一种在水池内进行的船载一体化测量系统精密检校方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及海洋测绘技术领域，具体涉及一种在水池内进行的船载一体化测量系 统精密检校方法。
【背景技术】
[0002] 激光扫描系统可快速获取水面以上大量点云数据，多波束测深仪能够快速获取海 底大面积海底地形信息，集成激光扫描仪和多波束测深仪的"船载水上水下一体化测量系 统"可以同时获取海底地形和近岸水上地形数据，解决近岸海岸带和滩涂地形测量问题。 "船载水上水下一体化测量系统"的整体检校是保障测量精度的重要方面。国内外对综合测 量系统的整体检校方法少有报导，因此对于"船载水上水下一体化测量系统"整体检校方法 有必要进行研究和实施，以保障一体化测量精度。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种在水池内进行的船载一 体化测量系统精密检校方法，设计合理，提高了测量数据的准确性，具有良好的效果。
[0004] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0005] -种在水池内进行的船载一体化测量系统精密检校方法，采用船载水岸线一体化 测量系统，其近岸水上部分包括激光扫描仪和惯性导航系统，水下部分包括多波束测深仪， 水上部分与水下部分通过一个平台支架固连；其中的激光扫描仪用于测量近岸水上地形数 据，多波束测深仪用于测量水下地形数据，惯性导航系统用于为激光扫描仪和多波束测深 仪提供定位息、时间息、姿态息和航向息；
[0006] 所述的在水池内进行的船载一体化测量系统精密检校方法，按照如下步骤进行：
[0007] 步骤1 :建造水池，在水池中建造中心目标墙并在中心目标墙的两侧建造依次等 间距分布的三角形块，中心目标墙的其中一侧等间距分布的三角形块的第一位三角形块低 于另一侧等间距分布的三角形块的第一位三角形块，将中心目标墙以及两侧等间距分布的 三角形块作为检校目标物；以及建立ENU坐标系；
[0008] 步骤2 :通过激光扫描仪和多波束测深仪同时进行信息采集，针对检校目标物获 取水上、水下测量点数据，分别提取水池一侧中心目标墙和两侧三角形块的测量点信息；
[0009] 步骤3 :计算多波束测深仪坐标系相对于惯性导航系统坐标系在横摇、纵摇和艏 摇方向的角度偏转修正量；
[0010] 步骤4 :在完成以上步骤基础上，以激光扫描仪测量的数据为准，根据中心目标墙 和两侧三角形块已知尺寸，获取多波束测深仪坐标系相对于惯性导航系统坐标系偏移量的 修正值。
[0011] 优选地，在步骤3中，具体包括
[0012] 步骤3. 1 :对船载一体化测量系统进行整体粗标定，获取激光扫描仪坐标系以及 多波束测深仪坐标系相对于惯性导航系统坐标系的偏移量和旋转角；
[0013] 步骤3. 2 :对激光扫描仪进行精检校，获得激光扫描仪的精检校参数；
[0014] 步骤3. 3 :以获得的激光扫描仪的精检校参数为基础，以粗标定获得的多波束测 深仪坐标系相对于惯性导航系统坐标系的偏移量和旋转角作为初始值，利用检校目标物在 水上水下保持尺寸与方位一致，选取分别通过多波束测深仪和激光扫描仪获取的测量点数 据进行拟合的平面；
[0015] 对测量船经过可测量获得的三个竖直平面进行了标识：？1、？243。对应水上部分 激光扫描仪测量数据获取平面为Pu、匕2、Py对应水下部分多波束测深仪测量数据拟合平 面为PM1、PM2、PM3。此外，为对纵摇方向进行偏转角度计算，定义平面P4,对应水上部分激光 扫描仪测量数据获取平面为Pw，该平面同时垂直于平面Pu与平面PW对应水下部分多波 束测深仪测量数据拟合平面为PM4，该平面同时垂直于平面PM1与平面PM2。
