一種船載水上水下一體化測量系統(tǒng)野外實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及海洋測繪技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種船載水上水下一體化測量系統(tǒng)野外 實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] Ξ維激光掃描系統(tǒng)可快速獲取水面W上大量地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，多波束測深儀能夠快 速獲取海底大面積地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，集成Ξ維激光掃描儀和多波束測深儀的"船載水上水下 一體化測量系統(tǒng)"可W同時(shí)獲取海底地形和近岸水上地形數(shù)據(jù)，解決近岸海岸帶和灘涂地 形測量問題。"船載水上水下一體化測量系統(tǒng)"的整體檢校是保障測量精度的重要方面。此 夕h船載多傳感器系統(tǒng)用于海上作業(yè)時(shí)，有時(shí)作業(yè)條件不滿足對水上水下測量數(shù)據(jù)整體檢 校要求，因此對于"船載水上水下一體化測量系統(tǒng)"整體檢校方法有必要進(jìn)行研究和實(shí)施， W保障一體化測量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種船載水上水下一體化測 量系統(tǒng)野外實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法，設(shè)計(jì)合理，提高了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，具有良好的效果。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0005] -種船載水上水下一體化測量系統(tǒng)野外實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法，采用船載水岸線一體化測 量系統(tǒng)，其近岸水上部分包括激光掃描儀和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，水下部分包括多波束測深儀，水 上部分與水下部分通過一個(gè)平臺支架固連；其中的激光掃描儀用于測量近岸水上地形數(shù) 據(jù)，多波束測深儀用于測量水下地形數(shù)據(jù)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)用于為激光掃描儀和多波束測深 儀提供定位信息、時(shí)間信息、姿態(tài)信息和航向信息；
[0006] 所述的船載水上水下一體化測量系統(tǒng)野外實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法，按照如下步驟進(jìn)行：
[0007] 步驟1:將六個(gè)圓球作為一組按一定順序串聯(lián)起來;選用合適材料調(diào)整串聯(lián)圓球的 浮力，使得串聯(lián)圓球中上方Ξ個(gè)圓球處在水面W上，下方Ξ個(gè)圓球處在水面W下，圓球自上 而下依次編號為1，2,3,4,5,6，圓球大小設(shè)計(jì)尺寸適中，水面^上圓球可被激光掃描儀充分 掃描，水面W下圓球可被多波束測深儀充分掃描，同時(shí)測量數(shù)據(jù)能夠表示圓球的實(shí)際外形； [000引步驟2:選取2組或2組W上六個(gè)串聯(lián)的圓球豎直放置在水中不同位置，2組串聯(lián)圓 球間距根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)選取并選取固定位置進(jìn)行穩(wěn)定;選擇第一組圓球檢校目標(biāo)物最上 方1號圓球中屯、建立ENU坐標(biāo)系，并使選取的檢校目標(biāo)物圓球中屯、連線與ENU坐標(biāo)系的Z軸保 持平行，即圓球中屯、連線保持豎直；
[0009] 步驟3:行駛測量船于目標(biāo)物一側(cè)，使船行進(jìn)時(shí)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系與建立的ENU 坐標(biāo)系軸向保持一致，通過激光掃描儀和多波束測深儀同時(shí)進(jìn)行信息采集，針對串聯(lián)圓球 目標(biāo)物獲取水上水下測量點(diǎn)數(shù)據(jù)，分別提取放置在水中的幾組串聯(lián)圓球的測量點(diǎn)信息；
[0010] 步驟4:在獲取船載多傳感器測量系統(tǒng)整體粗標(biāo)定參數(shù)W及激光掃描儀的精檢校 參數(shù)基礎(chǔ)上根據(jù)精檢校后的激光掃描儀測量數(shù)據(jù)可作為海上檢校目標(biāo)物的準(zhǔn)確空間點(diǎn)云 數(shù)據(jù)，w粗標(biāo)定獲得的多波束坐標(biāo)系相對于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系的偏移量和旋轉(zhuǎn)角作初 值，求多波束坐標(biāo)系相對于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系的偏轉(zhuǎn)角修正值。
