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CN108253934B - 水下地形测量仿真方法及其仿真器 - Google Patents

水下地形测量仿真方法及其仿真器 Download PDF

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CN108253934B
CN108253934B CN201711498491.7A CN201711498491A CN108253934B CN 108253934 B CN108253934 B CN 108253934B CN 201711498491 A CN201711498491 A CN 201711498491A CN 108253934 B CN108253934 B CN 108253934B
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徐卫明
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Abstract

本发明涉及海洋测绘技术领域，具体讲是一种水下地形测量仿真方法及其仿真器。用户通过测量船模拟操控器改变模拟测量船的船速和舵角，通过位置仿真算法计算模拟测量船所在位置；通过定位信号仿真算法把GPS定位信号发送到上位机；通过测量船姿态仿真算法生成船姿态的测深仪声波发射方向；通过潮汐预报算法计算瞬时潮汐水位高度，按照用户定义的周期；通过水深仿真算法计算瞬时水深的测量结果，发送到安装水下地形测量导航采集软件的上位机。不进行涉水测量的条件下，为海道测量导航采集软件提供与真实水深测量相似的测量结果。本发明的目的就是通过仿真系统所产生的模拟水下地形测量信号，为用户提供逼真的水深测量环境。

Description

水下地形测量仿真方法及其仿真器
技术领域
本发明涉及海洋测绘技术领域，具体讲是一种水下地形测量仿真方法及其仿真器。
背景技术
目前，随着海洋及内陆水域资源开发的全面展开，对水下地形测量的需求急剧增加，需要大量经验丰富的水下地形测量师。水下地形测量对测量师的工作经验要求很高，经验丰富的测量师能够根据海道测量标准对水下各类目标实施正确的测量，也能够正确处理在测量过程中由于海况、水文参数变化对测量结果的影响。但是由于水下地形测量需要在海洋或者内陆的河流中通过测量船实施，成本较高。一般的院校、测绘培训机构在对测量师进行培训时，只能在室内通过回放测量结果的方式向受训人员演示测量的过程。部分条件较好的单位虽然能够在水上用测量船进行教学，但是也难以在培训水域同时找到各类典型的水下目标。这些条件极大的限制了水深测量培训的效果与效率。通过仿真器或模拟训练器在室内进行模拟训练是提升培训效率和效果的有效途径。目前，与本发明最接近的实现方案是测深仪器自带的测深演示功能。如我国中海达卫星导航技术公司生产的HD8000X型单波束测深仪，允许用户在演示界面下通过键盘操纵模拟测量船在演示界面移动，并产生固定的模拟水深数据。现有技术的缺点是无法模拟真实水下环境。测深仪自带的演示功能中，仅能产生固定的模拟水深数据，其目的是演示测深仪的操作使用方法，测量结果中的水下地形完全平坦，不包含任何水下目标，也没有海况和水文参数的变化。通过这种演示功能，用户只能掌握最基本的水深测量系统操作方法，无法学习真实水下环境中的水下地形仿真方法。
发明内容
鉴于现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何在不进行涉水测量的条件下，为海道测量导航采集软件提供与真实水深测量相似的测量结果。本发明的目的就是通过仿真系统所产生的模拟水下地形测量信号，为用户提供逼真的水深测量环境。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是一方面提供一种水下地形测量仿真方法，其具体步骤包括：
步骤1：用户通过测量船模拟操控器改变模拟测量船的船速和舵角，水下地形测量仿真器根据从测量船模拟操控器输入的船速和舵角，在系统内部时钟的控制下，以用户定义的周期，通过位置仿真算法计算模拟测量船所在位置；
步骤2：水下地形测量仿真器通过定位信号仿真算法，根据模拟测量船位置产生带有延迟效应的GPS定位信号，并以用户定义的定位周期，通过串口以要求的格式把GPS定位信号发送到上位机；
步骤3：水下地形测量仿真器通过测量船姿态仿真算法，根据用户设定的海况级，在系统内部时钟的控制下，用户定义的周期，生成对应当前时刻测量船姿态的测深仪声波发射方向；
步骤4：水下地形测量仿真器通过潮汐预报算法，根据存储在数据库中的潮汐调和常数，计算瞬时潮汐水位高度，按照用户定义的周期显示在水下地形测量仿真器的屏幕上。
步骤5：水下地形测量仿真器通过水深仿真算法，根据模拟测量船位置、测深仪声波发射方向，以及存储在数据库中的水下地形仿真基础数据，计算瞬时水深的测量结果，通过串口按照用户定义的格式及周期把瞬时水深测量结果发送到安装水下地形测量导航采集软件的上位机。
