便携式水域测量系统的研发和应用探究

徐强

摘 要：新开发的便携式水域测量系统主要由岸基控制系统和船载系统组成。该系统结构简单，制作材料轻量环保，非常适合随时携带和运输。由于遥控测量船主体结构小巧，因此可以在浅滩甚至岸边行驶，能够满足多方位的测量需求。同时，遥控测量船属于无人驾驶船，避免了将测量人员置于危险的水域环境下，因此可以零风险的执行测量任务。便携式水域测量系统不仅解决了安全、稳定、便携的问题，同时完美解决了续航时间、导航显示等问题。随着如今数字化技术、自动化技术、精确测量技术的进一步发展和完善，人们可以根据测量要求，努力开发自动测量、自动导航等创新型功能。将以上众多专业技术进行合理的组合，推出新系统，必将为水下地形测量带来一场新的革命，并将广泛应用于航运、水利、资源调查及环保等相关领域。

关键词：便携 水域测量系统 遥控测量船 应用

中图分类号：P228.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（c）-0081-02

水是生命之源，如今全球的水含量正在急剧减少，节约和保护水之源成为当今人类生存发展的头等大事。要合理有效的保护水资源，首先要加强对水资源分布和各地水资源地质环境的了解，因此，水文监测成为各国发展环保事业的重要一环。然而，人们对于地球水资源详细信息的了解和认识还不够。

近年来，随着定位技术、无线电传输技术以及自动导航技术等专业技术的快速发展，国外例如美国、日本的很多公司相继制造了遥控测量船。如果发动机功率较小，则电机牵引力很小，在逆向水流环境下难以航行并且在水流较大时难以维持自身的稳定性。因此，单纯依赖电能驱动，逆流航行、测量船稳定性及续航等问题很难得到解决，测量船的应用受到了极大的限制。其中，由美国推出的远程遥控水文船Z-boat 1800以及日本推出的RC-S2水文调查遥控测量船，在执行测量任务的过程中经常存在电量不足的问题，如果遇上水面风浪，电能消耗更快。

在我国，长江航务管理局和长江航道局不久前共同研究推出了一套遥控测量船自动导航系统，该系统的遥控距离在4 km以上；续航时间超过4 h；船体配备高精度的测深仪、视频系统及GPS导航系统；能够顺利执行自动导航、返航的任务并自动测绘。在紧急情况下，可以实现人为干预，手动指挥遥控。最关键的是，测量船发动机不再是纯电动驱动，而是选用了油电混合的模式，其中汽油发动机为主引擎，在汽油发动机发生故障不能正常工作时，自动启用电动机续航，有助于测量船按时完成任务并顺利返航。这种测量船满足如今绝大部分的测量需求，但船体较大，具体长3 m，宽0.6 m，不利于携带。同时，该系统还处在试驗阶段，没有应用到实际的测量工作中。因此，根据上面的介绍，油电混合双动力系统是目前水域测量船的理想设计模式，它能够有效解决测量船续航、安全稳定、动力、便携等一系列问题，再结合先进的轻型化技术，以测量船安全稳定为基本前提，尽可能的减小船只大小，使其便于携带。

1 系统原理及架构

1.1 水下测量原理

水下地形测量是工程测量中的一种，测量江河、湖泊、水库、港湾和近海水底点的平面位置和高程，用以绘制水下地形图的测绘工作。现代水下地形测量技术经过这些年的发展，延伸出了更高的测量要求。它要求测量设备自动同步采集坐标点和水深的相关数据并自动存储，可以说是一种全自动水下地形数据采集技术。水下平面坐标的获得通过GPS-RTK和DGPS技术实现，水深数据可以利用测深仪或者多波束测得。该技术拥有测量精确、自动化程度高等显著特点。

测量船上的RTK和GPS装置用于接收基准站的差分信号和GPS信号，并根据这些信号计算出水下某点的坐标，在接收GPS坐标的同时，利用测深仪可以测出水下深度。对已知的水底平面坐标、水下深度数据进行整理，结合当时的水面高度，便可以顺利求出水底点的三维坐标。根据以上测量原理，设计研发了便携式水域测量系统，基本结构如图1所示。

1.2 系统构架

①按照便携式水域测量系统的设计原理制出的遥控测量船长1.05 m，宽0.75 m，同时，通常还会在船体上加装可拆卸的平衡翼，此时测量船长度达到1.50 m，宽也达到1.30 m。庆幸的是，测量船的主体部分相对比较小巧，便于放入汽车后备箱，随时携带。按照功能的不同，又可以将便携式水域测量系统分为岸基控制系统和船载系统两部分，其基本结构分别如图2、图3所示。

②岸基控制系统由CORS站或GPS基准站以及附带视频装置的遥控器构成。船载GPS的差分信息主要由CORS站或GPS基准站提供。如果GPS基准站安置在已知位置，则船载GPS可以根据接收到的GPS信号和基站发出的差分信息，顺利计算出测量点的准确坐标。如果GPS基准站安置在未知位置，则由船载GPS计算出的平面坐标需要根据已知点进行进一步测量和校正。当使用CORS站组成岸基控制系统时，船载GPS计算的坐标即是CORS坐标系统的同步坐标；附带视频装置的遥控器主要包括两大基本功能。

2 关键技术

2.1 双动力系统

测量船主引擎采用汽油机驱动，在汽油机发生故障时，启用备用的电动机驱动。为了简化机械传动过程，可直接将汽油机置于船体尾部，再使用舵机来单独控制船舵，利用船舵的转角和螺旋桨，就能够顺利完成船体的减速、加速和转向操作；在左右偏后的位置可分别安装电动机，一方面可以维持船体的整体平衡，另一方面作为备用动力使用。

2.2 发电系统

发电系统包括发电机、蓄电池、发动机、第一动力输出、第二动力输出以及船体驱动器。主要由汽油机第一动力输出提供的机械动力进行发电，发电机的输出功率高达350W，能够基本满足所有船上设备的用电需求。

3 系统功能

3.1 安全稳定便携

整个船体部分包括船体设计和制造，需要选用合适的高分子材料，根据图纸的设计要求，制作防水船体。由于船体内含有大量的聚氨酯，当发生损坏或断裂时，不会发生沉船事故，确保了测量船运行的安全性。便携式遥控测量船在加装平衡翼以后，船体与水面的接触面积显著增加，船体的稳定性能够得到显著提高。

3.2 实现了油电混合双驱动和长时间续航

遥控测量船重约50 kg，装配1节30 AH的标准电池，并将发电机安装在汽油机动力输出轴上，在动力输出的同时能够持续给蓄电池充电，汽油机额定输出功率为4马力，动力很足，能够满足在水流较大时，逆流航行；主引擎为汽油发动机驱动，满油情况下可以持续航行约4 h，如果需要进一步增加续航时间，可以采用增加备用油箱的方式。当汽油机发生故障时，备用的电动机电量足够支持遥控船安全返航。

4 结语

综上所述，通过对船体、双动力系统、轻型发电机以及平衡翼等技术的改进和组合，设计并推出了一套遥控测量船系统，它可以实现测量船安全、稳定、便携以及自动化测量等创新型功能。其中，开发的岸基控制系统，不仅能够有效指挥遥控测量船进行减速、加速、转向和倒退等操作，而且配备的遥控器具有可视化功能，其显示屏上能够清晰显示导航信息，极大地方便了对测量船进行人工远程操控。

参考文献

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