RU2439614C2 - Method of surveying bottom topography of water body and apparatus for realising said method - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: disclosed method employs reference depths and coordinates (depths and coordinates on the surveyed water body) and calculation of increments of depths and coordinates as a difference between two adjacent distance vectors measured by a multi-beam echo sounder. That way, each depth and its geodesic coordinates are calculated as a sum of increments of adjacent depths and their geodesic coordinates, starting with the depth and geodesic coordinates of the point of the reference depth. A device for realising the method is also disclosed.

EFFECT: high accuracy of surveying the bottom topography.

2 cl, 13 dwg

Description

Изобретение относится к гидрографии, в частности, к способам и техническим средствам съемки рельефа дна путем определения глубин на заданной акватории с определением их геодезических координат.The invention relates to hydrography, in particular, to methods and technical means for surveying the bottom topography by determining depths in a given water area and determining their geodetic coordinates.

Известен способ съемки рельефа дна акватории эхолотом [1], включающий прохождение судном с установленным на нем эхолотом заданными галсами на акватории, излучение гидроакустических сигналов в сторону дна, прием отраженных от дна сигналов, измерение расстояний от приемоизлучающей антенны эхолота до отражающей поверхности (точек дна), определение географических координат судна, определение геодезических координат приемоизлучающей антенны эхолота, измерение параметров бортовой, килевой и вертикальной качки, истинного курса и скорости судна, определение истинных значений глубин и их геодезических координат с последующей их регистрацией и индикацией.A known method of shooting the topography of the bottom of the water with an echo sounder [1], including the passage of a vessel with an echo sounder installed on it with predetermined tacks in the water, emitting hydroacoustic signals to the bottom, receiving signals reflected from the bottom, measuring distances from the receiving-emitting antenna of the echo sounder to the reflecting surface (bottom points) , determination of the ship’s geographic coordinates, determination of the geodetic coordinates of the echo-sounder receiving-emitting antenna, measurement of side, keel and pitching parameters, true heading and speed with bottom, determining the true values of the depths and geodetic coordinates with subsequent recording and display.

Известно также устройство для осуществления данного способа, представляющее собой эхолот [2], содержащий приемоизлучающую антенну, передающий блок, приемоизмерительный блок, блок управления, блок регистрации, обработки картирования рельефа дна, в котором выход приемоизлучающей антенны подключен к входу приемоизмерительного блока, выход передающего блока соединен с приемоизлучающей антенной, выходы приемоизлучающего блока подключены к входу блока регистрации, обработки и картирования рельефа дна, входы которого соединены с выходами судовых измерителей составляющих качки, курса, скорости и координат, а блок управления соединен с передающим блоком, приемоизмерительным блоком и блоком сбора информации, обработки и картирования рельефа дна.It is also known a device for implementing this method, which is an echo sounder [2] containing a transceiving antenna, a transmitting unit, a receiving unit, a control unit, a recording unit, processing for mapping the bottom topography, in which the output of the receiving unit is connected to the input of the receiving unit, output of the transmitting unit connected to the receiving-radiating antenna, the outputs of the receiving-radiating unit are connected to the input of the registration unit, processing and mapping of the bottom topography, the inputs of which are connected to the outputs with oud meters of components of pitching, heading, speed and coordinates, and the control unit is connected to a transmitting unit, a receiving and measuring unit and a unit for collecting information, processing and mapping the bottom topography.

Существенными недостатками известного способа и устройства являются сравнительно невысокая точность съемки рельефа дна акватории, не удовлетворяющая предъявляемым требованиям к гидрографической съемке (см., например: Правила гидрографической службы №4 (ПГС №4 - Съемка рельефа дна, часть 2 - Требования и методы), Л., ГУНиО МО СССР, 1984), а также существенная трудоемкость выполнения способа, что обусловлено необходимостью выполнения вычислений, связанных с определением поправок за отклонение действительной средней скорости звука в воде от используемых в вычислениях расчетных значений средней скорости звука в воде для конкретного эхолота, определяемой косвенным путем по измеренным значениям температуры, солености и плотности морской воды на принятых в практике стандартных горизонтах по глубине или путем непосредственного измерения скорости звука в равномерно распределенных точках по всей площади акватории.Significant disadvantages of the known method and device are the relatively low accuracy of surveying the topography of the bottom of the water area, which does not meet the requirements for hydrographic survey (see, for example: Rules of the hydrographic service No. 4 (ASG No. 4 - Survey of the bottom relief, part 2 - Requirements and methods), L., GUNiO MO USSR, 1984), as well as the significant complexity of the method, due to the need to perform calculations associated with determining corrections for the deviation of the actual average speed of sound in water from and polzuemyh in calculations calculated mean sound velocity values in water for a specific sonar determined indirectly from the measured values of temperature, salinity and sea water density adopted in practice standard horizons in depth or by direct measurement of the sound velocity in a uniformly distributed points throughout the water area.

Ввиду того, что требуемая достоверность определения средней скорости звука расчетным путем обеспечивается только в малой локальной пространственной области, в которой измеряется температура, соленость и плотность морской воды или непосредственно скорость распространения звука в воде для конкретного эхолота, то точность съемки рельефа дна в конечном итоге отягощается погрешностью, обусловленной влиянием мелкомасштабной и крупномасштабной изменчивостью во времени ветрового перемещения и турбулентности внутренних волн, подводных течений. Эта погрешность может достигать 3% от измеряемой глубины (см., например: D.E.Dinn, B.D.Loncarevic. The effect of so und velocity errors on multibeam sonar depth accuracy // Proccedings of American Hydrograhic Symposium. 1995, p.1001-1009).Due to the fact that the required reliability of determining the average speed of sound by calculation is provided only in a small local spatial region in which the temperature, salinity and density of sea water are measured or the sound propagation velocity in water for a particular echo sounder, the accuracy of recording the bottom topography is ultimately aggravated error due to the influence of small-scale and large-scale variability in time of wind displacement and turbulence of internal waves, underwater opinions. This error can reach 3% of the measured depth (see, for example: D.E.Dinn, B.D. Loncarevic. The effect of so und velocity errors on multibeam sonar depth accuracy // Proccedings of American Hydrograhic Symposium. 1995, p.1001-1009).

В соответствии с требованиями стандарта Международной гидрографической организации (см., например: // Записки по гидрографии. СПб., ГУНиО МО РФ, №248, 1999, с.27-32) на акваториях с глубинами свыше 200 м, на которых выполняется съемка в интересах безопасности судоходства, средняя квадратичная погрешность (СКП) определения глубины не должна превышать 0,3%.In accordance with the requirements of the standard of the International Hydrographic Organization (see, for example: // Notes on hydrography. St. Petersburg, GUNiO of the Ministry of Defense of the Russian Federation, No. 248, 1999, p. 27-32) in water areas with depths over 200 m, where the survey is performed in the interests of safety of navigation, the mean square error (UPC) of determining the depth should not exceed 0.3%.

При использовании известного способа съемки рельефа и устройства для его осуществления СКП определения глубины составляет для глубин до 100 м от 0,7 до 3,5 м, а для глубин до 200 м от 2,3 до 11,0 м соответственно, что не удовлетворяет предъявляемым требованиям.When using the known method of shooting a relief and a device for its implementation, the UPC determines the depth for depths up to 100 m from 0.7 to 3.5 m, and for depths up to 200 m from 2.3 to 11.0 m, respectively, which does not satisfy the requirements.

Известны также способы съемки рельефа дна с использованием многолучевого эхолота [3, 4, 5], которые включают вождение судна-носителя многолучевого эхолота (МЛЭ) по заданному маршруту (запланированным съемочным галсам); излучение гидроакустических сигналов до дна и прием отраженных эхосигналов от дна в зоне зондирования; измерение расстояний от антенны до мест отражения от поверхности дна данных сигналов МЛЭ; определение геодезических координат центра приема антенны судового приемника навигационного средства определения места судна; измерение параметров бортовой, килевой и вертикальной качек судна носителя МЛЭ судовым навигационным комплексом; фиксацию времени момента приема отраженных эхосигналов и момента обсервации судна-носителя; вычисление по полученным данным глубин акватории и их геодезических координат, а также определение необходимых к ним поправок.There are also known methods for surveying the bottom topography using a multi-beam echo sounder [3, 4, 5], which include driving a multi-beam echo sounder (MBE) carrier vessel along a predetermined route (planned survey tacks); emitting hydroacoustic signals to the bottom and receiving reflected echo signals from the bottom in the sensing zone; measuring distances from the antenna to the places of reflection from the bottom surface of these MBE signals; determination of the geodetic coordinates of the antenna receiving center of the ship receiver of the navigation means for determining the ship's position; measurement of the parameters of the onboard, keel and vertical qualities of an MBE carrier ship by a ship navigation complex; recording the time of receipt of the reflected echo signals and the moment of observation of the carrier vessel; calculation of the depths of the water area and their geodetic coordinates based on the data obtained, as well as determining the corrections necessary for them.

Недостатком данных способов является то, что они имеют недостаточно высокую точность и сложны в использовании. Это объясняется тем, что при их использовании локально определяемая общая поправка к измеряемым с помощью эхолота глубинам принимается неизменной для всего района съемки. Вследствие пространственно-временной изменчивости гидрологических условий значение средней скорости звука в воде, используемое для расчета глубины, будет отличаться от фактического значения в точке измерения глубины. Следовательно, в измеренные эхолотом расстояния до дна будет вноситься систематическая погрешность, которая имеет существенную величину и не может быть исключена в принятом подходе к ее учету в существующих способах съемки.The disadvantage of these methods is that they are not high enough accuracy and difficult to use. This is explained by the fact that when they are used, the locally determined general correction to the depths measured using the echo sounder is assumed to be unchanged for the entire survey area. Due to the spatiotemporal variability of hydrological conditions, the mean sound velocity in water used to calculate the depth will differ from the actual value at the depth measurement point. Therefore, a systematic error will be introduced into the distances measured by the echo sounder, which is significant and cannot be excluded in the accepted approach to its accounting in existing survey methods.

Известные способы, приближенно решают задачу учета высоты мгновенного уровня по его измерениям на удаленном от места измерения, глубины на уровневом посту. Вследствие волнения и наклона уровневой поверхности мгновенный уровень по высоте будет отличаться от наблюдаемого на уровневом посту, что будет вносить дополнительную погрешность в определяемую глубину, имеющую случайную и систематическую составляющие.Known methods approximately solve the problem of taking into account the height of the instantaneous level according to its measurements at a distance from the measurement site, and depth at the level post. Due to the excitement and inclination of the level surface, the instantaneous level in height will differ from that observed at the level post, which will introduce additional error into the determined depth, which has random and systematic components.

Также к неустраняемым погрешностям, носящим систематический характер, относятся погрешности, вносимые рассогласованием приборных (прежде всего, эхолотной) и судовой систем координат. Это - неточное знание взаимного положения датчиков и неточное знание углового ориентирования конструктивных осей антенны эхолота относительно судовой системы координат.Also, fatal errors that are systematic in nature include errors introduced by the mismatch of instrumental (primarily sonar) and ship coordinate systems. This is an inaccurate knowledge of the relative position of the sensors and an inaccurate knowledge of the angular orientation of the structural axes of the echo sounder antenna relative to the ship's coordinate system.