进一步的，所述位置仿真算法为根据模拟测量船在T0时刻的位置(X0,Y0)以及航向角β0，用户输入的船速V0、舵角α0，用户设定的潮流速度Vr，潮流方向
Figure GDA0002402261660000021
潮流方向变化速度ω，潮流方向随机扰动值Rt，模拟测量船转向灵敏度S，计算出模拟测量船在T1时刻的位置(X1,Y1)，具体算法如下：
β1＝(β0+V0*△t*α0*S)Mod 360；
Figure GDA0002402261660000022
Figure GDA0002402261660000023
Figure GDA0002402261660000024
其中：T0和T1为相邻的两次仿真时刻，T1＝T0+△t，△t为用户定义的时钟周期，默认0.1秒；
转向灵敏度S默认值取0.5，可由用户设置为{0.1，0.3，0.5，0.7，0.9，1.0}之间的任意一个数值；
潮流方向变化速度ω默认值为0.1度/秒，可由用户设置为{0.1，0.3，0.5}中的任意一个数值；
潮流方向随机扰动值Rt取一个在-2.0度到+2.0度之间均匀分布的随机数。
进一步的，所述定位信号仿真算法为根据用户设定的延迟时间和当前测量船位置，产生具有延迟效应的GPS定位信号。具体算法如下：
步骤2.1：定义一个单向链表存储测量船位置，链表中每一项内容均为测量船位置(X,Y)；
步骤2.2：系统每经过一个自定义时钟周期△t，根据位置仿真算法计算一次测量船位置(X,Y)，将其插入链表的头部；
步骤2.3：如果链表的长度大于N＝Td/△t，删除链表最后一个节点；
步骤2.4：系统按照用户设定的定位信号周期取出链表的最后一个节点，将其包含的测量船位置(X,Y)转化为上位机要求的格式从串口1输出。
进一步的，所述水下地形数据库包括水深数据表，潮汐调和常数表，水下声速剖面表；其中水深数据表中存放的是模拟测区的水下地形点云数据；潮汐调和常数表存放的是模拟测区的11个潮汐调和常数；声速剖面表存放的是模拟测区不同深度下的声波传播速度。各数据表的具体结构如下：
(1)水深数据表
Figure GDA0002402261660000031
(2)潮汐调和常数表
Figure GDA0002402261660000032
Figure GDA0002402261660000041
(3)水下声速剖面表
字段名称 数据类型 备注
ID Int 自增一标识
水深 Int 水深值
声速 Decimal 水下声速值
进一步的，通过潮汐预报算法，根据存储在数据库中的潮汐调和常数，计算瞬时潮汐水位高度，按照用户定义的周期显示在水下地形测量仿真器的屏幕上。
进一步的，所述测量船姿态仿真算法为根据用户设定的海况级和模拟测量船位置，计算模拟测深仪所发射声波在海底照射范围中心的平面坐标，具体算法如下：
步骤3.1：定义模拟测量船位置坐标为(Xc,Yc,0)，从数据库中的水深数据表中查询与(Xc,Yc)平面距离最小的一个水深点P，取出该点的水深值Zp；
步骤3.2：以模拟测量船所在位置(Xc,Yc,0)为坐标原点，按照如下公式计算测量船受海浪影响发生横摇和纵摇时，模拟测深仪所发射声波在海底照射范围的中心位置Xr,Yr,Zr；
Figure GDA0002402261660000051
公式中Roll为测量船的横摇角，取值为区间[-3*G,+3*G]内均匀分布的一个随机数；Pitch为测量船的纵摇角，取值为区间[-2*G,+2*G]内均匀分布的一个随机数；G为用户设定的海况级，取值为[0,1,2,3,4,5]中任意一个数，默认值为0；
步骤3.3：按照如下公式计算测深仪发射声波在海底照射区域中心的平面位置坐标(Xcent,Ycent)
Figure GDA0002402261660000052
Figure GDA0002402261660000053
其中Th为当前时刻潮汐高度，根据数据库中的调和常数通过潮汐预报算法计算得到。
进一步的，所述水深仿真方法为根据测深仪发射声波在海底照射范围的中心位置、水下地形基础数据、用户设定的声波波束角，计算测量得到的瞬时水深测量结果数据，具体算法如下：
步骤5.1：根据用户设定的波束角θ、测量船所在位置处的水深Zp、瞬时潮高Th，计算模拟测深仪发射声波在海底照射范围的半径R＝(Zp+Th)*tan(θ)；
步骤5.2：以(Xcent,Ycent)为中心选取4个候选点P1(XP1，YP1)，P2(XP2，YP2)，P3(XP3，YP3)，P4(XP4，YP4)，其中：
Figure GDA0002402261660000054
Figure GDA0002402261660000055
Figure GDA0002402261660000056
Figure GDA0002402261660000057
步骤5.3：在数据库的水深数据表中分别检索与每个候选点的平面距离小于R/2的全部邻域水深点，并计算候选点与其每个邻域水深点的平面距离，最后通过距离反比加权插值算法计算P1、P2、P3、P4这四个候选点的水深Z1、Z2、Z3、Z4；
