无人遥控测量船远程图传系统研究与应用

王志彬

广州海事测绘中心，广东广州，510320

摘要：目前，相对于测量船，无人船因吃水浅、机动性高的优势在航道测绘中的应用越来越普及，尤其是在浅滩水域的测量中得到了较好的应用成效。随着无人船在航道测绘中的应用，众多学者也进行了深入的研究和分析，发现浅滩水域的航道测绘中无人船在实际应用中还存在两个方面的缺陷：一方面自动化测量中的避障能力较弱，容易发生碰撞；另一方面视角较矮，难以满足手动操作的要求，且图传延迟。基于此，以下对无人遥控测量船远程图传系统研究与应用进行了探讨，以供参考。

关键词：无人遥控测量船；远程图传系统研究；应用

引言

由于水下测量不如陆地测量方便，并且需要测量的内容更多，受水中生物及各种悬浮物的干扰影响，因此对水下测量仪器设备精度的要求也很高。传统水下测量的方法有很多，传统水下测量方法定位与测深需要多人配合完成，耗费大量人力物力，而且在复杂危险水域测量作业人员的安全无法得到保障。随着计算机与电子信息等技术的发展，ＧＰＳ实时定位技术与数字化测深技术相结合的集成处理方式（数字化水下测量）和无人测量船（数字化水下测量的载体）被应用到水下测量实践中。

1无人船测深系统

采用的无人船测深系统主要由无人船部分和岸基部分组成，船只与地面基站采用无线射频点对点数据传输进行实时通讯。无人船部分的动力装置为涵道式，由一个主推器和两个辅助推进器组成。船体尺寸（长×宽×高）：1800mm×840mm×480mm，该体积便于长距离运输、搬运。船只集成的GPS和测深仪等设备可以支持地理坐标与水深同步采集，视频实时传输和自动返航功能可以从安全性角度保证无人船的航行安全。岸基部分主要是系统软件、智能遥控器及基站，其中岸基控制软件实现测量任务下达、实时视频传输、测量数据显示和测量数据存储等功能。而智能遥控器可以显示无人船基本信息、实时切换工作模式及控制船速等。岸基基站通过GNSS差分改正数据使得船只实现实时坐标精确定位。目前该无人船测深系统具备了全自动无人化作业、自主导航、定点自主返航等功能。

2无人机航测优势

与传统人工作业的方式相比，无人机技术较为灵活，外业数据采集的效率较高，并且设备的成本较低，操作较为简单，通过自动化操作系统能够降低外业人员的劳动强度。与此同时无人机技术还能够提供实景三维模型、DSM等等测绘成果，实现了免接触时测量，在较为复杂的地理环境中同样适用[3]。此外，无人机的视野较为开阔，受益于RTK模块、、三轴云台和空三团建算法以及数据采集系统的控制，通过三维模型的构建和正射影像的获取能够有效的满足无人船航测规划的需求，与传统的GPS测量作业模式相比，精准度较高。利用同步定位、地图构建和影像正射纠正算法，将其应用在无人机操作中，实现了二维正射影像的实时生成。通过无人机与无人船的联合应用，代替了卫星影像，能够生成实时正射影像，在无人船自动化测量和手动操作应用的过程中，解决了传统模式中存在的弊端，在浅滩水域具有良好的应用。除此之外两者联合的精准度和时效性较高，满足了无人船科学航线规划的实际要求，也能够保障无人船作业过程的安全性

3主要研究目标

无人遥控测量船已实现了远程控制、自动导航、主动避碰、精确测量、远程数据传输等多种功能，且船舶浮性、稳性、防水性等综合性能适应长江航道各种工况环境。但在实际应用中，远程数据系统存在一些问题，准备通过对无人遥控测量船数据系统进行升级，解决在两省交界特殊环境下的网络数据链接问题。基于上述优化需求，确定本项目研究主要内容为：无人遥控测量船远程图传系统研究与应用。通过数据系统升级后的无人遥控测量船应该满足以下技术指标：（1）数据链要求传输距离在2KM以上，传输速度4Mbps以上。（2）传输要求稳定，搭配2个以上大功率PA射频功放，可实现2-3公里点对点及点对多点传输。（3）供电输出方便与船舶使用，满足12V供电要求。（4）满足最低室外防护等级标准，有一定的防水、防尘、防冻、抗高温的能力，适应工作温度在-10°至55°之间。（5）方便电脑查看数据情况。基于上述存在的问题，需通过对无人遥控测量船数据系统的升级改造，进一步优化无人遥控测量船的使用。为解决测量船测深仪远程连接系统中连接图像清晰度较差，信号接收延时高易掉线等问题，我中心积极研究，探索各项远程监控系统，结合日常测量过程中遇到的各种无人船远程过程中出现的问题，最终采用基于新型数据网桥设备作为测深仪图传控制，该系统突破原本受网络供应商基站信号影响，即使在完全没有网络信号区域也能通过网桥设备实现远距离图传控制，且稳定性高、延迟低等特点，对于长江航道无人遥测具有重要意义。