В известных способах для определения поправки эхолота, связанной с пространственной неоднородностью скорости звука в воде, на глубинах до 30 м (согласно нормативным документам по съемке рельефа дна), необходимо производить сложное и трудоемкое действие - тарирование эхолота специальным тарирующим устройством. Причем данная операция должна осуществляться не менее двух раз в сутки (в начале и в конце съемки) с целью определения поправки эхолота. На акваториях с глубинами свыше 30 м должно осуществляться измерение на гидрологических станциях температуры, солености и давления воды или скорости распространения звука в воде специальным измерителем для определения поправки за отклонение действительной скорости звука в воде от расчетной и за рефракцию акустического луча эхолота.In the known methods for determining the correction of the echo sounder, associated with the spatial heterogeneity of the speed of sound in water, at depths of up to 30 m (according to regulatory documents for surveying the bottom topography), it is necessary to perform a complex and time-consuming operation - calibration of the echo sounder with a special calibration device. Moreover, this operation should be carried out at least twice a day (at the beginning and at the end of the survey) in order to determine the correction of the echo sounder. In water areas with depths greater than 30 m, the temperature, salinity and pressure of water or the speed of sound propagation in water should be measured at hydrological stations with a special meter to determine the correction for the deviation of the actual speed of sound in water from the calculated one and for refraction of the sonar sonic beam.

При тарировании эхолота необходимо прекращать съемку и переходить на участок акватории съемки с наибольшими глубинами, где при нахождении судна на якоре или в дрейфе осуществлять погружение (подъем) с борта судна контрольной доски (диска) или приемного вибратора тарирующего устройства в рабочую зону излучающего вибратора эхолота на 10 фиксированных горизонтов тарирования. Погрешность определения поправок эхолота данным методом вследствие неучета изгиба троса под воздействием на погружаемый вибратор или тарирующую доску (диск) течения и дрейфа судна и глазомерного определения глубины горизонта тарирования по меткам на тросе может составлять 1-4% [Н.Д.Коломийчук. Гидрография. Л., ГУНиО МО СССР, 1988, с.240-312]. Для определения с требуемой точностью поправок за изменения осадки судна на мелководье (за проседание судна) необходимо выполнить сравнительно большое число пробегов судна-носителя эхолота на разных глубинах, при различных скоростях и при различной осадке судна с целью получения данных для составления таблиц или номограмм.When calibrating the echo sounder, it is necessary to stop surveying and go to the section of the survey water area with the greatest depths, where, when the vessel is at anchor or in the drift, immerse (lift) the board of the control board (disk) or receiving vibrator of the calibration device from the vessel into the working area of the emitting echo sounder on 10 fixed calibration horizons. The error in determining the corrections of the echo sounder by this method due to the neglect of the bending of the cable under the influence of the ship’s vibrator or taring board (disk) and the drift of the vessel and the eye measurement of the depth of the calibration horizon using marks on the cable can be 1–4% [N. D. Kolomiychuk. Hydrography. L., GUNiO of the Ministry of Defense of the USSR, 1988, p.240-312]. To determine with the required accuracy the corrections for changes in the draft of a vessel in shallow water (for subsidence of a vessel), it is necessary to perform a relatively large number of runs of the carrier vessel of the echo sounder at different depths, at different speeds and at different draft, in order to obtain data for compiling tables or nomograms.

Кроме того, необходимо определить группу инструментальных поправок к измеренным эхолотом расстояниям до дна, определение которых также характеризуется большой сложностью и трудоемкостью. Тарирование измеренных эхолотом наклонных расстояний выполняют путем сравнения значений глубин, измеренных центральным и боковыми лучами эхолота в идентичных точках в зоне полос обследования пересекающихся галсов [Дадашев А.А. Тарирование многолучевого эхолота на пересекающихся галсах // Записки по гидрографии. - 2000. - №251, с.42-46]. Так как расстояния, измеренные центральным зондирующим лучом, содержат большинство из перечисленных погрешностей, а точное совпадение точек отражения на дне, до которых измерены расстояния центральным и боковыми лучами, практически невозможно, то не обеспечивается достижение требуемого уровня точности съемки рельефа дна.In addition, it is necessary to determine the group of instrumental corrections to the distance to the bottom measured by the echo sounder, the determination of which is also characterized by great complexity and laboriousness. The calibration of inclined distances measured by the echo sounder is performed by comparing the depths measured by the central and lateral rays of the echo sounder at identical points in the area of the survey strips of intersecting tacks [Dadashev A.A. Calibration of a multi-beam echo sounder on intersecting tacks // Notes on hydrography. - 2000. - No. 251, p. 42-46]. Since the distances measured by the central probe beam contain most of the above errors, and the exact coincidence of the reflection points at the bottom, to which the distances are measured by the central and side beams, is practically impossible, the required level of accuracy of shooting the bottom topography is not achieved.

На глубинах акватории свыше 30 м поправка эхолота вычисляется как сумма частных поправок, получаемых в результате учета отдельных погрешностей: поправки за отклонение действительной скорости звука в воде от расчетной, поправки за рефракцию, поправки за отклонение частоты вращения электродвигателя от номинальной, поправки за место нуля эхолота, поправки за углубление вибраторов, поправки за наклон дна. Оценим вклад некоторых из них в общую погрешность измерения глубины.At depths of more than 30 m, the echo sounder correction is calculated as the sum of the individual corrections obtained by taking individual errors into account: corrections for the deviation of the actual speed of sound in water from the calculated one, corrections for refraction, corrections for the deviation of the motor speed from the nominal, corrections for the zero position of the echo sounder , corrections for deepening vibrators, corrections for tilting the bottom. Let us evaluate the contribution of some of them to the total error of depth measurement.

Методика определения поправки за отклонение действительной скорости звука в воде от расчетной характеризуется значительной сложностью и трудоемкостью. Это обусловлено тем, что необходимо в точках в начале и в конце съемки и после каждого шторма или в течение всего периода съемки измерять на стандартных горизонтах температуру, соленость и гидростатическое давление воды или непосредственно скорость распространения звука в воде в равномерно распределяемых по площади акватории точках с наибольшими глубинами, что является весьма сложным и трудоемким действием, особенно на больших глубинах. Обработка результатов данных измерений производится по сложному алгоритму. При этом следует отметить, что определенные расчетным методом поправки за отклонение действительной скорости звука в воде от расчетной соответствуют только месту (некоторой незначительной пространственной области), в котором измерялось распределение по вертикали температуры, солености и плотности воды или непосредственно скорости распространения звука в воде.The methodology for determining the correction for the deviation of the actual speed of sound in water from the calculated one is characterized by considerable complexity and laboriousness. This is due to the fact that it is necessary to measure the temperature, salinity and hydrostatic pressure of water or the speed of sound propagation in water at points uniformly distributed over the area of the water area at points at the beginning and end of the survey and after each storm or during the entire survey period the greatest depths, which is a very complex and time-consuming action, especially at great depths. Processing the results of measurement data is performed according to a complex algorithm. It should be noted that the corrections determined by the calculation method for the deviation of the actual speed of sound in water from the calculated one correspond only to the place (some insignificant spatial region) in which the vertical distribution of temperature, salinity and density of water or directly the speed of sound propagation in water was measured.

Известно [Акустика океана. - М.: Наука, 1974.], что поле скорости распространения звука в морях и океанах характеризуется как крупномасштабной, так и мелкомасштабной пространственной неоднородностью и временной изменчивостью в результате наличия ветрового перемешивания, турбулентности, внутренних волн и других процессов. При этом в верхнем слое моря ветровое перемещение создает неоднородности масштабом от долей до единиц метров.It is known [Acoustics of the ocean. - M .: Nauka, 1974.] that the sound velocity field in the seas and oceans is characterized by both large-scale and small-scale spatial heterogeneity and temporal variability as a result of the presence of wind mixing, turbulence, internal waves, and other processes. Moreover, in the upper layer of the sea, wind movement creates inhomogeneities on a scale from fractions to units of meters.

Учет влияния микроструктуры поля скорости звука и ее изменчивости на точность измерения эхолотом глубины и определения ее координат до настоящего времени остается нерешенной проблемой. Следовательно, определение поправки Δzv с требуемой точностью по всей акватории в течение всего периода съемки используемой в настоящее время расчетной методикой по результатам измерений вертикального распределения температуры, солености, давления или скорости звука в воде в разнесенных в пространстве и по времени точках акватории не представляется возможным, особенно на акваториях с наличием мелкомасштабной пространственной и временной изменчивости гидрофизических параметров.Taking into account the influence of the microstructure of the sound velocity field and its variability on the accuracy of measuring the depth with an echo sounder and determining its coordinates remains an unsolved problem to date. Therefore, it is not possible to determine the Δzv correction with the required accuracy over the entire water area during the entire shooting period by the currently used calculation method based on the results of measurements of the vertical distribution of temperature, salinity, pressure, or speed of sound in water at points of the water area spaced in space and time, especially in water areas with the presence of small-scale spatial and temporal variability of hydrophysical parameters.

СКП поправки за рефракцию вследствие того, что ее вычисление основано на данных достаточно редких гидрологических станций, которые вследствие значительной пространственной и временной изменчивости зачастую не соответствуют фактическим гидрологическим условиям на удаленном от станции участке съемки, будет иметь существенную величину. Так, при ошибке в вертикальном профиле скорости звука в 1 м/с для направления приема под углом 60° значение этой СКП может составлять 0.13%. Погрешность измерения глубины вследствие наличия неопределенности направления прихода эхосигнала, обусловленной погрешностью определения скорости звука на поверхности антенны эхолота, равной 1 м/с, достигает 0.2%. Суммарный вклад погрешностей учета рефракции и неопределенности направления приема отраженного сигнала оценивается величиной 0.3-0.5%. [D.F.Dinn, B.D.Loncarevic. The effect of sound velocity errors on multibeam sonar depth accuracy // Proceedings of American Hydrographic symposium. - 1995, p.1001-1009].UPC corrections for refraction due to the fact that its calculation is based on the data of rather rare hydrological stations, which, due to significant spatial and temporal variability, often do not correspond to the actual hydrological conditions at the survey site remote from the station, will be significant. So, with an error in the vertical profile of the speed of sound of 1 m / s for the direction of reception at an angle of 60 °, the value of this SKP can be 0.13%. The error in measuring the depth due to the uncertainty in the direction of arrival of the echo signal, due to the error in determining the speed of sound on the surface of the sonar antenna equal to 1 m / s, reaches 0.2%. The total contribution of refractive errors and the uncertainty in the direction of reception of the reflected signal is estimated at 0.3-0.5%. [D.F.Dinn, B.D. Loncarevic. The effect of sound velocity errors on multibeam sonar depth accuracy // Proceedings of American Hydrographic symposium. - 1995, p.1001-1009].

У эхолотов с широкой диаграммой направленности СКП, обусловленная наличием уклона дна, может достигать 0,6%.In echo sounders with a wide directivity pattern, UPC, due to the presence of a slope of the bottom, can reach 0.6%.