步骤5.4：根据四个候选点的平面坐标和水深分别计算它们与模拟测深仪所在位置(Xc,Yc,0)之间的距离
Figure GDA0002402261660000061
i＝1，2，3，4；并选取最小的一个Di作为当前位置水深值D；
步骤5.5：根据存储在数据库中的水下声速数据计算水深D对应的声波从发射到接收的总传播时间T，
Figure GDA0002402261660000062
其中i对应从海面开始计算的水深层序号，m为水深D所对应的水深层序号；△Hi为第i层到第i+1层之间的距离，通过两层在数据库中对应的深度相减得到；Vi和Vi+1分别为第i层和第i+1层的水下声速；
步骤5.6：计算瞬时水深测量结果
Figure GDA0002402261660000063
其中Vs是用户设定的水下平均声速。
另一方面，本申请提供的技术方案是一种水下地形测量仿真器，其在逻辑结构上包括水下地形测量仿真软件、水下地形仿真数据库、水下地形测量仿真设备以及测量船模拟操控器。
水下地形测量仿真软件安装在水下地形测量仿真设备里，用于接收用户通过测量船模拟操控器发送的船速、舵角数据，根据这些数据和水下地形仿真数据库中存储的基础数据实时计算出瞬时水深信号和卫星定位信号，通过设备上的串口发送到水下地形测量导航采集系统中；
水下地形仿真数据库用于为水下地形测量仿真软件提供计算仿真数据的各类基础数据，包括模拟测区的水下地形点云数据、模拟测区潮汐调和常数以及水下声速剖面数据；
水下地形测量仿真设备用于安装水下地形测量仿真软件和水下地形仿真数据库，设备包含一个液晶显示屏、三个USB接口、四个串行接口和一个RJ-45网络接口，设备内部包含一块主板和一个硬盘，主板上集成了CPU、内存与显卡；水下地形测量仿真设备用于运行水下地形测量仿真软件，并提供对外发送数据的接口；液晶显示屏用于实时显示船速、航向、舵角、波束角、潮流流速、潮流流向、潮汐高度、仿真器工作状态信息；
测量船模拟操控器为标准的windows游戏摇杆(方向盘)，用于为用户提供操纵模拟测量船的平台，通过USB传输线连接到水下地形测量仿真设备上；用户可以通过测量船模拟操控器上的按钮改变模拟测量船的速度和舵角，也可以通过操控器上的按钮设定仿真器的各项参数。
本发明中的术语解释：
水下地形测量：也称水深测量，海道测量。测量船在水面按照规划好的航线航行，通过安装在测量船上的回声测深仪和卫星定位仪测量当前位置处的水深和平面位置，同时在测区内特定的地方进行潮汐观测。最终把观测得到的水深值、平面位置和潮汐高度输入水下地形测量数据处理软件，即可获得测量区域内的水下地形。
图板参数：在实施水下地形测量前，首先需在水下地形测量导航采集软件中建立一个对应测量区域的图板，图板参数包括图板上的图廓点坐标，图板比例尺，图板投影类型。
计划测线：在实施水下地形测量前，需在水下地形测量导航采集软件所建立的图板中布设若干条辅助线来表示航线。进行水下地形测量时，测量人员需操纵测量船沿着计划测线航行。
单波束回声测深仪：一种利用超声波进行水深测量的仪器。仪器通过换能器向水下发射具有一定开角的圆锥体形状的声波波束，声波经海底/河床反射后被仪器上的换能器接收。测深仪根据声波往返时间和水下声速计算当前位置处水深。
距离反比加权插值算法：一种常用的空间点插值算法。设空间待插值点为P(Xp,Yp,Zp),P点邻域内有已知散乱点Qi(Xi,Yi,Zi),i＝1,2,….n。利用距离反比加权法对P点的属性值Zp进行插值，Zp是P点邻域内散乱点的属性值Zi的加权平均，即：
Figure GDA0002402261660000071
其中Di为P点与其邻域内第i个点间的距离。
水下地形测量导航采集软件：水下地形测量系统中所使用的导航采集软件，运行于电脑上，接收水下地形测量系统所发送的测量原始数据，主要包括位置和水深数据，以独立文件的形式把测量船在每条计划航线上航行时的测量结果保存在电脑中，供水下地形测量数据分析软件使用。我国目前常用的水下地形测量导航采集软件有：海道测量导航采集系统，HYPACK导航采集系统。
上位机：安装水下地形测量导航采集软件的电脑，具有多个串行接口，能够接受测深仪和卫星定位仪所发送的数据。
海况级：又称海况等级，主要指水面的风浪以及水中的暗流。水面的风浪会导致测量船出现左右方向的摇摆(横摇)或者前后方向的摇摆(纵摇)，从而导致固定在测量船上的测深仪发射的声波波束偏离正确的指向，无法得到正确的测量结果。我国规定海况等级分为10个级别，0级浪高0米，海面平静，普通测量船的横摇角和纵摇角均为0；5级浪高约为2.5-4米，此时普通测量船的横摇角可达15度，纵摇角可达10度。在进行水下地形测量时，为了保证测量质量，一般要求海况级小于3；海况级大于3时，测量结果中会出现大量无效水深点。
测量原始数据：从测深仪、GPS等设备输出的测量记录。测深仪通过串口输出测量结果，结果的格式由测深仪生产厂家指定，一般在测深仪技术手册中给出。GPS通过串口输出通用的NAME 0183格式的测量结果。