[0016] 其中对应平面的平面方程为：
[0017] PLl:aLlx+bLly+cLlz= dLl
[0018] PMi:aMix+bMiy+cMiz- dMi
[0019] 其中，i= 1，2,3,4。
[0020] Pu和PM2用于计算多波束测深仪坐标系相对于惯性导航系统坐标系在横摇方向的 角度偏转量；匕 3和PM3用于计算多波束测深仪坐标系相对于惯性导航系统坐标系在艏摇方 向的角度偏转量；由激光扫描仪方面同时垂直于Pu与Pu的平面和多波束测深仪方面 同时垂直于？"与PM2的平面P_计算多波束测深仪坐标系相对于惯性导航系统坐标系在纵 摇方向的角度偏转量。
[0021] 步骤3. 4 :以通过激光扫描仪获取的测量点数据拟合的平面为准，与多波束测深 仪测量数据拟合的平面进行比对；
[0022] 步骤3. 5 :在步骤1中建立的ENU坐标系下，计算通过多波束测深仪获取的测量点 数据拟合的平面相对于通过激光扫描仪获取的测量点数据拟合的平面在横摇、纵摇和艏摇 方向的偏转角度，并确定偏转角度的正负方向；
[0023] 使船右侧靠近目标物并从目标物左侧沿目标物中心平面水平方向航行，使船航行 时惯性导航系统的坐标轴向与ENU坐标系轴向一致。平面的法向量只选取朝向目标物外侧 的法向量进行比较，此时进行计算法向量间的夹角余弦值皆为正值。
[0024] 横摇方向偏转夹角大小与方向确定：
[0025] 首先计算平面1\2和平面PM2法向量的夹角，然后取平面1\2和平面PM2的法向量分 别与向量（〇,〇, 1)求夹角余弦值，若多波束测深仪所求的余弦值小于激光扫描仪所求余弦 值，定义多波束测深仪相对于激光扫描仪横摇角度偏差S 正值；反之，若多波束测深仪 所求的余弦值大于激光扫描仪所求余弦值，则定义多波束测深仪相对于激光扫描仪横摇角 度偏差δ负值。
[0026] 艏摇方向偏转角度大小与方向确定：
[0027] 首先计算平面1\3和平面ΡΜ3法向量的夹角，然后取平面Pu和平面ΡΜ3的法向量分 别与1\2平面的法向量求夹角余弦值，若多波束测深仪所求的余弦值小于激光扫描仪所求 余弦值，定义多波束测深仪相对于激光扫描仪艏摇角度偏差4?为负值；反之，若多波束测深 仪所求余弦值大于激光扫描仪所求余弦值，则定义多波束测深仪相对于激光扫描仪艏摇角 度％为正值。
[0028] 纵摇方向偏转角度大小与方向确定：
[0029] 首先计算平面1\3和平面PM3法向量的夹角，然后取平面PM4法向量和平面Pw法向 量分别与Pu法向量求夹角余弦值，若多波束测深仪所求的余弦值小于激光扫描仪所求余 弦值，定义多波束测深仪平面相对于激光扫描仪平面纵摇偏转角Se为正值；反之，若多波 束测深仪所求的余弦值大于激光扫描仪所求余弦值，定义多波束测深仪平面相对于激光扫 描仪平面纵摇偏转角δ0为负值。
[0030] 步骤3. 6 :获取的三个方向角度偏转修正量分别为多波束测深仪坐标 系相对于惯性导航系统坐标系下的横摇、纵摇和艏摇的角度偏转修正量，单位为弧度。
[0031] 考虑到小角的情况下，对于角度修正量的近似旋转矩阵为
[0032]
[0033] 利用以上旋转矩阵对多波束原始数据进行修正，将测量数据重新归算到地心地固 坐标系下，归算公式为：
[0034]
[0035] 其中：[XeZJ为地心地固坐标系下坐标；[XYZ]J%惯性导航系统中心在地心 地固坐标系下坐标；/?f为当地水平坐标系向地心地固坐标系的旋转矩阵，此处当地水平坐 标系为测量时惯性导航系统中心所在位置为原点建立的当地水平坐标系；私为惯性导航 系统坐标系向当地水平坐标系的旋转矩阵，此处当地水平坐标系为测量时惯性