Для определения поправки за высоту уровня необходимо во время съемки рельефа дна выполнять наблюдения за колебанием уровня на постоянном или на дополнительном уровневых постах. СКП поправки за уровень включает СКП определения нуля глубин на постоянных и дополнительных уровневых постах, СКП передачи нуля глубин с постоянных или дополнительных постов на временные, СКП вычисления мгновенного уровня в точке измерения. Суммарная величина погрешности учета высоты уровня может достигать 0.6 м.To determine the correction for the height of the level, it is necessary to observe the fluctuation of the level at a permanent or additional level posts during shooting of the bottom topography. UPC corrections for the level includes UPC determining zero depth at permanent and additional level posts, UPC transmitting zero depth from permanent or additional posts to temporary, UPC calculating the instantaneous level at the measurement point. The total value of the error in taking into account the level height can reach 0.6 m.

Для многолучевых систем при съемке в крупном масштабе важное значение приобретает вопрос взаимного ориентирования приборных систем координат датчиков качки, эхолота и судовой системы координат.For multi-beam systems, when shooting on a large scale, the issue of the mutual orientation of the instrument coordinate systems of the pitching, echo-sounder and ship coordinate systems becomes important.

Погрешность определения координат положения датчиков в судовой системе координат имеет систематический характер. При этом данная погрешность будет иметь постоянный знак и величину.The error in determining the coordinates of the position of the sensors in the ship's coordinate system is systematic. Moreover, this error will have a constant sign and value.

Вследствие приближенного характера современного способа определения центра тяжести судна и положения осей судовой системы координат (СК) ожидать существенного уменьшения этой погрешности за счет увеличения точности измерения координат в системе, которая сама приближенно определена в корпусе судна, не приходится. Еще более сложный характер носит погрешность, вносимая рассогласованием судовой и приборной СК. Вследствие поворота приборной СК относительно судовой СК появится составляющая вектора-расстояния по оси абсцисс последней. За счет возникающей погрешности в угле θ возникнут погрешности в самой измеряемой глубине. Эта погрешность будет иметь постоянный знак, но будет изменяться с изменением θ. Рассогласование эхолотной и судовой систем координат в 0.5° приведет к систематическим погрешностям в определении глубины и ее положения, достигающим соответственно 1% измеренного расстояния и 2% глубины.Due to the approximate nature of the modern way of determining the center of gravity of the vessel and the position of the axes of the ship's coordinate system (SC), it is not necessary to expect a significant reduction in this error due to an increase in the accuracy of measuring coordinates in a system that itself is approximately determined in the ship's hull. An even more complex character is the error introduced by the mismatch of the ship and instrumentation SK. Due to the rotation of the instrument SK relative to the ship SK, a component of the distance vector along the abscissa of the latter will appear. Due to the error in the angle θ, errors occur in the measured depth itself. This error will have a constant sign, but will vary with θ. The mismatch of the echo sounder and ship coordinate systems at 0.5 ° will lead to systematic errors in determining the depth and its position, reaching respectively 1% of the measured distance and 2% of the depth.

Известные способы съемки рельефа дна акватории МЛЭ имеют существенные методические погрешности из-за невозможности учета пространственно-временной изменчивости скорости распространения звука в воде, из-за погрешностей учета высоты мгновенного уровня, из-за невозможности точного учета рассогласования приборных и судовой систем координат, вследствие чего практически не обеспечивает требуемый уровень точности съемки рельефа дна.Known methods for surveying the bottom topography of the MBE water area have significant methodological errors due to the impossibility of taking into account the spatio-temporal variability of the speed of sound propagation in water, because of errors in taking into account the height of the instantaneous level, because of the impossibility of accurately taking into account the mismatch between the instrument and ship coordinate systems, due to which practically does not provide the required level of accuracy of shooting the bottom topography.

Считается, что в обследовании дна особо важных для мореплавания акваторий в ближайшем будущем будут доминировать МЛЭ. Однако вследствие более существенного возрастания влияния рефракции для крайних боковых лучей возрастает и погрешность измеряемых глубин. Следовательно, съемка при использовании МЛЭ с большой шириной захвата может не соответствовать по точности требованиям стандарта МГО. Еще одним существенным недостатком МЛЭ является то, что вследствие расширения освещаемого боковыми лучами пятна на дне за счет увеличения площади осреднения глубины возрастает погрешность измерения глубины. Следовательно, направление разработки в направлении увеличения ширины полосы захвата МЛЭ будет оставаться неэффективным до тех пор, пока не будет решена проблема увеличения разрешающей способности для крайних боковых лучей.It is believed that MBE will dominate the survey of the bottom of especially important areas for navigation in the near future. However, due to a more substantial increase in the influence of refraction for extreme lateral rays, the error in the measured depths also increases. Therefore, shooting using MBE with a wide working width may not meet the accuracy requirements of the IHO standard. Another significant drawback of MBE is that due to the expansion of the spot illuminated by the lateral rays at the bottom due to the increase in the area of depth averaging, the error of depth measurement increases. Therefore, the direction of development in the direction of increasing the width of the MBE capture band will remain ineffective until the problem of increasing the resolution for extreme side rays is solved.

При картировании рельефа дна СКП построения рельефа дна не должна превышать 0,5 мм в масштабе планшета, что в сочетании с погрешностью определения глубины известным способом и устройством для его осуществления в большинстве случаев не позволяет обеспечить и это требование.When mapping the bottom topography of the UPC, the bottom topography should not exceed 0.5 mm on the tablet scale, which, in combination with the error in determining the depth by a known method and device for its implementation, in most cases does not make it possible to provide this requirement.

Кроме того, при производстве съемки рельефа дна с последующим картированием рельефа дна, особенно в прибрежной зоне моря и в узкостях, необходимо иметь картографическую информацию как по суше, так и по прилегающей к ней акватории. Использование для этих целей типографских топографических и навигационных карт достаточно затруднительно. Одной из причин этого являются разные картографические проекции. Топографические карты строятся в проекции Гаусса-Крюгера, а навигационные в проекции Меркатора. Эта же причина является основным препятствием для использования растровых образов типографских карт в электронных геоинформационных системах, каковыми являются средства отображения картированной информации при выполнении съемки рельефа дна.In addition, when surveying the bottom topography with subsequent mapping of the bottom topography, especially in the coastal zone of the sea and in the narrowness, it is necessary to have cartographic information both by land and by the adjacent water area. The use of typographic topographic and navigation maps for these purposes is quite difficult. One of the reasons for this is different cartographic projections. Topographic maps are built in the Gauss-Krueger projection, and navigation maps in the Mercator projection. The same reason is the main obstacle to the use of raster images of printing cards in electronic geographic information systems, which are the means of displaying the mapped information when shooting the bottom topography.

Задачей настоящего технического решения является повышение точности съемки рельефа дна.The objective of this technical solution is to increase the accuracy of shooting the bottom topography.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе съемки рельефа дна акватории эхолотом, установленным на судне, включающим движение судна по заранее установленным галсам, излучение гидроакустических сигналов в направлении дна, прием отраженных от поверхности дна сигналов, измерение расстояний от приемоизлучающей антенны до дна, определение координат судна по внешним источникам информации, измерение бортовой, килевой и вертикальной качки, истинного курса и скорости судна, привязку результатов измерений по времени, определение истинных значений глубин путем учета погрешностей, картирование полученной информации с определением геодезических координат измеренных глубин, определение высоты мгновенного уровня моря, в котором заранее установленные галсы располагают между предварительно выбранными опорными глубинами на поверхности дна акватории съемки, в координатных точках опорных глубин на дне акватории устанавливают пассивные или активные акустические отражатели, определяют глубины относительно нуля глубин над каждым из акустических отражателей и их геодезические координаты, измеряют крайними боковыми лучами эхолота наклонные расстояния до двух опорных глубин, выполняют измерения по замкнутому маршруту (галсу), заканчивая галс измерениями наклонных расстояний до тех же опорных глубин, что и в начале галса, либо до двух других опорных глубин, расположенных на поверхности дна на заданном расстоянии, при определении истинных значений глубин выполняют вычисления невязок, распределяемых в измеренные векторы положения точек дна, в конце каждого галса, при картировании рельефа дна выполняют сопряжение топографических и навигационных растровых карт, измеряют временные интервалы распространения сигналов с последующим их преобразованием в дистанции между акустическими отражателями и гидроакустическими приемоответчиками, которые размещают на линии горизонта работы приемопередающей антенны эхолота, при этом формируют из приемников две навигационные базы с общим центром базы, располагая их в плоскости, параллельной плоскости линии горизонта работы приемопередающей антенны эхолота, при этом ось одной базы Х направлена вдоль осевой линии эхолота, а ось другой базы Y направлена по траверзу вправо, высоту мгновенного уровня моря определяют непосредственно на горизонте приемоизлучающей антенны, учет погрешностей при определении истинных значений глубин выполняют путем приборного измерения скорости звука на горизонте приемоизлучающей антенны, а в устройство для осуществления способа, содержащее приемоизлучающую антенну, передающий блок, приемоизмерительный блок, блок определения средней скорости распространения звука в воде, блок управления и блок сбора, обработки информации и картирование рельефа дна акватории, в котором выход приемопередающей антенны подключен к входу приемоизмерительного блока, выход передающего блока соединен с приемоизлучающей антенной, выходы приемоизмерительного блока подключены к входу блока сбора обработки информации и картирования рельефа дна акватории, входы которого соединены с выходами судовых измерителей составляющих качки, курса, скорости и координат, а блок управления соединен с передающим блоком, приемоизмерительным блоком и блоком сбора информации, обработки и картирования рельефа дна, в которое дополнительно введен блок гидроакустических приемоответчиков, вход которого через блок управления соединен с выходом приемника радионавигационной или/и спутниковой навигационной системы, а выход соединен с входом блока сбора, обработки информации и картирования рельефа дна акватории, и устройство измерения уровня водной поверхности, которое своим выходом соединено с входом блока сбора и обработки информации.The problem is solved due to the fact that in the method of surveying the bottom topography of the water area with an echo sounder installed on the vessel, including movement of the vessel along pre-set tacks, emitting hydroacoustic signals in the direction of the bottom, receiving signals reflected from the bottom surface, measuring distances from the receiving-emitting antenna to the bottom, determining the coordinates of the vessel from external sources of information, measuring the side, keel and vertical pitching, the true heading and speed of the vessel, linking the measurement results in time, determining depth values by taking into account the errors, mapping the information obtained with determining the geodetic coordinates of the measured depths, determining the height of the instantaneous sea level, in which pre-set tacks are placed between pre-selected reference depths on the bottom surface of the survey area, passive ones are set at the coordinate points of the reference depths at the bottom of the water area or active acoustic reflectors, determine the depth relative to zero depths above each of the acoustic reflectors and their geode The geodesic coordinates, measure the inclined distances to the two reference depths with the extreme lateral rays of the echo sounder, perform measurements along a closed path (tack), ending the tack with measurements of the inclined distances to the same reference depths as at the beginning of the tack, or to two other reference depths located at the bottom surface at a given distance, when determining the true depth values, the residuals are calculated, distributed into the measured position vectors of the bottom points, at the end of each tack, when mapping the bottom topography the voltage of topographic and navigation raster charts, measure the time intervals of signal propagation with their subsequent conversion in the distance between acoustic reflectors and sonar transponders, which are placed on the horizon of the sounder’s transceiver antenna, while two navigation bases with a common base center are formed from the receivers, placing them in a plane parallel to the horizon plane of the transceiver antenna of the echo sounder, while the axis of one base X is directed along b is the center line of the echo sounder, and the axis of the other base Y is directed along the traverse to the right, the height of the instantaneous sea level is determined directly on the horizon of the receiving-radiating antenna, the errors are taken into account when determining the true depths by instrumentation measuring the speed of sound at the horizon of the receiving-radiating antenna, and into the device for implementing the method comprising a receiving-radiating antenna, a transmitting unit, a receiving-measuring unit, a unit for determining an average speed of sound propagation in water, a control unit and a collecting unit, information processing and mapping of the relief of the bottom of the water area, in which the output of the transceiving antenna is connected to the input of the receiving-measuring unit, the output of the transmitting unit is connected to the receiving-radiating antenna, the outputs of the receiving-measuring unit are connected to the input of the unit for collecting information processing and mapping of the relief of the bottom of the water area, the inputs of which are connected to the outputs of ship gauges components of pitching, heading, speed and coordinates, and the control unit is connected to a transmitting unit, a receiving and measuring unit, and an information collecting unit , processing and mapping the topography of the bottom, into which an additional unit of hydroacoustic transponders is inserted, the input of which is connected via the control unit to the output of the radio navigation and / or satellite navigation system receiver, and the output is connected to the input of the unit for collecting, processing information and mapping the topography of the bottom of the water area, and the device measuring the level of the water surface, which is connected by its output to the input of the information collection and processing unit.

Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг.1-13).The invention is illustrated by drawings (Fig.1-13).

Фиг.1. Структурная блок-схема устройства. Устройство состоит из приемоизлучающей антенны 1, передающего блока 2, приемоизмерительного блока 3, блока управления 4, блока определения средней скорости распространения звука в воде 5, блока сбора, обработки информации и картирования рельефа дна 6, блока гидроакустических приемоответчиков 7, устройства измерения уровня 8 водной поверхности, приемника радионавигационной или/и спутниковой навигационной системы 9.Figure 1. Structural block diagram of the device. The device consists of a transceiving antenna 1, a transmitting unit 2, a receiving unit 3, a control unit 4, a unit for determining the average speed of sound propagation in water 5, a unit for collecting, processing information, and mapping the topography of the bottom 6, a unit for hydroacoustic transponders 7, a level measuring device 8 for water surface, receiver of radio navigation and / or satellite navigation system 9.

Выход приемопередающей антенны 1 подключен к входу приемоизмерительного блока 3, выход передающего блока 2 соединен с приемоизлучающей антенной 1, выходы приемоизмерительного блока 3 подключены к входу блока сбора обработки информации и картирования рельефа дна акватории 6, входы которого соединены с выходами судовых измерителей составляющих качки, курса, скорости и координат, а блок управления 4 соединен с передающим блоком 2, приемоизмерительным блоком 3 и блоком сбора информации, обработки и картирования рельефа дна 6, в который дополнительно введен блок определения средней скорости распространения звука в воде 5 в направлении излучения гидроакустического сигнала, выход которого через блок управления 4 соединен с входом приемоизмерительного блока 3, блок управления входом-выходом соединен с выходом приемника радионавигационной или/и спутниковой навигационной системы, а выход соединен с входом блока сбора, обработки информации и картирования рельефа дна 6 акватории, блок гидроакустических приемоответчиков 7 своим входом через блок управления 4 соединен с выходом приемника радионавигационной или/и спутниковой навигационной системы 9, устройство измерения уровня 8 водной поверхности своим выходом соединено с входом блока сбора и обработки информации и картирования рельефа дна 6 акватории.The output of the transceiver antenna 1 is connected to the input of the receiving-measuring unit 3, the output of the transmitting unit 2 is connected to the receiving-radiating antenna 1, the outputs of the receiving-measuring unit 3 are connected to the input of the information processing unit and mapping the topography of the bottom of the water area 6, the inputs of which are connected to the outputs of the ship meters of pitching components, heading , speed and coordinates, and the control unit 4 is connected to the transmitting unit 2, the receiving-measuring unit 3 and the unit for collecting information, processing and mapping the topography of the bottom 6, which will complement A unit for determining the average speed of sound propagation in water 5 in the direction of emitting a hydroacoustic signal has been introduced, the output of which through the control unit 4 is connected to the input of the receiving-measuring unit 3, the input-output control unit is connected to the output of the radio navigation and / or satellite navigation system receiver, and the output is connected with the input of the unit for collecting, processing information and mapping the topography of the bottom 6 of the water area, the unit of hydroacoustic transponders 7 through its input through the control unit 4 is connected to the output of the reception ika radionavigation and / or a satellite navigation system 9, its output surface water level measuring device 8 is connected to input data acquisition and processing and mapping bottom relief unit 6 waters.

Приемоизлучающая антенна 1 собрана из пьезокерамических акустических преобразователей, размещенных в одном корпусе, которые используются как для излучения, так и приема отраженных от дна сигналов. В цикле излучения эти преобразователи соединены параллельно, а во время приема эхо-сигналов они работают независимо друг от друга.The receiving-emitting antenna 1 is assembled from piezoceramic acoustic transducers located in one housing, which are used both for radiation and reception of signals reflected from the bottom. In the radiation cycle, these transducers are connected in parallel, and during the reception of echo signals they work independently of each other.

Фиг.2. Передающий блок. Передающий блок 2 состоит из кварцевого генератора 10, стабилизированного по частоте, формирователя 11 периода следования излучаемых импульсов, устройства 12 формирования длительности излучаемого импульса, синхронизатора 13, устройства квантования 14, усилителя мощности 15, преобразователя 16, коммутатора 17.Figure 2. Transmitting unit. The transmitting unit 2 consists of a frequency-stabilized crystal oscillator 10, a shaper 11 of the emitted pulse period, a device 12 for generating the duration of the emitted pulse, a synchronizer 13, a quantization device 14, a power amplifier 15, a converter 16, a switch 17.

Генератор 10 вырабатывает непрерывные колебания частотой 4,8 Мгц, которая посредством синхронизатора 13 снижается до 600 кГц, и формируется импульс излучения. Усилитель мощности 15 усиливает импульс до величины, необходимой для возбуждения электроакустических преобразователей антенны 1. Посредством коммутатора 17 преобразователи антенны 1 во время излучения подключаются к передающему блоку 2, а во время приема к приемоизмерительному блоку 3.The generator 10 generates continuous oscillations with a frequency of 4.8 MHz, which through the synchronizer 13 is reduced to 600 kHz, and a radiation pulse is formed. The power amplifier 15 amplifies the pulse to the value necessary to excite the electro-acoustic transducers of the antenna 1. By means of the switch 17, the transducers of the antenna 1 are connected to the transmitting unit 2 during radiation, and during reception to the receiving-measuring unit 3.

Фиг.3. Приемоизмерительный блок. Приемоизмерительный блок 3 состоит из блока полосовых усилителей 18, антенного усилителя 19, основного усилителя 20, блока формирователей кодов управления 21, блока фильтров 22, амплитудного детектора 23, фильтра 24 нижних частот, коммутатора 25, выходного усилителя 26 и предназначен для приема, усиления и частотной селекции принятых сигналов.Figure 3. Receiving unit. The receiving unit 3 consists of a block of strip amplifiers 18, an antenna amplifier 19, a main amplifier 20, a block of control code drivers 21, a filter block 22, an amplitude detector 23, a low-pass filter 24, a switch 25, an output amplifier 26, and is intended for receiving, amplifying, and frequency selection of received signals.

Фиг.4. Блок управления. Блок управления 4 состоит из ПЗУ микрокоманд 27, ПЗУ управления выбором адреса 28, БИС микропрограммного управления 29, двух микропроцессоров 30, 31, ПЗУ 32, ОЗУ 33, схемы формирования переносов 34, трех буферных регистров 35, 36, 37 и пяти магистралей: магистрали адреса 38, магистрали микрокоманд 39, магистрали D 40, магистрали М 41, магистрали L 42 и предназначен для выработки и трансляции команд и информационных файлов с принимаемой от внешних источников информации, а также информации, находящейся в ПЗУ.Figure 4. Control block. The control unit 4 consists of a micro-command ROM 27, an address selection control ROM 28, a microprogram control LSI 29, two microprocessors 30, 31, a ROM 32, a RAM 33, transfer formations 34, three buffer registers 35, 36, 37 and five highways: highways addresses 38, microcommand line 39, line D 40, line M 41, line L 42 and is designed to generate and broadcast commands and information files received from external sources of information, as well as information located in ROM.

Фиг.5. Блок определения средней скорости распространения звука в воде. Блок определения средней скорости распространения звука в воде 5 состоит из дешифратора микрокоманд 43, буферных каскадов 44, регистра адреса 45, арифметико-логического устройства 46, мультиплексоров 47, дешифратора 48, магистрали А 49, магистрали D 50, аккумулятора 51.Figure 5. Block for determining the average speed of sound propagation in water. The unit for determining the average speed of sound propagation in water 5 consists of a microcommand decoder 43, buffer stages 44, address register 45, arithmetic logic unit 46, multiplexers 47, decoder 48, line A 49, line D 50, and battery 51.

Фиг.6. Блок сбора, обработки информации и картирования рельефа дна. Блок сбора, обработки информации и картирования рельефа дна 6 состоит из приемных регистров 52, блока системной магистрали 53, усилителя 54, диспетчера памяти 55, операционного блока 56, блока управления потоком команд 57, блока микропрограммного управления 58, блока прерываний 59, выходных регистров 60.6. Block for collecting, processing information and mapping the bottom topography. The unit for collecting, processing information and mapping the bottom topography 6 consists of receiving registers 52, a system trunk unit 53, an amplifier 54, a memory manager 55, an operation unit 56, a command flow control unit 57, a microprogram control unit 58, an interrupt unit 59, and output registers 60 .

Фиг.7. Схема формирования навигационной базы, где показаны навигационные спутники 61, акустические отражатели 62, 63, 64, 65, судно 66.7. The formation of the navigation base, which shows the navigation satellites 61, acoustic reflectors 62, 63, 64, 65, ship 66.

Фиг.8. Взаимное расположение приемников секции антенны, где позициями 67, 68, 69, 70 обозначены секции антенны.Fig. 8. The relative position of the receivers of the antenna section, where the positions 67, 68, 69, 70 indicate the antenna sections.

Фиг.9. Функциональная схема приема сигнала "включение", которая включает формирователь характеристики направленности (ФХН) 71, широкополосный фильтр 72 с коррекцией амплитудно-частотной характеристики, ограничитель 73, узкополосный фильтр 74, детектор 75, интегратор 76, пороговую схему 77.Fig.9. Functional diagram of receiving an “on” signal, which includes a directivity driver (PFN) 71, a broadband filter 72 with amplitude-frequency response correction, a limiter 73, a narrow-band filter 74, a detector 75, an integrator 76, a threshold circuit 77.

Фиг.10. Функциональная схема обработки сигналов, которая включает широкополосный фильтр 78 с коррекцией амплитудно-частотной характеристики, ограничитель 79, узкополосный фильтр 80, детектор 81, интегратор 82, узкополосный фильтр 83, детектор 84, интегратор 85, пороговую схему 86, схему выбора максимума 87.Figure 10. Functional diagram of signal processing, which includes a broadband filter 78 with amplitude-frequency response correction, a limiter 79, a narrow-band filter 80, a detector 81, an integrator 82, a narrow-band filter 83, a detector 84, an integrator 85, a threshold circuit 86, a maximum selection circuit 87.