带有时间延迟的定位信号：根据GPS卫星所发射的信号进行定位时，从定位仪接收到卫星信号到定位仪输出定位结果需要约△T时间，(△T一般可达到0.1-0.5S)。由于测量船在海上测量时始终处于运动状态，因此在进行水下地形测量时，水下地形测量导航采集系统所接收到的定位信号对应的是△T时间之前的测量船位置，这一现象称为定位信号的时间延迟。
水下声速剖面：水下声速剖面是指从海面起算，不同深度下的声速。受水下温度、盐度、压力等因素的影响，声波在水下的声速随着水深的变化而变化，在海水中，水下声速的变化范围约为1400-1700米/秒。
潮汐调和常数：从实测潮汐数据中分解出来的每一个分潮的平均振幅和迟角。亦称分潮调和常数。简称调和常数。计算出潮汐调和常数后，可通过潮汐预报算法预报海洋潮汐、判断潮汐类型和计算水深测量深度基准面。
潮汐预报算法：海洋潮汐现象可视为一系列假想天体周期不同的分潮叠加而成。用月球平衡潮潮高公式和太阳平衡潮潮高公式可导出每一分潮的潮高表达式：
h＝Rcos[ωt+(Vo+U)]
式中h为分潮潮高；R为分潮的理论振幅(即半潮差)；ω为分潮的角速率；t为测站所在经度的地方时，ωt即为测时的相角；Vo+U为分潮的天文初相角，按每年1月1日格林平太阳时0时计算得到。
根据平衡潮理论，任一分潮的高潮应发生在假想天体上(下)中天时刻，即相角[ωt+(Vo+U)]＝0时，由于海底摩擦、海水惯性等原因，近岸实际潮汐的高潮出现在月球上(下)中天之后一段时间(即高潮间隙)。要求得某地某一时刻潮高，需加进一个改正角K，即假设每个分潮的相角有一个K值迟滞，也即是实际分潮出现高潮的时刻要比平衡潮高潮时刻落后K/ω小时。K称为地方迟角或迟角。上式应为：
h＝Rcos[ωt+(Vo+U)－K]
式中，R为变数，若以多年平均值(平均振幅)代替，使R＝fH。f为分潮的振幅改正值，称节点因子或振幅因子；f是时间的函数，通常取一年中间时即格林7月2日12时(闰年取0时)，按每个分潮逐年计算。[ωt+(Vo+U)－K]为分潮相角，均以测站所在经度的地方时表示(格林时、区时、地方时的换算见时间、区时制)，分潮潮高的最终表达式为：
h＝fHcos[ωt+(Vo+U)－K]
即：某地某一时刻t的分潮潮高h可通过每个分潮的H和K计算出来，H和K即为调和常数。
根据调和常数确定潮汐高度通常选用4个全日分潮、4个半日分潮和3个浅水分潮共11个分潮进行观测，将每个分潮绘出一条余弦曲线，h＝Rcos(ωt－Q)，R和Q为实际振幅和迟角，叠加后的曲线即能反映出复杂的实际潮汐过程。潮汐调和常数随地而异，但对某一固定测站却是不变的。
潮汐观测：潮汐观测通常称为水位观测，又称验潮。潮汐观测的目的是为了了解当地的潮汐性质，应用所获得的潮汐观测资料，计算该地区的潮汐调和常数、平均海面、深度基准面、潮汐预报以及提供测量不同时刻的水位改正数等，供给有关军事、交通、水产、测绘等部门使用。潮汐观测通常记录某时刻的潮汐值作为潮汐改正的资料。在高潮和低潮的前后两个小时，记录的时间间隔要短一些，一般为10分钟记录一次。在平潮时，记录的时间间隔可以适当延长。在海上进行水下地形测量时最常用的潮汐观测手段是通过竖立在海边的水尺以人工方式记录潮汐高度。
本发明的有益效果是：通过仿真器所产生的模拟水下地形测量信号，为用户提供逼真的水深测量模拟环境和模拟测量仪器，便于操作人员对测区进行模拟测量，模拟测量结果可以被通用的水深数据分析软件所处理，从而实现水下地形测量方法的模拟训练功能；此外科研机构也可根据仿真器所生成的模拟测量结果对水下地形数据处理算法进行验证。
附图说明
图1为本发明的工作流程图；
图2为模拟测量船位置仿真过程原理图；
图3为卫星定位信号仿真算法原理图；
图4为水深测量信号仿真算法原理图；
图5为水下地形测量仿真器连接结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合说明书附图和具体实例进行阐述。
本发明目的是对水下地形测量的整个过程的仿真，能够操纵模拟测量船航行，并为安装水下地形测量导航采集软件的上位机实时提供测量船位置、所在位置处水深数据。一种水下地形测量仿真方法，其具体步骤包括：
步骤1：用户通过测量船模拟操控器改变模拟测量船模拟船速和舵角，水下地形测量仿真器根据从测量船模拟操控器输入的航速和舵角，在系统内部时钟的控制下，通过位置仿真算法计算模拟测量船所在位置；
步骤2：水下地形测量仿真器通过定位信号仿真算法，根据模拟测量船位置产生带有延迟效应的GPS定位信号，并以用户定义的定位周期，通过串口以要求的格式把GPS定位信号发送到上位机；
步骤3：水下地形测量仿真器通过测量船姿态仿真算法，根据用户设定的海况级，在系统内部时钟的控制下，生成对应当前时刻测量船姿态的测深仪声波发射方向；
步骤4：水下地形测量仿真器通过潮汐预报算法，根据存储在数据库中的潮汐调和常数，计算瞬时潮汐水位高度，按照用户定义的周期显示在水下地形测量仿真器的屏幕上。
步骤5：水下地形测量仿真器通过水深仿真算法，根据模拟测量船位置、测深仪声波发射方向，以及存储在数据库中的水下地形仿真基础数据，计算瞬时水深的测量结果，通过串口按照用户定义的格式及周期把瞬时水深测量结果发送到安装水下地形测量导航采集软件的上位机。
