
[1]刘雁春，陈永奇.海道测量定位与测深的延时效应[J].海洋测绘，1999（01）.
[2]徐晓晗，刘雁春.海洋测深中时移和偏移效应综合分析与改正[J].海洋测绘，2002（02）.
[3]金绍华，刘雁春，黄谟涛，暴景阳.海洋测量延时效应的研究[J].海洋测绘，2004（01）.
[4]吴卫平.GPS水深测量系统及其平面定位精度分析[J].水运工程，2008（10）.
摘 要：在使用单波束测深仪进行水深测量时，由于定位系统与测深系统属于两个独立的系统，产生的系统性延时效应，成为水深测量中的一种误差。本文对单波束测深系统性延时进行了分析，利用后处理软件对系统性延时进行延时补偿，以解决单波束测深系统性延时的问题，并在长江太平口水道进行了相关试验，说明本文所述的内容。
关键词：单波束测深；系统性延时；延时补偿
中图分类号：[TN98] 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）7-0052-02
由于GNSS接收机测量计算过程中的时延、测深设备及测量软件在定位数据和水深数据的传输采集率的不同步，导致水深测量的真实位置（理论值）与测量位置不一致，产生了偏移，这种偏移为延时效应。水深测量中最基本的内容就是定位与测深，由于定位和测深分属两个不同的系统（通常定位系统具有光学、电磁波特性，而测深系统具有声学特性，并且前者工作在水面之上，后者工作在水面之下），始终存在着不同程度的延时效应。
延时效应对水下地形测定的影响随定位及测深手段不同而不同。过去，自动化程度低，人工干预严重，使得延时效应大多呈现为偶然性，常规为定位误差这一概念。现在，随着高新技术测量手段的应用，自动化程度大为提高，延时效应常呈现为系统性。本文首先对延时效应进行分析，进而给出对系统性延时效应的改正方法。
1单波束测深系统性延时原理
1.1测深系统性延时组成
①测深仪数据延时；②GNSS定位延迟；③采集软件系统处理时间；④换能器安装偏差。
1.2延时原理
测深仪声呐探头将测到的水深数据传输给测深主机，测深主机通过内部虚拟串口将水深数据结合物理串口由GNSS采集到的定位数据，输入到采集软件中，完成原始测深数据的采集。但是，测深仪的数据以及GNSS定位数据输入到采集软件中的时间并不是一致的，而是存在时间差，这个时间差就是测深系统的延时。延时会导致水深真实位置的偏移，水深与定位数据的不正确匹配，反应到后处理中，会出现平滑的等深线出现明显的小锯齿，如果延时很大，锯齿的现象会更加明显。
测深仪的数据延时主要是量程延时，测深仪会在一个Ping完成整个量程的搜索之后才会将数据传输出入并进入下一Ping的搜索。所以在某个时刻点采集到的水深数据，实际存在了声波在该量程中传播的时间加上数据处理的时间延迟。以100m的量程为例，这个固定的时延时0.16S。这个值就是测深仪在测深系统中的延时。GNSS同样也存在着时延，某个时刻点，GNSS将解算好的定位数据传入到采集软件中，也存在一个滞后的时间。这种情况下，GNSS延时减掉测深仪的延时，依然存在着较大的差值，这个差值就是测深系统的整体延时，从而极大影响了水深数据的质量。
换能器安装中的角度偏差也会造成测深数据的误差。当换能器安装时朝着船头方向倾斜时，会造成水深数据比船位置的提前，这种影响尤其是在水底地形坡度较大的测区非常明显，以波束角8度的换能器为例，在安装偏差5度，水底坡度为40度的水底，每1米真实水深其测量误差经计算为0.11米，偏差越大，坡度越大，其误差就越大。但是，换能器安装的偏差很难测量，只能把它归于测深系统的误差进行系统的校正。
2单波束测深系统延时解决方案
为解决测深过程系统性延时导致的数据延时的问题，本次试验提出了三种解决方案：
（1）采集过程的优化：延时现象在水下地形起伏变化较大的地方更加突出，所以在实际测量过程中，在具有这种特征的水域中测量时，降低船速，能够明显的缓解测深仪数据延时和GNSS定位延迟。
（2）系统固定时延输入：根据实际测量过程中设置的采集量程，设置固定的延时值，该值需要随着测深量程的改变而改变。该方法主要针对换能器安装偏差。
（3）数据后处理消除延时：采集到具有延时的数据，可以通过后处理软件对原始数据进行延时补偿。
上述三种方法均可以解决测深过程系统性延时的问题，但在具体的测深过程中方案1并不能解决定位系统与测深系统的系统性延迟；方案2仅能解决已知固定的延时，需要在后续的数据处理阶段再利用方案3解决。因此，本次试验利用后处理软件对原始数据进行延时补偿，以解决数据延时的问题。试验地点在长江太平口水道，这里用南方自由行的Processlag.exe软件为例进行介绍，数据采用的是太平口的一段用南方自由行軟件采集到的具有严重延时的数据。
3试验案例
该软件可以将自由行采集到的原始数据，通过输入滞后校正系数，即系统延时值，进行滞后处理，生成新的经过延时补偿的原始数据。
针对太平口.org文件，进行1，1.5，2这三个值的延时改正，分别生成改正后的原始文件，并通过南方自由行的后处理模块取样，生成DAT文件，最后在surfer8中成图生成等深线，以下是对这些等深线曲线图的分析。
图2红色方块中，在一条等深线上出现剧烈震荡的小锯齿的现象，就是延时问题的实际反映。除了红色标记区域，其他区域也有非常明显的延时特征出现。
利用Processlag软件进行1s的延时校正后，得到太平口1.org 延时补偿数据文件，将两张图叠加到一起进行对比如图3。
黑线代表2S延时改正后的数据，锯齿特征明显缓解了很多，但局部区域还具有，甚至在某些地方出现了相对原始数据来说的“反锯齿”特征。
用1.5S延时补偿数据再次进行对比如图7。
局部放大对比如图8。
很明显，黑线几乎没有了小锯齿的延时特征了，说明太平口的这段延时数据存在了1.5S左右的一个系统延时。
本次试验利用南方自由行的Processlag.exe软件对南方自由行软件采集的长江太平口的延时数据进行延时补偿。试验证明，利用后处理软件解决单波束测深数据延时的问题是确实可行。
4结束语
目前在水深测量中已经普遍使用DGPS系统进行定位，而测深系统与定位系统必然存在系统性延时，系统性延时效应的存在使得水深测量的可靠性下降。如果延时过大，会导致水深数据的错位和失真，在成等深线图时，出现严重的锯齿现象，甚至水深的大幅度扭曲。本文提出了利用工具软件，将原始数据进行固定的时延补偿，这个时延值需要利用带入法，根据等深线的特征对比，实验出最佳的改正值，这种通过后处理补偿原始数据的方法，用该方法试验结果证明消除系统性延时的影响得到实现。
参考文献：
[1]刘雁春，陈永奇.海道测量定位与测深的延时效应[J].海洋测绘，1999（01）.
[2]徐晓晗，刘雁春.海洋测深中时移和偏移效应综合分析与改正[J].海洋测绘，2002（02）.
[3]金绍华，刘雁春，黄谟涛，暴景阳.海洋测量延时效应的研究[J].海洋测绘，2004（01）.
[4]吴卫平.GPS水深测量系统及其平面定位精度分析[J].水运工程，2008（10）.