Фиг.11. Спутниковый связной модуль, который включает кодер 88, устройство формирования 89 пакетов сообщений на передачу, устройство формирования 90 алгоритма передачи пакетов сообщений, согласующее устройство 91, устройство управления 92 с программой работы передатчика на излучение (3-8 раз/сутки), передающую антенну 93 ненаправленного типа.11. A satellite communication module, which includes an encoder 88, a device for generating 89 transmission packets of messages, a device for generating 90 message packet transmission algorithms, a matching device 91, a control device 92 with a transmitter program for radiation (3-8 times / day), a transmitting antenna 93 non-directional type.

Фиг.12. СКП съемки рельефа дна многолучевым эхолотом на диапазоне глубин 0-100 м известными способами определения глубины.Fig. 12. UPC surveying the bottom topography with a multi-beam echo sounder at a depth range of 0-100 m by known methods for determining depth.

Фиг.13. СКП съемки рельефа дна многолучевым эхолотом на диапазоне глубин 0-100 м известными способами определения глубины.Fig.13. UPC surveying the bottom topography with a multi-beam echo sounder at a depth range of 0-100 m by known methods for determining depth.

Устройство измерения уровня моря 8 представляет собой устройство автоматической регистрации уровня моря типа ADI-3795A (www.infomarcompany.com).Sea level measuring device 8 is an ADI-3795A type automatic sea level recording device (www.infomarcompany.com).

В отечественной практике для приведения батиметрических измерений к нулю глубин используется две уровневые поверхности: для морей без приливов - средний многолетний уровень моря; для приливных морей - наиболее низкий теоретический уровень. Таким образом, единство измерений глубин не обеспечивается. Неудобство использования наиболее низшего теоретического уровня в качестве нуля глубин для приливных морей заключается в том, что его высота изменяется от места к месту и имеет наклон. Для отсчета высот точек на суше в России используется Балтийская система высот, когда высоты отсчитываются как отрезки нормалей к эллипсоиду, отложенные от поверхности квазигеоида до точек физической поверхности. На морях и океанах квазигеоид совпадает с геоидом. Для обеспечения единства измерений глубин целесообразно ввести единую уровенную поверхность для всех морей. В качестве такой поверхности целесообразно использовать геоид, поверхность которого эквипотенциальна и инвариантна во времени. Для перевода в новую систему уже полученные глубины должны быть перевычислены. При проведении новых съемок для определения положения мгновенной уровенной поверхности должна использоваться спутниковая навигационная система (ГЛОНАСС или GPS в дифференциальном режиме). Геоид определяется уравнением:In domestic practice, two level surfaces are used to bring bathymetric measurements to zero depths: for seas without tides, the average long-term sea level; for tidal seas - the lowest theoretical level. Thus, the unity of depth measurements is not ensured. The inconvenience of using the lowest theoretical level as zero depth for tidal seas is that its height varies from place to place and has a slope. The Baltic system of heights is used to count the heights of points on land in Russia, when heights are counted as normal to ellipsoid segments, deposited from the surface of a quasi-geoid to points on the physical surface. On the seas and oceans, the quasigeoid coincides with the geoid. To ensure the uniformity of depth measurements, it is advisable to introduce a single level surface for all seas. As such a surface, it is advisable to use a geoid whose surface is equipotential and time-invariant. To transfer to the new system, the already obtained depths must be recalculated. When conducting new surveys, a satellite navigation system (GLONASS or GPS in differential mode) should be used to determine the position of the instantaneous level surface. A geoid is defined by the equation:

где W - общий гравитационный потенциал;where W is the total gravitational potential;

W0 - константа, соответствующая принятой модели геоида.W0 is a constant corresponding to the adopted geoid model.

Модель такой поверхности в настоящее время вычислена NIMA и NASA по данным морских гравиметрических съемок и спутниковых радиовысотомерных измерений с погрешностью ±25 см для любой точки в Мировом океане.A model of such a surface is currently computed by NIMA and NASA from marine gravity surveys and satellite-based radio altimeter measurements with an accuracy of ± 25 cm for any point in the oceans.

При промере в прибрежной зоне глубина относительно геоида вычисляется по формуле:When measuring in the coastal zone, the depth relative to the geoid is calculated by the formula:

где z - измеренная глубина от мгновенного уровня;where z is the measured depth from the instantaneous level;

Нр - высота поверхности над геоидом.Нр - surface height above the geoid.

Величина Нр, в свою очередь, определяется по формуле:The value of Нр, in turn, is determined by the formula:

где hэ - измеренная высота судна над эллипсоидом;where he is the measured height of the vessel above the ellipsoid;

Np - высота геоида над эллипсоидом в данной точке.Np is the height of the geoid above the ellipsoid at a given point.

В то время как измеренные величины z и hэ будут измеряться во времени, вычисленная глубина zr будет оставаться постоянной во времени. В дальнейшем, когда hэ и Np будут определяться во Всемирной геодезической системе координат WGS-84 с помощью космических навигационных систем, вычисленная глубина zr будет также определена в этой системе. Такая уровневая поверхность будет обеспечивать единую высотную основу гидрографических измерений во всех морях Российской Федерации.While the measured values of z and he will be measured in time, the calculated depth zr will remain constant in time. In the future, when he and Np will be determined in the World Geodetic Coordinate System WGS-84 using space navigation systems, the calculated depth zr will also be determined in this system. Such a level surface will provide a single altitudinal basis for hydrographic measurements in all the seas of the Russian Federation.

Блок гидроакустических приемоответчиков 7 представляет собой гидроакустическую навигационную систему, в которой применена комбинированная система гидроакустической навигации с длинной и ультракороткой базой, которая позволяет использовать пеленгационную систему решения задачи выхода судна в точку установки акустического отражателя. При этом гидроакустическая антенна активных акустических отражателей, как и судна, представляет собой две имеющие общий центр базы из приемников. При этом если две приемные базы расположены в плоскости, параллельной плоскости палубы, и ортогональны, ось одной базы направлена вдоль осевой линии акустического отражателя, а ось другой базы направлена по траверзу вправо.The unit of hydroacoustic transponders 7 is a hydroacoustic navigation system in which a combined system of hydroacoustic navigation with a long and ultrashort base is used, which allows the use of a direction finding system for solving the problem of a ship's exit to the installation point of an acoustic reflector. At the same time, the hydroacoustic antenna of active acoustic reflectors, like the vessel, is two having a common base of receivers. Moreover, if two receiving bases are located in a plane parallel to the deck plane and are orthogonal, the axis of one base is directed along the axial line of the acoustic reflector, and the axis of the other base is directed to the right along the beam.

Две имеющие общий центр базы из приемников позволяют определить направление на источник сигнала как линию пересечения двух конических поверхностей с совпадающими вершинами. Сдвиг фаз Δφ₁ электрических сигналов двух точечных приемников (первого, второго), поступающих на входы приемного тракта, связан с углом между базовой линией и направлением прихода сигнала соотношениемTwo having a common center base of receivers allow you to determine the direction to the signal source as the line of intersection of two conical surfaces with matching vertices. The phase shift Δφ _{1 of the} electrical signals of two point receivers (first, second) arriving at the inputs of the receiving path is related to the angle between the base line and the direction of arrival of the signal by the ratio

Δφ₁=kcosα, где α - угол прихода сигнала, k - коэффициент, равный k=2πf₀b/c, где b - длина базовой линии, f₀ - несущая частота, с - скорость звука в точке приема сигнала. Таким образом α=arccos(Δφ₁/k). Сдвиг фаз Δφ₂ электрических сигналов двух точечных приемников (третьего и четвертого), поступающих на входы приемного тракта, связан с углом между базовой линией и направлением прихода соотношением Δφ₂=kcosβ, β=arccosΔφ₂/k. Введя вспомогательные углы φ и ψ (фиг.2), получим, что при известной глубине Н подводного объекта выражения для координат подводного объекта Х₀, Y₀ относительно центра базы. При этом плоскость с ординатой Н является третьей поверхностью положения. Очевидно, чтоΔφ ₁ = kcosα, where α is the angle of arrival of the signal, k is a coefficient equal to k = 2πf ₀ b / c, where b is the length of the baseline, f ₀ is the carrier frequency, and s is the speed of sound at the signal receiving point. Thus, α = arccos (Δφ ₁ / k). The phase shift Δφ _{2 of the} electrical signals of two point receivers (third and fourth), arriving at the inputs of the receiving path, is related to the angle between the base line and the direction of arrival by the relation Δφ ₂ = kcosβ, β = arccosΔφ ₂ / k. Introducing the auxiliary angles φ and ψ (Fig. 2), we obtain that for a known depth H of the underwater object, the expressions for the coordinates of the underwater object X ₀ , Y ₀ relative to the center of the base. In this case, the plane with ordinate H is the third position surface. It's obvious that

cosψ=R/D, где D - дистанция, R - наклонная дальность, cosψ=x/D,cosψ = R / D, where D is the distance, R is the slant range, cosψ = x / D,

cosα=x/R(cosΨcosφ)=(Dx)/(RD)=x/R, cosβ=y/R(cosΨcosφ)=(Dy)/(RD)=yRcosα = x / R (cosΨcosφ) = (Dx) / (RD) = x / R, cosβ = y / R (cosΨcosφ) = (Dy) / (RD) = yR

При этом cosα=cosΨcosφ, cosβ==cosΨsinφ, X₀=Hcosφ/tgΨ,Moreover, cosα = cosΨcosφ, cosβ = cosΨsinφ, X ₀ = Hcosφ / tgΨ,

Y₀=Hsinφ/tgΨ. Откуда получаем x₀=сНΔφ1/а; y₀=сНΔφ2/b.Y ₀ = Hsinφ / tgΨ. Where do we get x ₀ = cHΔφ1 / a; y ₀ = cHΔφ2 / b.

Так как плоскость палубы практически никогда не совпадает с плоскостью горизонта, то учитываются также влияние углов крена

и дифферента γ. Дифферент не сказывается на значении y₀, а крен на значении x₀, ось Х направлена вдоль продольной оси подводного объекта, а ось Y направлена по траверзу. Исправленные путем учета крена и дифферента значения координат можно записать следующим образом: x₁=Htg[arctg([0/H)+γ],

, где γ и

- положительные значения при опускания носа и правого борта.Since the plane of the deck almost never coincides with the horizon plane, the influence of roll angles is also taken into account

and trim γ. The trim does not affect the value of y ₀ , and the roll on the value of x ₀ , the X axis is directed along the longitudinal axis of the underwater object, and the Y axis is directed along the beam. The coordinate values corrected by taking into account the roll and trim can be written as follows: x ₁ = Htg [arctg ([0 / H) + γ],

where γ and

- positive values when lowering the nose and starboard side.