进一步的，所述位置仿真算法为根据模拟测量船在T0时刻的位置(X0,Y0)以及航向角β0，用户输入的船速V0、舵角α0，用户设定的潮流速度Vr，潮流方向
Figure GDA0002402261660000111
潮流方向变化速度ω，潮流方向随机扰动值Rt，模拟测量船转向灵敏度S，计算出模拟测量船在T1时刻的位置(X1,Y1)，具体算法如下：
β1＝(β0+V0*△t*α0*S)Mod 360；
Figure GDA0002402261660000112
Figure GDA0002402261660000113
Figure GDA0002402261660000114
其中：T0和T1为相邻的两次仿真时刻，T1＝T0+△t，△t为用户定义的时钟周期，默认0.1秒；
转向灵敏度S默认值取0.5，可由用户设置为{0.1，0.3，0.5，0.7，0.9，1.0}之间的任意一个数值；
潮流方向变化速度ω默认值为0.1度/秒，可由用户设置为{0.1，0.3，0.5}中的任意一个数值；
潮流方向随机扰动值Rt取一个在-2.0度到+2.0度之间均匀分布的随机数。
进一步的，所述定位信号仿真算法为根据用户设定的延迟时间和当前测量船位置，产生具有延迟效应的GPS定位信号。具体算法如下：
步骤2.1：定义一个单向链表存储测量船位置，链表中每一项内容均为测量船位置(X,Y)；
步骤2.2：系统每经过一个自定义时钟周期△t，根据位置仿真算法计算一次测量船位置X,Y，将其插入链表的头部；
步骤2.3：如果链表的长度大于N＝Td/△t，删除链表最后一个节点；
步骤2.4：系统按照用户设定的定位信号周期取出链表的最后一个节点，将其包含的测量船位置(X,Y)转化为上位机要求的格式从串口1输出。
进一步的，所述水下地形数据库包括水深数据表，潮汐调和常数表，水下声速剖面表；其中水深数据表中存放的是模拟测区的水下地形点云数据；潮汐调和常数表存放的是模拟测区的11个潮汐调和常数；声速剖面表存放的是模拟测区不同深度下的声波传播速度。各数据表的具体结构如下：
(1)水深数据表
Figure GDA0002402261660000121
(2)潮汐调和常数表
Figure GDA0002402261660000122
Figure GDA0002402261660000131
(3)水下声速剖面表
字段名称 数据类型 备注
ID Int 自增一标识
水深 Int 水深值
声速 Decimal 水下声速值
进一步的，通过潮汐预报算法，根据存储在数据库中的潮汐调和常数，计算瞬时潮汐水位高度，按照用户定义的周期显示在水下地形测量仿真器的屏幕上。
进一步的，所述测量船姿态仿真算法为根据用户设定的海况级和模拟测量船位置，计算模拟测深仪所发射声波在海底照射范围中心的平面坐标，具体算法如下：
步骤3.1：定义模拟测量船位置坐标为(Xc,Yc,0)，从数据库中的水深数据表中查询与(Xc,Yc)平面距离最小的一个水深点P，取出该点的水深值Zp；
步骤3.2：以模拟测量船所在位置(Xc,Yc,0)为坐标原点，按照如下公式计算测量船受海浪影响发生横摇和纵摇时，模拟测深仪所发射声波在海底照射范围的中心位置Xr,Yr,Zr；
Figure GDA0002402261660000132
公式中Roll为测量船的横摇角，取值为区间[-3*G,+3*G]内均匀分布的一个随机数；Pitch为测量船的纵摇角，取值为区间[-2*G,+2*G]内均匀分布的一个随机数；G为用户设定的海况级，取值为[0,1,2,3,4,5]中任意一个数，默认值为0；
步骤3.3：按照如下公式计算测深仪发射声波在海底照射区域中心的平面位置坐标(Xcent,Ycent)
Figure GDA0002402261660000133
Figure GDA0002402261660000134
其中Th为当前时刻潮汐高度，根据数据库中的调和常数通过潮汐预报算法计算得到。
进一步的，所述水深仿真方法为根据测深仪发射声波在海底照射范围的中心位置、水下地形基础数据、用户设定的声波波束角，计算测量得到的瞬时水深测量结果数据，具体算法如下：
步骤5.1：根据用户设定的波束角θ、测量船所在位置处的水深Zp、瞬时潮高Th，计算模拟测深仪发射声波在海底照射范围的半径R＝(Zp+Th)*tan(θ)；
步骤5.2：以(Xcent,Ycent)为中心选取4个候选点P1(XP1，YP1)，P2(XP2，YP2)，P3(XP3，YP3)，P4(XP4，YP4)，其中：
Figure GDA0002402261660000141
Figure GDA0002402261660000142
Figure GDA0002402261660000143
Figure GDA0002402261660000144
步骤5.3：在数据库的水深数据表中分别检索与每个候选点的平面距离小于R/2的全部邻域水深点，并计算候选点与其每个邻域水深点的平面距离，最后通过距离反比加权插值算法计算P1、P2、P3、P4这四个候选点的水深Z1、Z2、Z3、Z4；