[0011] W激光掃描儀測量的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，針對一組串聯(lián)圓球，根據(jù)串聯(lián)圓球球屯、在同一直 線上，通過激光掃描儀測量數(shù)據(jù)擬合水面W上Ξ個(gè)圓球球屯、坐標(biāo)并推算出水面W下Ξ個(gè)圓 球球屯、坐標(biāo)，利用多波束測量數(shù)據(jù)擬合水面W下Ξ個(gè)圓球球屯、坐標(biāo)；由水上圓球球屯、和水 下圓球球屯、坐標(biāo)在ENU坐標(biāo)系下擬合分別在X0Y平面，Y0Z平面，X0Z平面的投影直線;分別在 Ξ個(gè)平面中利用激光掃描儀和多波束測量數(shù)據(jù)擬合的直線求解多波束測量數(shù)據(jù)相對于激 光掃描儀數(shù)據(jù)在Ξ個(gè)平面內(nèi)的夾角，從而獲得船載水上水下一體化測量系統(tǒng)整體檢校中多 波束坐標(biāo)系相對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系的角度偏轉(zhuǎn)量修正值。
[0012] 步驟5:在完成W上偏轉(zhuǎn)角度修正量的確定工作后，此時(shí)激光掃描儀測量數(shù)據(jù)與多 波束測量數(shù)據(jù)只存在Χ，Υ，ΖΞ個(gè)方向的平移，對第一組檢校目標(biāo)物4號球，利用多波束數(shù)據(jù) 擬合獲得的4號圓球球屯、坐標(biāo)與激光掃描儀數(shù)據(jù)推算4號圓球球屯、坐標(biāo)做差獲得一組差值； 同理，對5號球和6號球分別進(jìn)行此操作，最終獲得Ξ組多波束數(shù)據(jù)相對于激光掃描儀數(shù)據(jù) 在Χ，Υ，ΖΞ個(gè)方向的平移值，對運(yùn)Ξ組值取平均作為多波束坐標(biāo)系相對于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)坐 標(biāo)系Ξ個(gè)坐標(biāo)軸距離偏移的修正值。
[OOU] 優(yōu)選地，在步驟帥，具體包括
[0014] 步驟4.1:對船載水上水下一體化測量系統(tǒng)進(jìn)行整體粗標(biāo)定，獲取激光掃描儀坐標(biāo) 系W及多波束測深儀坐標(biāo)系相對于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系的偏移量和旋轉(zhuǎn)角；
[0015] 步驟4.2:對激光掃描儀進(jìn)行精檢校，獲得激光掃描儀的精檢校參數(shù)；
[0016] 步驟4.3:在X0Z平面內(nèi)對橫搖方向偏轉(zhuǎn)夾角δγ大小與方向確定
[0017] 選取第一組串聯(lián)圓球檢校目標(biāo)物，分別利用水上和水下各Ξ個(gè)圓球中屯、擬合在 ENU坐標(biāo)系下Χ0Ζ平面內(nèi)的兩條投影直線，該兩條直線為：
[001 引Li:z=kix+bi
[0019] Lm：z= k2X+b2
[0020] 其中：Li對應(yīng)激光掃描儀數(shù)據(jù)擬合直線，Lm對應(yīng)多波束數(shù)據(jù)擬合直線。
[0021] 取兩條直線與ENU坐標(biāo)系Z軸正向夾角在0到V2內(nèi)的向量，則對應(yīng)激光掃描儀數(shù)據(jù) 的直線向量為（1，ki)，對應(yīng)多波束數(shù)據(jù)所得直線向量為（1，k2)。則多波束數(shù)據(jù)相對于激光掃 描儀數(shù)據(jù)在橫搖方向的角度偏轉(zhuǎn)為向量(l，ki)與向量(l，k2)之間的夾角。計(jì)算兩向量與X軸 正向的夾角余弦值，用向量(1，〇)代表X軸正向的，若多波束對應(yīng)向量與X軸正向的夾角余弦 值大于激光掃描儀對應(yīng)向量與X軸正向的夾角余弦值，則定義橫搖偏轉(zhuǎn)角為正值;若多波束 對應(yīng)向量與X軸正向的夾角余弦值小于激光掃描儀對應(yīng)向量與X軸正向的夾角余弦值，則定 義橫搖偏轉(zhuǎn)角δγ為負(fù)值
[0022] 步驟4.4:在Υ0Ζ平面內(nèi)對縱搖方向偏轉(zhuǎn)夾角δθ大小與方向確定
[0023] 選取第一組串聯(lián)圓球檢校目標(biāo)物，分別利用水上和水下各Ξ個(gè)圓球中屯、擬合在 ENU坐標(biāo)系下Υ0Ζ平面內(nèi)的兩條投影直線，運(yùn)兩條直線為：
[0024] Li:z=kiy+bi
[0025] Lm：z=k2y+b2
[0026] 其中：Li對應(yīng)激光掃描儀數(shù)據(jù)擬合直線，Lm對應(yīng)多波束數(shù)據(jù)擬合直線。
[0027] 取兩條直線與ENU坐標(biāo)系Z軸正向夾角在0到31/2內(nèi)的向量，則對應(yīng)激光掃描儀數(shù)據(jù) 的直線向量為（1，ki)，對應(yīng)多波束數(shù)據(jù)所得直線向量為（1，k2)。則多波束數(shù)據(jù)相對于激光掃 描儀數(shù)據(jù)在縱搖方向的角度偏轉(zhuǎn)為向量(l，kl)與向量(l，k2)之間的夾角。計(jì)算兩向量與巧由 正向的夾角余弦值，用向量(1，〇)代表Y軸正向，若多波束對應(yīng)向量與Y軸正向的夾角余弦值 大于激光掃描儀對應(yīng)向量與Y軸正向的夾角余弦值，則定義縱搖偏轉(zhuǎn)角為負(fù)值;若多波束對 應(yīng)向量與Y軸正向的夾角余弦值小于激光掃描儀對應(yīng)向量與Y軸正向的夾角余弦值，則定義 縱搖偏轉(zhuǎn)角δθ為正值
[002引步驟4.5:在Χ0Υ平面內(nèi)對臘搖方向偏轉(zhuǎn)夾角如大小與方向確定
[0029] 求臘搖方向偏轉(zhuǎn)角度需要用到兩組串聯(lián)圓球檢校目標(biāo)物。首先對兩組串聯(lián)圓球檢 校目標(biāo)物分別對其水面W上Ξ個(gè)圓球球屯、進(jìn)行擬合直線。利用該擬合的直線W及串聯(lián)圓球 的設(shè)計(jì)尺寸推算水面W下Ξ個(gè)圓球的球屯、位置，獲得兩組檢校目標(biāo)物水面W下由激光掃描