Информация о координатах судна относительно подводного акустического отражателя позволяет решить задачу выхода судна в реперную точку, так как она легко преобразуется в значения курсового угла КУ и дистанции D: КУ=arctg(y,x), D=(x²+y²)^1/2. Решение обратной задачи дает возможность определить координаты судна на карте или планшете, на который предварительно наносится реперная точка. В том случае, когда определяется также наклонное расстояние до активного акустического отражателя, третьей поверхностью положения является сфера с радиусом, равным наклонному расстоянию. Формулы для вычисления координат упрощаются и имеют вид х₀=(cRΔφ₁₂)/α, y₀=(cRΔφ₃₂)/β.Information on the coordinates of the vessel relative to the underwater acoustic reflector allows us to solve the problem of the vessel reaching the reference point, since it can easily be converted into the heading angle KU and the distance D: KU = arctan (y, x), D = (x ² + y ² ) ^{1 / 2} . Solving the inverse problem makes it possible to determine the coordinates of the vessel on a map or tablet on which the reference point is previously applied. In the case where the inclined distance to the active acoustic reflector is also determined, the third position surface is a sphere with a radius equal to the inclined distance. The formulas for calculating the coordinates are simplified and have the form x ₀ = (cRΔφ ₁₂ ) / α, y ₀ = (cRΔφ ₃₂ ) / β.

Каждая приемная гидроакустическая антенна состоит из четырех гидрофонов. Секция антенны состоит из двух одноканальных и одного двухканального модуля, располагающихся на линейном несущем кронштейне. Расстояние между приемными гидрофонами двухканального модуля составляет 50 мм. Максимальное разнесение крайних приемников на кронштейне составляет 1000 мм. Кронштейн перфорирован, что позволяет располагать приемники в непосредственной близости друг от друга для проведения фазовой калибровки и с произвольным разнесением для проведения измерений направления прихода акустического сигнала. В качестве приемников-гидрофонов использованы пьезокерамические сферы диаметром 30 мм, внутри которых размещены предварительные усилители с коэффициентом усиления 30 дБ. Сферы размещаются на стальной пластине размером 145×145×10 мм, снабженной элементами крепления и акустической заглушкой с тыльной стороны. Коэффициент подавления звукового сигнала с тыльной стороны составляет не менее 30 дБ.Each receiving hydroacoustic antenna consists of four hydrophones. The antenna section consists of two single-channel and one two-channel module, located on a linear carrier bracket. The distance between the receiving hydrophones of the two-channel module is 50 mm. The maximum spacing of the extreme receivers on the bracket is 1000 mm. The bracket is perforated, which allows the receivers to be located in close proximity to each other for phase calibration and with arbitrary spacing for measuring the direction of arrival of the acoustic signal. Piezoceramic spheres with a diameter of 30 mm are used as hydrophone receivers, inside of which preliminary amplifiers with a gain of 30 dB are placed. The spheres are placed on a steel plate measuring 145 × 145 × 10 mm, equipped with fasteners and an acoustic plug on the back side. The suppression ratio of the audio signal from the back is at least 30 dB.

Антенный комплекс состоит из 8-канальной 2-секционной приемной гидроакустической антенны и гидроакустической излучающей антенны.The antenna complex consists of an 8-channel 2-section receiving hydroacoustic antenna and a hydroacoustic emitting antenna.

Каждая секция приемной антенны представляет собой 4-элементный неэквидистантный гидрофонный модуль, предназначенный для измерения проекции вектора прихода акустического сигнала на одну из горизонтальных осей в режиме ультракороткой базы, в пеленгационном режиме, либо для приема сигналов в режиме длинной базы на 4 рабочих частотах. Секции приемной антенны расположены в горизонтальной плоскости перпендикулярно друг к другу.Each section of the receiving antenna is a 4-element non-equidistant hydrophone module designed to measure the projection of the acoustic signal arrival vector onto one of the horizontal axes in the ultrashort base mode, in the direction finding mode, or for receiving signals in the long base mode at 4 operating frequencies. Sections of the receiving antenna are located in a horizontal plane perpendicular to each other.

Таким образом, когда все гидрофоны производят прием на одной и той же рабочей частоте, реализуется режим определения задержки и направления прихода отклика от фиксированного активного акустического отражателя в режиме ультракороткой базы, а когда каждый из гидрофонов настроен на свою рабочую частоту, осуществляется режим измерения задержек от нескольких акустических отражателей в режиме длинной базы. Система передачи информации по гидроакустическому каналу реализуется с использованием штатных средств гидроакустической связи. При этом в качестве устройств формирования и обработки сигналов могут быть применены как имеющаяся в составе гидроакустическая аппаратура, обеспечивающая режим гидроакустической связи, так и дополнительные устройства в виде приставок, подключаемых к их передающему и приемному трактам.Thus, when all hydrophones receive at the same working frequency, the mode for determining the delay and direction of arrival of the response from a fixed active acoustic reflector in the ultrashort base mode is implemented, and when each of the hydrophones is tuned to its working frequency, the measurement mode of delays from multiple acoustic reflectors in long base mode. A system for transmitting information through a sonar channel is implemented using standard sonar communication facilities. At the same time, as the devices for generating and processing signals, both the hydroacoustic equipment available in the composition, providing the hydroacoustic communication mode, and additional devices in the form of consoles connected to their transmitting and receiving paths can be used.

Работа устройства заключается в следующем. По командным импульсам, вырабатываемым блоком управления 4 в передающем блоке 2, осуществляется формирование акустического импульса и излучение его приемоизлучающей антенной 1 в сторону дна, а также прием и преобразование в электрический сигнал отраженных дном акустических сигналов, трансляция этих сигналов на вход приемоизмерительного блока 3, в котором вырабатываются электрические сигналы, пропорциональные временным задержкам прихода отраженных от поверхности дна сигналов, по которым определяются расстояния от приемоизлучающей антенны 1 до точек отражения сигналов от морского дна.The operation of the device is as follows. According to the command pulses generated by the control unit 4 in the transmitting unit 2, the acoustic pulse is generated and emitted by the receiving-emitting antenna 1 towards the bottom, as well as receiving and converting the acoustic signals reflected by the bottom into the electrical signal, transmitting these signals to the input of the receiving-measuring unit 3, which produces electrical signals proportional to the time delays of arrival of signals reflected from the bottom surface, by which the distances from the receiving-emitting antenna are determined enny 1 to signal reflection points on the seabed.

Одновременно по командным импульсам с блока управления 4 запускаются блок определения средней скорости распространения звука в воде 5, блок гидроакустических приемоответчиков 7, устройство измерения уровня моря 8.At the same time, by command pulses from the control unit 4, a unit for determining the average speed of sound propagation in water 5, a unit for hydroacoustic transponders 7, and a device for measuring sea level 8 are launched.

Далее по командным импульсам с блока управления 4 информация с блоков 3, 4 и 5 поступает на блок сбора, обработки информации и картирования рельефа дна 6, на который также поступает информация от судовых измерителей составляющих качки, курса, скорости, технических средств определения координат места.Further, by command pulses from control unit 4, information from blocks 3, 4, and 5 is fed to a unit for collecting, processing information, and mapping the topography of bottom 6, which also receives information from ship meters of pitching components, heading, speed, and technical means for determining the location coordinates.

В блоке 6 определяется поправка ΔZ_v к глубинам, измеренным эхолотом (H=ΣC_it_i/2, где C_i - скорость распространения звука в воде, t_i - промежуток времени между излучением сигнала, приемом эхо-сигнала от дна), за отклонение действительной скорости звука в воде от расчетной для конкретного эхолота: ΔZ_v=C_i(C_cp/С_о-1), где C_i - глубина, измеренная эхолотом, С_о - скорость распространения звука в воде, на которую рассчитан эхолот, измеренная посредством блока определения средней скорости звука в воде 5.In block 6, the correction ΔZ _v to the depths measured by the echo sounder is determined (H = ΣC _i t _i / 2, where C _i is the speed of sound propagation in water, t _i is the time interval between the signal emission and the reception of the echo signal from the bottom), the deviation of the actual speed of sound in water from the calculated for a specific sounder: ΔZ _v = C _i (C _cp / С _о -1), where C _i is the depth measured by the echo sounder, С _о is the speed of sound propagation in water for which the echo sounder is designed, measured by the unit for determining the average speed of sound in water 5.

Картирование информации осуществляется нанесением геодезических координат точек отражения гидроакустических сигналов от морского дна на планшет, который строится путем сопряжения топографических и навигационных растровых карт в следующей последовательности:Information mapping is carried out by applying the geodetic coordinates of the reflection points of hydroacoustic signals from the seabed onto a tablet, which is built by pairing topographic and navigation raster maps in the following sequence:

- растр навигационной карты в проекции Меркатора подвергается векторизации береговой линии навигационной карты;- the raster of the navigation map in the Mercator projection is subjected to vectorization of the coastline of the navigation map;

- выполняется выборка участка, соответствующего морской акватории, на которой производится съемка рельефа дна с учетом векторизации береговой линии навигационной карты;- a site is selected that corresponds to the marine area on which the bottom topography is recorded taking into account the vectorization of the coastline of the navigation map;

- производится запись в итоговый растр навигационной карты;- a record is made in the final raster of the navigation map;

- растр топографической карты в проекции Гаусса-Крюгера приводится к масштабу навигационной карты;- the raster of the topographic map in the Gauss-Kruger projection is reduced to the scale of the navigation map;

- выполняется преобразование координат проекции Гаусса-Крюгера в географические координаты;- the coordinates of the Gauss-Kruger projection are converted into geographical coordinates;

- выполняется преобразование географических координат в координаты проекции Меркатора;- the conversion of geographical coordinates to the coordinates of the Mercator projection is performed;

производится выборка участка растра, соответствующего сухопутной (береговой) области;a raster plot is selected corresponding to the land (coastal) region;

- выполняется запись в итоговый растр топографической карты;- the topographic map is written to the final raster;

- по результатам записей в итоговые растры навигационной и топографической карты строится итоговая растровая карта совмещенной навигационной и топографической информации в Меркаторской проекции;- based on the results of recordings in the final rasters of the navigation and topographic map, the final raster map of the combined navigation and topographic information in the Mercator projection is built;

- на итоговой растровой карте, выводимой на устройство индикации, также отображается путь судна.- on the final raster map displayed on the display device, the path of the vessel is also displayed.

Суть предлагаемого способа заключается в использовании опорных глубин и координат (глубин и координат на акватории съемки) и вычислении приращений глубин и координат как разности двух смежных измеренных МЛЭ векторов расстояний. Таким образом, каждая глубина и ее геодезические координаты вычисляются как сумма приращений смежных глубин и их геодезических координат, начиная с глубины и геодезических координат точки опорной глубины.The essence of the proposed method is to use the reference depths and coordinates (depths and coordinates in the shooting area) and to calculate the increments of depths and coordinates as the difference of two adjacent measured MBE distance vectors. Thus, each depth and its geodetic coordinates are calculated as the sum of increments of adjacent depths and their geodetic coordinates, starting from the depth and geodetic coordinates of the reference depth point.

Суммирование приращений глубин, измеренных через малый промежуток времени, в пределах которого гидрологические условия можно принять неизменными, позволяет исключить влияние погрешностей, носящих систематический характер. К ним, например, относятся погрешности, вызванные изменчивостью поля скорости звука, отклонением мгновенного уровня от наблюдаемого на уровненном посту, изменением ориентации приборной системы координат и т.п. Использование опорных глубин позволяет также смягчить требования по использованию морских уровненных постов.The summation of the increments of depths measured over a small period of time, within which the hydrological conditions can be assumed unchanged, eliminates the influence of errors that are systematic in nature. For example, these include errors caused by the variability of the sound velocity field, the deviation of the instantaneous level from that observed at the level post, a change in the orientation of the instrument coordinate system, etc. The use of reference depths also makes it possible to soften the requirements for the use of sea level posts.