步骤5.4：根据四个候选点的平面坐标和水深分别计算它们与模拟测深仪所在位置(Xc,Yc,0)之间的距离
Figure GDA0002402261660000145
i＝1，2，3，4；并选取最小的一个Di作为当前位置水深值D；
步骤5.5：根据存储在数据库中的水下声速数据计算水深D对应的声波从发射到接收的总传播时间T，
Figure GDA0002402261660000146
其中i对应从海面开始计算的水深层序号，m为水深D所对应的水深层序号；△Hi为第i层到第i+1层之间的距离，通过两层在数据库中对应的深度相减得到；Vi和Vi+1分别为第i层和第i+1层的水下声速；
步骤5.6：计算瞬时水深测量结果
Figure GDA0002402261660000147
其中Vs是用户设定的水下平均声速。
另一方面，本申请提供的技术方案是一种水下地形测量仿真器，其在逻辑结构上包括水下地形测量仿真软件、水下地形仿真数据库、水下地形测量仿真设备以及测量船模拟操控器。
水下地形测量仿真软件安装在水下地形测量仿真设备里，用于接收用户通过测量船模拟操控器发送的船速、舵角数据，根据这些数据和水下地形仿真数据库中存储的基础数据实时计算出瞬时水深信号和卫星定位信号，通过设备上的串口发送到水下地形测量导航采集系统中；
水下地形仿真数据库用于为水下地形测量仿真软件提供计算仿真数据的各类基础数据，包括模拟测区的水下地形点云数据、模拟测区潮汐调和常数；
水下地形测量仿真设备用于安装水下地形测量仿真软件和水下地形仿真数据库，设备包含一个液晶显示屏、三个USB接口、四个串行接口和一个RJ-45网络接口，设备内部包含一块主板和一个硬盘，主板上集成了CPU、内存与显卡；水下地形测量仿真设备用于运行水下地形测量仿真软件，并提供对外发送数据的接口；液晶显示屏用于实时显示船速、航向、舵角、波束角、潮流流速、潮流流向、潮汐高度、仿真器工作状态信息；
测量船模拟操控器为标准的windows游戏摇杆(方向盘)，用于为用户提供操纵模拟测量船的平台，通过USB传输线连接到水下地形测量仿真设备上；用户可以通过测量船模拟操控器上的按钮改变模拟测量船的速度和舵角，也可以通过操控器上的按钮设定仿真器的各项参数。
水下地形测量仿真器的技术方案如下：
如附图1所示，仿真器在软件结构上包括测量船模拟操控模块、模拟测量船位置仿真模块、模拟测量船姿态仿真模块、潮汐仿真模块和水深仿真模块。各模块协同工作，按照用户指定的周期输出水深与位置数据。
在工作时，首先通过串口线把水深测量仿真器与安装水下地形测量导航采集软件的上位机连接起来。然后由测量船模拟操控器实时生成模拟测量船的船速与舵角，控制模拟测量船按照计划好的测线航行。位置仿真模块根据模拟测量船的位置自动产生对应的GPS定位信号，姿态仿真模块根据用户设定的海况计算模拟测深仪发射声波在海底的照射区域，潮汐仿真模块根据存储在，数据库中的潮汐调和常数计算对应当前时刻的潮汐高度。水深仿真模块根据前述仿真结果计算对应的测量水深，最后把水深信号和GPS信号同时发送到导航采集系统，完成水深测量仿真。
各软件模块作用如下：
(1)测量船模拟操控模块：测量船模拟操控模块的主要功能是操纵控制模拟测量船在一定的海况下，在模拟测量区域内按照用户指定的方向前进，并输出模拟测量船的瞬时位置。模拟测量船位置仿真原理及过程如图2所示。
(2)测量船位置仿真模块：测量船位置仿真模块的核心是在输出的仿真信号中正确反映设定的GPS信号延迟时间。对于处于运动状态的测量船，由于GPS设备自身的计算能力，所给出的GPS位置总是会延迟一段时间，大约是0.1到0.5秒。GPS信号仿真模块把接收到的测量船位置按照时间顺序存放在一个长度固定的链表中。每秒输出信号时，根据链表查找经过延时的GPS坐标，其原理如图3所示。
(3)测量船姿态仿真模块：测量船姿态仿真模块的主要功能是仿真在海面风浪影响下，测深仪发射波束在海底照射区域的范围。仿真器根据用户设定的海况计算模拟测深仪发射声波的瞬时横摇角和纵摇角，进而根据模拟测量船当前位置计算出测深仪发射波束在海底照射区域的范围
(4)潮汐仿真模块：潮汐仿真模块的作用是仿真对应当前时刻的瞬时潮汐高度。潮汐仿真模块通过潮汐预报算法和存储在数据库中的潮汐调和常数计算瞬时潮汐高度。
(5)水深测量信号仿真模块：水深测量信号仿真模块的原理是先根据当前的海况确定模拟超声波波束的方向，进而根据测量船位置计算其在水底所照射的波束范围，并在波束范围内确定4个候选点，通过距离反比加权插值算法根据每个候选点邻域内的水深点计算候选点位置处的水深，然后计算每个候选点到换能器的斜距并选择最小的一个，加上当前潮汐高度作为测量水深。其原理如图4所示。
本实施例的特点是：通过水下地形测量仿真器模拟生成水下地形测量中测深仪和GPS接收机输出的水深及位置信号，并模拟进行测量船操纵控制。具体包括：(1)通过模拟测量船操控设备操纵模拟测量船航行；(2)通过自定义算法在模拟测量船航行中连续输出模拟测量船位置信号；(3)通过自定义算法在模拟测量船航行中连续输出水深信号。
一种水下地形测量仿真器，其在逻辑结构上包括水下地形测量仿真软件、水下地形仿真数据库、水下地形测量仿真设备以及测量船模拟操控器。