4无人遥控测量船远程图传系统研究与应用

4.1数据处理与产出

数据处理的过程主要流程为：首先，过滤无人船在非固定解的情况下收集到的数据信息；其次，由于无人船巡航时发出的声波可能在传入海底的途中碰到水草群和移动的大型鱼群就被反射回来，导致测量得到的水深数据出现异常，此时要根据原有资料和模拟数据对异常数值进行修正以保证水底的高程点数据得到展示；之后，考虑到无人船只在巡航过程中会受到海面波浪的影响导致船体发生摇摆，就要利用姿态传感设备对获取的测量数值进行自我纠正；此外，如果发现采集到的数据点数过于密集，就可以通过提前设置滤波模式和间隔来对其进行“抽稀”，方便之后的数据产出和绘图。数据处理中使用到的软件是Hydro Survey，操作时要首先选择等待加工的水下测量数据文件，将需要加工的数据参数转换至适合的横纵轴坐标，观察测线的数据信息，如有异常数据将其平滑并返回到正常的区间内。待设定并测试好测线后，以5m为间隔设置数据的采集间隔，并完成数据的采集和处理。按照顺序将每一个测线的水深数据都选取样本后按日期分类保存到指定位置，在经过修改和编辑后产出数据成果，并绘制水下地形图。

4.2无人船测绘工作流程

水下地形测绘作业过程中的测区规划、航线设计和数据采集与处理均利用无人船岸基控制系统实现。在该系统软件中进行水深数据的修改，对明显不准确的水深数据通过手动拖动方式拖至符合正常水深的走势，对于粗差较大的数据点进行手动剔除。数据输出结果为南方ＣＡＳＳ标准格式ｄａｔ文本文件，数据导出后进行５ｍ的数据抽稀，在南方ＣＡＳＳ软件中根据抽稀后的高程数据生成等高线数据，从而完成地形图编辑工作。由于库区两岸略陡峭，在无法确定水边线的情况下规划测区航线困难很大（若航线离岸边过远，后续需要补测岸边区域水下地形；过近或跨至岸边，无人船会搁浅损坏），因此在测绘作业前期准备中，为在保证设备完好的基础上提高本次作业效率，使用无人机对测区进行航空摄影测量，根据数字正射影像结果绘制出测区的水边线。

结束语

在进行正式的水下地形测量作业时，仍然存在各种技术难题，如数据接收存在时间差而导致其计算和传输的相互独立，并使得测点数据与水深不匹配等问题，这一问题可以通过采取特征点配对的算法来进行克服。总的来说，在不断地实验和推广改进的过程中，目前无人船水下测量技术存在的问题和不足会一一得到改进，并在未来以高机动性和高安全度等优点逐步取代传统的水下地形测量方式，进而在海洋的航道测量、海洋地质勘察和地貌绘制等领域得到广泛应用。

参考文献

[1]王芸慧,陈玉傲,梁民仓.无人船的发展对船员职业影响及对策研究[J].水运管理,2021,43(08):41-44.

[2]秦亮亮.无人船在水下地形测量中的应用[J].科技创新与应用,2021,11(15):169-171.

[3]陈培伦.智能无人船水质监测系统[D].南京理工大学,2021.

[4]宁新龙.浅析无人测量船在水下地形测量中的应用前景[J].水利建设与管理,2021,41(03):47-50.

[5]舒晓龙,黎银.无人船在水下地形测量中的应用与探讨[J].内蒙古煤炭经济,2020(10):170-171.

[6]关雷,郑宝华,赵琳,勾昆,袁红.浅析无人船在水下地形测量中的应用[J].测绘与空间地理信息,2019,42(11):202-204.