Предлагаемый способ съемки рельефа дна с использованием опорных глубин включает:The proposed method for shooting bottom topography using reference depths includes:

- установку пассивных или активных акустических отражателей;- installation of passive or active acoustic reflectors;

- определение глубины (относительно нуля глубин) над каждым из отражателей и их геодезических координат посредством блока гидроакустических приемоответчиков;- determination of the depth (relative to zero depths) above each of the reflectors and their geodetic coordinates by means of a unit of hydroacoustic transponders;

- измерения крайними боковыми лучами наклонных расстояний до двух акустических отражателей, расположенных на поверхности дна на заданном расстоянии;- measurements by extreme lateral rays of the inclined distances to two acoustic reflectors located on the bottom surface at a given distance;

- производство измерений по замкнутому маршруту (галсу), заканчивая его измерениями наклонных расстояний до тех же акустических отражателей, что и в начале галса, либо до двух других акустических отражателей, расположенных на поверхности дна на заданном расстоянии;- making measurements on a closed route (tack), ending with measurements of the inclined distances to the same acoustic reflectors as at the beginning of the tack, or to two other acoustic reflectors located on the bottom surface at a given distance;

- производство непрерывных излучения и приема отраженных от дна гидроакустических сигналов в зоне зондирования, а также измерение расстояний от антенны эхолота до мест отражения дном указанных сигналов;- the production of continuous radiation and reception of sonar signals reflected from the bottom in the sounding zone, as well as measuring distances from the sonar antenna to the places of bottom reflection of these signals;

- измерение средней скорости звука в воде на горизонте приемоизлучающей антенны посредством блока определения средней скорости звука в воде 5;- measuring the average speed of sound in water at the horizon of the receiving-radiating antenna by means of a unit for determining the average speed of sound in water 5;

- измерение колебаний уровня моря посредством устройства измерения уровня моря 8;- measuring sea level fluctuations by means of a sea level measuring device 8;

- определение геодезических координат центра радиоприема антенны судового приемоиндикатора РНС определения координат;- determination of the geodetic coordinates of the center of the radio reception of the antenna of the ship receiver-indicator RNS coordinates;

- измерение параметров бортовой, килевой и вертикальной качек, курса, скорости и координат судна;- measurement of the parameters of the onboard, keel and vertical qualities, course, speed and coordinates of the vessel;

- определение истинного курса и скорости движения центра тяжести судна судовым навигационным комплексом;- determination of the true course and speed of the center of gravity of the vessel by the ship's navigation complex;

- фиксацию времени в моменты приема антенной эхолота отраженных от дна гидроакустических сигналов и в моменты обсервации судна;- time recording at the moments of receiving the sonar antenna reflected from the bottom of the hydroacoustic signals and at the moments of observation of the vessel;

- вычисление невязок, распределяемых в измеренные векторы положения точек дна, в конце галса (съемки);- calculation of residuals distributed in the measured position vectors of the bottom points at the end of the tack (survey);

- вычисление и регистрация по полученным данным искомых глубин и геодезических координат их места.- calculation and registration according to the received data of the desired depths and geodetic coordinates of their place.

Вычисления, исходя из сущности способа, выполняют по формулам:Calculations based on the essence of the method are performed according to the formulas:

где:Where:

-

- искомый вектор положения точки дна в геодезической системе координат, когда он вычисляется через приращение к вектору положения точки, зондируемой в данной посылке предыдущим боковым лучом, начиная с центрального луча и далее - от центрального луча к предпоследнему боковому лучу по левому или по правому борту;-

- the desired position vector of the bottom point in the geodetic coordinate system, when it is calculated by incrementing to the position vector of the point probed in this package by the previous side beam, starting from the central beam and then from the central beam to the penultimate side beam on the port side or starboard side;

-

- искомый вектор положения точки дна, когда он вычисляется через приращение к вектору положения точки дна, зондируемой тем же лучом МЛЭ при предыдущей посылке;-

- the desired position vector of the bottom point, when it is calculated by incrementing to the position vector of the bottom point probed by the same MBE beam in the previous sending;

-

- среднее значение векторов положения точки отражения, вычисленных двумя способами;-

- the average value of the position vectors of the reflection point, calculated in two ways;

-

,

- векторы положения опорных точек на дне;-

,

- position vectors of reference points at the bottom;

-

- приращение вектора положения текущей точки к его значению для предыдущей точки зондирования в данной посылке;-

- increment of the position vector of the current point to its value for the previous sounding point in this package;

-

- приращение вектора положения текущей точки к его значению для предыдущей точки зондирования в предыдущей посылке;-

- increment of the position vector of the current point to its value for the previous sounding point in the previous package;

-

- текущий номер бокового луча зондирования;-

- current number of the lateral sounding beam;

- l₀, p₀ - количество боковых лучей по левому или по правому борту, исключая центральный;- l ₀ , p ₀ - the number of side rays on the port or starboard, excluding the center;

-

, l₀ - вектор положения зондируемой крайним лучом точки дна, вычисленный по приращению к вектору положения точки, зондируемой предшествующим лучом в данной посылке;-

, l ₀ is the position vector of the bottom point probed by the extreme ray, calculated by incrementing the position vector of the point probed by the previous ray in the given premise;

-

- текущий номер приращения к вектору положения точки дна, вычисляемого между смежными боковыми лучами, начиная с центрального;-

- the current number of the increment to the vector of the position of the bottom point, calculated between adjacent side rays, starting from the center;

-

- вектор положения j-той точки отражения, зондируемой боковым лучом, вычисленный для первой посылки в начале съемки;-

- the position vector of the j-th reflection point probed by the side beam, calculated for the first package at the beginning of the survey;

-

- приращение вектора положения эхолота между моментами приема отраженных сигналов текущей и предыдущей посылок зондирующего импульса;-

- increment of the echo sounder position vector between the moments of receiving the reflected signals of the current and previous packages of the probe pulse;

- i - номер текущей посылки;- i - number of the current package;

- n - количество посылок зондирующих импульсов при съемке за весь период между моментами пересечения базы акустических преобразователей.- n - the number of transmissions of the probe pulses when shooting for the entire period between the moments of crossing the base of the acoustic transducers.

После замыкания галса на базу акустических преобразователей в конце галса (съемки) вычисляются невязки:After the tack closes to the base of acoustic transducers at the end of the tack (survey), the residuals are calculated:

Данные невязки распределяются в измеренные векторы положения точек дна соответственно номеру бокового луча или количеству приращений, использованных для вычисления вектора положения точек, измеренных центральным лучом.The residuals are distributed into the measured position vectors of the bottom points according to the side beam number or the number of increments used to calculate the position vector of the points measured by the central beam.

Формула для вычисления значений уравненных векторов положения точек дна имеет вид:The formula for calculating the values of the equalized position vectors of the bottom points has the form:

Для составляющих векторов

получим:For component vectors

we get:

где:Where:

-

,

,

- координаты и глубина опорных m=1, 2, 3, 4 глубин;-

,

,

- coordinates and depth of the reference m = 1, 2, 3, 4 depths;

- ΔX_i,j, ΔY_i,j, Δz_i,j (i=1, k, n; j=0, 1, p, j) - приращения координат и глубины;- ΔX _{i, j} , ΔY _{i, j} , Δz _{i, j} (i = 1, k, n; j = 0, 1, p, j) - increments of coordinates and depth;

- ΔX_ak, ΔY_ak, ΔZ_ak - приращения координат положения антенны МЛЭ за промежуток времени между смежными посылками зондирующих импульсов антенной МЛЭ.- ΔX _ak , ΔY _ak , ΔZ _ak - increment of the coordinates of the position of the MBE antenna for the time interval between adjacent bursts of probe pulses of the MBE antenna.

Чтобы получить формулы для оценки точности определения координат и глубины точек дна при съемке предлагаемым способом, принималось, что наибольшая ошибка будет допущена при i→n-1; j=l₀. Переписывая уравнения (8), (9), (10) для значений j=n-1; j=l₀, а также приравнивая

;

;

;

;

;

и переходя к выражениям погрешностей как дифференциалам функций многих переменных, получим следующие выражения погрешностей определения координат и глубины при съемке предлагаемым методом:In order to obtain formulas for assessing the accuracy of determining the coordinates and depth of the bottom points when shooting the proposed method, it was assumed that the greatest error would be made as i → n-1; j = l ₀ . Rewriting equations (8), (9), (10) for values j = n-1; j = l ₀ , and also equating

;

;

;

;

;

and moving on to the expression of errors as differentials of functions of many variables, we obtain the following expression of errors in determining the coordinates and depth when shooting the proposed method:

где:Where:

- δx₀, δy₀, δz₀ - погрешности координат и глубины опорной точки;- δx ₀ , δy ₀ , δz ₀ - errors of coordinates and depth of the reference point;

- δx_ak, δy_ak, δz_ak - погрешности определения приращений координат положения антенны МЛЭ и глубины за промежуток времени между посылками зондирующих импульсов;- δx _ak , δy _ak , δz _ak - errors in determining the increments of the coordinates of the position of the MBE antenna and the depth for the time interval between the sending probe pulses;

- δΔx_i,l, δΔy_i,l, δΔz_i,l - погрешности приращения координат точек дна и глубины, определенных по измеренным расстояниям смежными зондирующими лучами в одной посылке;- δΔx _{i, l} , δΔy _{i, l} , δΔz _{i, l} - errors of increment in the coordinates of the bottom points and depths, determined from the measured distances by adjacent sounding beams in one package;

- δΔx_k,j, δΔy_k,j, δΔy_k,j - погрешности определения приращений координат точек дна и глубины, определенных по измеренным расстояниям одноименными зондирующими лучами при двух последовательных посылах зондирующих лучей.- δΔx _{k, j} , δΔy _{k, j} , δΔy _{k, j} are the errors in determining the increments of the coordinates of the bottom points and depths determined from the measured distances by the probing rays of the same name with two consecutive messages of the probing rays.

Анализ формул (11), (12), (13) выполнен исходя из гипотезы, что слагаемые под знаком сумм в правых частях не отягощены постоянными систематическими составляющими погрешностей, поскольку в приращениях данные погрешности практически отсутствуют, а включают лишь случайные погрешности, которые малы по величине и имеют разные знаки. Следовательно, при большом количестве измерений все указанные суммы будут стремиться к нулю.The analysis of formulas (11), (12), (13) is based on the hypothesis that the terms under the sign of the sums in the right-hand sides are not burdened with constant systematic error components, since in the increments these errors are practically absent, but include only random errors that are small in magnitude and have different signs. Therefore, with a large number of measurements, all of the indicated amounts will tend to zero.

Таким образом, погрешности определения глубин и их координат предлагаемого способа съемки эталонного батиметрического поля, в основном, будут определяться погрешностями координат и глубины в точке опорных глубин.Thus, the errors in determining the depths and their coordinates of the proposed method for shooting a reference bathymetric field will mainly be determined by the errors in coordinates and depth at the point of reference depths.

Результаты математического моделирования в реальных условиях показали, что предложенный способ обеспечивает повышение точности измерений более чем в два раза по сравнению с известными способами..The results of mathematical modeling in real conditions showed that the proposed method provides an increase in measurement accuracy by more than two times in comparison with known methods ..