水下地形测量仿真软件安装在水下地形测量仿真设备里，用于接收用户通过测量船模拟操控器发送的船速、舵角数据，根据这些数据和水下地形仿真数据库中存储的基础数据实时计算出瞬时水深信号和卫星定位信号，通过设备上的串口发送到水下地形测量导航采集系统中；
水下地形仿真数据库用于为水下地形测量仿真软件提供计算仿真数据的各类基础数据，包括模拟测区的水下地形点云数据、模拟测区潮汐调和常数；水下地形测量仿真设备用于安装水下地形测量仿真软件和水下地形仿真数据库，设备包含一个液晶显示屏、三个USB接口、两个串行接口和一个RJ-45网络接口，设备内部包含一块主板和一个硬盘，主板上集成了CPU、内存与显卡；水下地形测量仿真设备用于运行水下地形测量仿真软件，并提供对外发送数据的接口；液晶显示屏用于实时显示船速、航向、舵角、波束角、潮流流速、潮流流向、潮汐高度、仿真器工作状态信息；测量船模拟操纵设备用于用户操纵模拟测量船按照计划好的测线航行；模拟测量船操纵设备是一个方向盘形式的WINDOWS游戏摇杆，在本发明中，摇杆上的各按钮功能如下：按钮1：减小声波波束角；按钮2：增加模拟测区海况级；按钮3：减小模拟测区海况级；按钮4：增加声波波束角；按钮5：增加模拟测量船速度；按钮6：减小模拟测量船速度；按钮7：停止仿真；按钮8：开始仿真；按钮9：减小GPS信号延迟时间；按钮10：增加GPS信号延迟时间；视觉头盔上按钮：增加模拟测区潮流速度；视觉头盔下按钮：减小模拟测区潮流速度；视觉头盔左按钮：减小模拟测区潮流方向；视觉头盔右按钮：增加模拟测区潮流方向；方向盘左按钮：舵角向左舷方向增加；方向盘右按钮：舵角向右舷方向增加。
在进行仿真时，用户通过操控器上的方向盘改变模拟测量船的舵角，通过操控器上的档位杆设定模拟测量船的航速，从而控制模拟测量船沿着用户设计的航线航行。其它按钮用于设定系统仿真参数。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.水下地形测量仿真方法，其特征在于：
步骤1：用户通过测量船模拟操控器改变模拟测量船的船速和舵角，水下地形测量仿真器根据模拟测量船的船速和舵角，在系统内部时钟的控制下，按照用户定义的周期，通过位置仿真算法计算模拟测量船所在位置；
步骤2：水下地形测量仿真器通过定位信号仿真算法，根据模拟测量船位置产生带有延迟效应的GPS定位信号，并以用户定义的定位周期，通过串口把GPS定位信号发送到上位机；
步骤3：水下地形测量仿真器通过测量船姿态仿真算法，根据用户设定的海况级，在系统内部时钟的控制下，按照用户定义的周期，生成对应当前时刻测量船姿态的测深仪声波发射方向；
步骤4：水下地形测量仿真器通过潮汐预报算法，根据存储在数据库中的潮汐调和常数，计算瞬时潮汐水位高度，按照用户定义的周期显示在水下地形测量仿真器的屏幕上；
步骤5：水下地形测量仿真器通过水深仿真算法，根据模拟测量船位置、模拟测量船姿态、以及存储在数据库中的水下地形仿真基础数据，计算瞬时水深的测量结果，通过串口按照用户定义的格式及周期把瞬时水深测量结果发送到安装水下地形测量导航采集软件的上位机。
2.根据权利要求1所述的水下地形测量仿真方法，其特征在于：所述位置仿真算法为根据模拟测量船在T0时刻的位置(X0,Y0)以及航向角β0，用户输入的船速V0、舵角α0，用户设定的潮流速度Vr，潮流方向
Figure FDA0002402261650000011
潮流方向变化速度ω，潮流方向随机扰动值Rt，模拟测量船转向灵敏度S，计算出模拟测量船在T1时刻的位置(X1,Y1)，具体算法如下：
β1＝(β0+V0*△t*α0*S)Mod 360；
Figure FDA0002402261650000012
Figure FDA0002402261650000013
Figure FDA0002402261650000014
其中：T0和T1为相邻的两次仿真时刻，T1＝T0+△t，△t为用户定义的时钟周期，默认0.1秒；
转向灵敏度S默认值取0.5，可由用户设置为{0.1，0.3，0.5，0.7，0.9，1.0}之间的任意一个数值；
潮流方向变化速度ω默认值为0.1度/秒，可由用户设置为{0.1，0.3，0.5}中的任意一个数值；
潮流方向随机扰动值Rt取一个在-2.0度到+2.0度之间均匀分布的随机数。
3.根据权利要求1所述的水下地形测量仿真方法，其特征在于：所述定位信号仿真算法为根据用户设定的延迟时间Td和当前测量船位置，产生具有延迟效应的GPS定位信号；具体算法如下：
步骤2.1：定义一个单向链表存储测量船位置，链表中每一项内容均为测量船位置(X,Y)；
步骤2.2：系统每经过一个自定义时钟周期△t，根据位置仿真算法计算一次测量船位置(X,Y)，将其插入链表的头部；
步骤2.3：如果链表的长度大于N＝Td/△t，删除链表最后一个节点；
步骤2.4：系统按照用户设定的定位信号周期取出链表的最后一个节点，将其包含的测量船位置(X,Y)转化为上位机要求的格式从串口1输出。
4.根据权利要求1所述的水下地形测量仿真方法，其特征在于：所述数据库包括水深数据表，潮汐调和常数表，声速剖面表；其中水深数据表中存放的是模拟测区的水下地形点云数据；潮汐调和常数表存放的是模拟测区的11个潮汐调和常数；声速剖面表存放的是模拟测区不同深度下的声波传播速度。
5.根据权利要求1所述的水下地形测量仿真方法，其特征在于：所述测量船姿态仿真算法为根据用户设定的海况级和模拟测量船位置，计算模拟测深仪所发射声波在海底照射范围中心的平面坐标，具体算法如下：
步骤3.1：定义模拟测量船位置坐标为(Xc,Yc,0)，从数据库中的水深数据表中查询与(Xc,Yc)平面距离最小的一个水深点P，取出该点的水深值Zp；
步骤3.2：以模拟测量船所在位置(Xc,Yc,0)为坐标原点，按照如下公式计算测量船受海浪影响发生横摇和纵摇时，模拟测深仪所发射声波在海底照射范围的中心位置Xr,Yr,Zr；
Figure FDA0002402261650000021
公式中Roll为测量船的横摇角，取值为区间[-3*G,+3*G]内均匀分布的一个随机数；Pitch为测量船的纵摇角，取值为区间[-2*G,+2*G]内均匀分布的一个随机数；G为用户设定的海况级，取值为[0,1,2,3,4,5]中任意一个数，默认值为0；
步骤3.3：按照如下公式计算测深仪发射声波在海底照射区域中心的平面位置坐标(Xcent,Ycent)；
Figure FDA0002402261650000032
其中Th为当前时刻潮汐高度，根据数据库中的调和常数通过潮汐预报算法计算得到。
6.根据权利要求1所述的水下地形测量仿真方法，其特征在于：所述水深仿真方法为根据测深仪发射声波在海底照射范围的中心位置、水下地形基础数据、用户设定的声波波束角，计算测量得到的瞬时水深测量结果数据，具体算法如下：
步骤5.1：根据用户设定的波束角θ、测量船所在位置处的水深Zp、瞬时潮高Th，计算模拟测深仪发射声波在海底照射范围的半径R＝(Zp+Th)*tan(θ)；
步骤5.2：以(Xcent,Ycent)为中心选取4个候选点P1(XP1，YP1)，P2(XP2，YP2)，P3(XP3，YP3)，P4(XP4，YP4)，其中：
Figure FDA0002402261650000033
Figure FDA0002402261650000034
Figure FDA0002402261650000035
Figure FDA0002402261650000036
步骤5.3：在数据库的水深数据表中分别检索与每个候选点的平面距离小于R/2的全部邻域水深点，并计算候选点与其每个邻域水深点的平面距离，最后通过距离反比加权插值算法计算P1、P2、P3、P4这四个候选点的水深Z1、Z2、Z3、Z4；
步骤5.4：根据四个候选点的平面坐标和水深分别计算它们与模拟测深仪所在位置(Xc,Yc,0)之间的距离
Figure FDA0002402261650000037
i＝1，2，3，4；并选取最小的一个Di作为当前位置水深值D；
步骤5.5：根据存储在数据库中的水下声速数据计算水深D对应的声波从发射到接收的总传播时间T，
Figure FDA0002402261650000038
其中i对应从海面开始计算的水深层序号，m为水深D所对应的水深层序号；△Hi为第i层到第i+1层之间的距离，通过两层在数据库中对应的深度相减得到；Vi和Vi+1分别为第i层和第i+1层的水下声速；
步骤5.6：计算瞬时水深测量结果
Figure FDA0002402261650000041
其中Vs是用户设定的水下平均声速。
7.水下地形测量仿真器，其特征在于：
水下地形测量仿真器在逻辑结构上包括水下地形测量仿真软件、水下地形仿真数据库、水下地形测量仿真设备以及测量船模拟操控器；
水下地形测量仿真软件安装在水下地形测量仿真设备里，用于接收用户通过测量船模拟操控器发送的船速、舵角数据，根据这些数据和水下地形仿真数据库中存储的基础数据实时计算出瞬时水深信号和卫星定位信号，通过设备上的串口发送到水下地形测量导航采集系统中；
水下地形仿真数据库用于为水下地形测量仿真软件提供计算仿真数据的各类基础数据，包括模拟测区的水下地形点云数据、模拟测区潮汐调和常数、模拟测区水下声速剖面数据；
水下地形测量仿真设备用于安装水下地形测量仿真软件和水下地形仿真数据库，设备包含一个液晶显示屏、三个USB接口、四个串行接口和一个RJ-45网络接口，设备内部包含一块主板和一个硬盘，主板上集成了CPU、内存与显卡；水下地形测量仿真设备用于运行水下地形测量仿真软件，并提供对外发送数据的接口；液晶显示屏用于实时显示船速、航向、舵角、波束角、潮流流速、潮流流向、潮汐高度、仿真器工作状态信息；
测量船模拟操控器用于为用户提供操纵模拟测量船的设备，通过USB传输线连接到水下地形测量仿真设备上；用户通过测量船模拟操控器上的按钮改变模拟测量船的速度和舵角，通过操控器上的按钮设定仿真器的各项参数。
8.根据权利要求7所述的水下地形测量仿真器，其特征在于：所述测量船模拟操控器为摇杆、方向盘或键盘。
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