Таким образом, предлагаемый способ создания эталонного батиметрического поля обеспечивает получение точностей представления глубин и координат, необходимых для метрологического обеспечения гидрографических измерений.Thus, the proposed method for creating a reference bathymetric field provides accurate representations of the depths and coordinates necessary for the metrological support of hydrographic measurements.

Оценка точности съемки рельефа дна предложенным способом выполнена на основе модельных расчетов. С этой целью выполнено сравнение точности измерения глубины, полученной с помощью МЛЭ, с моделируемой математически задаваемой поверхностью для принятых параметров движения судна, параметров качки и точности их измерений, инструментальной точности эхолота, с учетом изменчивости скорости звука и изменении высоты уровня в районе съемки.Assessment of the accuracy of surveying the bottom topography by the proposed method is based on model calculations. To this end, a comparison was made of the accuracy of depth measurement obtained using MBE with a simulated mathematical surface for the adopted parameters of the vessel’s motion, pitching and measurement accuracy, instrumental accuracy of the echo sounder, taking into account the variability of the speed of sound and the change in the height of the level in the survey area.

При моделировании процесса съемки рельефа дна принималось, что эхолот измеряет по фиксированным направлениям наклонное расстояние как длину отрезка прямой, соединяющей антенну эхолота с точкой пересечения зондирующего луча с математически задаваемой поверхностью.When simulating the process of surveying the bottom topography, it was assumed that the echo sounder measures the inclined distance in fixed directions as the length of the straight line connecting the echo sounder antenna with the point of intersection of the probe beam with a mathematically specified surface.

Определение положения антенны эхолота в геодезической системе координат производилось по формуле преобразования координат для случая переноса начала и поворота новой системы координат относительно старой:The position of the sonar antenna in the geodetic coordinate system was determined using the coordinate transformation formula for the case of the transfer of the beginning and rotation of the new coordinate system relative to the old one:

где Х_га, Y_га, Z_Гa - геодезические координаты антенны эхолота;where X _ha , Y _ha , Z _Ha - geodetic coordinates of the sonar antenna;

А - матрица направляющих косинусов осей геодезической системы координат (СК) в судовой СК;A - matrix of the directing cosines of the axes of the geodetic coordinate system (SC) in the ship SC;

x_аэ, y_аэ, z_аэ - координаты антенны эхолота в СК;x _ae , y _ae , z _ae - coordinates of the sounder antenna in the SK;

x₀, y₀, Z₀ - координаты начала геодезической СК в судовой СК. Расчет элементов матрицы А производился по формулам:x ₀ , y ₀ , Z ₀ - coordinates of the beginning of the geodetic SK in the ship SK. The calculation of the elements of matrix A was carried out according to the formulas:

где α - истинный курс судна;where α is the true heading of the vessel;

P, R - углы килевой и бортовой качек.P, R - keel and airborne angles.

Направляющие косинусы ортов направлений, по которым производится измерение эхолотом расстояния, вычислялась по формулам:The directing cosines of the unit vectors of directions along which the distance is measured with an echo sounder were calculated using the formulas:

где θ - направление приема отраженного акустического сигнала.where θ is the direction of reception of the reflected acoustic signal.

Формулы, использовавшиеся для вычисления координат антенны эхолота в геодезической СК, имеют вид:The formulas used to calculate the coordinates of the sonar antenna in the geodetic SK are:

Положение начала судовой СК на каждый момент посылки определялось величиной перемещения судна с заданной скоростью по задаваемому направлению с учетом моделируемого рыскания судна и вертикальной качки и приращения мгновенного уровня за счет прилива.The position of the beginning of the ship's SC at each moment of sending was determined by the value of the ship moving at a given speed in a given direction, taking into account the simulated yaw of the ship and vertical pitching and the increment of the instantaneous level due to the tide.

Координаты точки дна определялись как точки пересечения каждого зондирующего луча с плоскостью, задаваемой нормальным уравнениемThe coordinates of the bottom point were determined as the intersection points of each probe beam with the plane defined by the normal equation

где X, Y, Z - текущие координаты плоскости принятой геодезической СК;where X, Y, Z are the current coordinates of the plane of the received geodetic SK;

α_П, β_П, γ_п - углы, образуемые нормалью к плоскости с осями координат;α _P , β _P , γ _p - angles formed by the normal to the plane with the coordinate axes;

р - длина нормали, опущенной на плоскость из начала координат.p is the length of the normal dropped to the plane from the origin.

В модели плоскость задавалась тремя параметрами α_П, β_П, p. При этом p принималось за среднюю глубину в районе съемки. Параметр плоскости β вычислялся по формулеIn the model, the plane was defined by three parameters α _P , β _P , p. In this case, p was taken as the average depth in the survey area. The plane parameter β was calculated by the formula

Для определения координат точки пересечения зондирующего луча с плоскостью зондирующий луч представлялся в виде прямой, проходящей через точку расположения антенны эхолота:To determine the coordinates of the intersection point of the probe beam with the plane, the probe beam was presented in the form of a straight line passing through the location of the sonar antenna:

где b₁, b₂, b₃ - направляющие косинусы прямой, которые вычислялись по формуле.where b ₁ , b ₂ , b ₃ - directing cosines of the line, which were calculated by the formula.

где в правой части в скобках приведены направляющие косинусы орта зондирующего луча в приборной СК.where on the right side in parentheses are the guide cosines of the unit vector of the probe beam in the instrument cluster.

Выражения для вычисления геодезических координат точки дна В имеют видThe expressions for calculating the geodetic coordinates of the bottom point B have the form

где

- направляющие косинусы нормали к плоскости.Where

- guide cosines of the normal to the plane.

Вычисленная по третьей формуле аппликата Z_B принимались за истинную глубину. Координаты X_B и Y_B принимались за истинные координаты измененной глубины Из вычисленных значений X_B, Y_B, Z_B формировались массивы истинных значений глубины и ее координат.Calculated by the third applicate formula, Z _{B was} taken as the true depth. The coordinates X _B and Y _{B were} taken as the true coordinates of the changed depth. Arrays of true values of the depth and its coordinates were formed from the calculated values of X _B , Y _B , Z _B.

Истинные измеренные расстояния до точек дна вычислялись по формулеThe true measured distances to the bottom points were calculated by the formula

Измеренная в приборной СК глубина и ее ордината вычислялись по формуламThe depth measured in the instrumental SC and its ordinate were calculated by the formulas

Геодезические координаты точки дна

,

,

вычислялись по формуламGeodetic coordinates of the bottom point

,

,

calculated by the formulas

Рассчитанные по формуле (25) величины

,

принимались за вычисленные координаты исправленной глубины, а аппликата

- за исправленную глубину. Из полученных результатов вычислений этих величин для каждого зондирующего луча и для всех посылок зондирующего луча формировались массивы исправленных глубин, вычисленных абсцисс, ординат и измеренных расстоянийThe values calculated by the formula (25)

,

were taken for the calculated coordinates of the corrected depth, and the applicate

- for the corrected depth. Arrays of corrected depths, calculated abscissas, ordinates, and measured distances were formed from the obtained results of calculations of these quantities for each probe beam and for all parcels of the probe beam.

Процесс качки судна моделировался гармоническими колебаниями вида:The rolling process of the vessel was modeled by harmonic oscillations of the form:

где A_i, T_i, ψ_i (i=BK, БК, КК) - задаваемые значения амплитуды, периода и фазы соответствующего индексу процесса: ВК - вертикальной качки, БК - бортовой качки, КК - килевой качки.where A _i , T _i , ψ _i (i = BK, BK, KK) are the specified values of the amplitude, period and phase of the corresponding process index: VK - vertical rolling, BK - rolling, KK - pitching.

При моделировании изменения высоты мгновенного уровня ставилась цель использовать параметры, характеризующие максимально возможную в природе скорость этого процесса, и тем самым протестировать разрабатываемый метод для критических условий. С этой целью проанализированы данные наблюдений уровней в различных окраинных морях России, характеризующихся различными типами приливов. В результате анализа установлена максимальная скорость изменения высоты уровня, которая характерна для неправильных суточных приливов и составляет 141 см в час при амплитуде порядка 560 см Минимальная скорость изменения высоты уровня присуща для такого же типа приливов и характеризуется величиной порядка 2 см в час при амплитуде 12 см. У суточных и полусуточных приливов скорости изменения высоты прилива составляют соответственно 33 и 46,5 см в час при амплитуде 264 и 140 см соответственно. Используя максимальные значения скорости и амплитуды, высота прилива в каждый момент измерения глубин представлялась в модели с помощью выраженияWhen modeling changes in the height of the instantaneous level, the goal was to use the parameters characterizing the maximum possible speed of this process in nature, and thereby test the developed method for critical conditions. For this purpose, the data of level observations in various marginal seas of Russia, characterized by different types of tides, are analyzed. As a result of the analysis, the maximum rate of change of the level height, which is typical for irregular diurnal tides, is 141 cm per hour at an amplitude of about 560 cm. The minimum rate of change in level height is inherent for the same type of tides and is characterized by a value of about 2 cm per hour at an amplitude of 12 cm For diurnal and semi-diurnal tides, the rates of change in tide height are 33 and 46.5 cm per hour, respectively, with amplitudes of 264 and 140 cm, respectively. Using the maximum values of velocity and amplitude, the tide height at each moment of depth measurement was represented in the model using the expression

где A₀ - задаваемая амплитуда прилива,where A ₀ is the specified amplitude of the tide,

- задаваемая скорость изменения высоты прилива.

- set rate of change of tide height.

Так же, как и при моделировании изменения высоты прилива, при моделировании фактического значения скорости звука по трассе и на поверхности антенны эхолота ставилась цель использовать данные о максимальной природной временной и пространственной изменчивости этих параметров и тем самым оценивать степень их воздействия на точность предлагаемого метода съемки. Для этого были использованы суточные максимальные средние квадратичные отклонения температуры и солености воды на стандартных горизонтах для всей субарктической зоны Мирового океана. Максимальная изменчивость принятых значений на каждом горизонте моделировалась как приращение, вызванное суточными дисперсиями температуры и солености на i-том горизонтеAs in modeling the change in the tide height, when modeling the actual value of the speed of sound along the track and on the surface of the sounder’s antenna, the goal was to use data on the maximum natural temporal and spatial variability of these parameters and thereby evaluate the degree of their impact on the accuracy of the proposed survey method. For this, we used the daily maximum quadratic mean deviations of the temperature and salinity of water at standard horizons for the entire subarctic zone of the World Ocean. The maximum variability of the accepted values at each horizon was modeled as an increment caused by diurnal dispersions of temperature and salinity on the i-th horizon

где K₁, К₂ - коэффициенты пропорциональности,where K ₁ , K ₂ are the proportionality coefficients,

σ_tmaxi, σ_smaxi - максимальные суточные средние квадратические отклонения температуры и солености на i-том горизонте.σ _tmaxi , σ _smaxi are the maximum daily mean square deviations of temperature and salinity on the i-th horizon.

Для расчетов принимались следующие значения коэффициентов K₁ и К₂ в интервале температуры от 0 до 20°С: при повышении температуры воды на 1°С скорость звука увеличивается на 3,4 м/с, т.е K₁=3,4 (м/с)/°С, а при повышении солености на 1%о - уменьшается на 0,58 м/с, т.е. К₂=0,58 (м/с)/%о.For calculations, the following values of the coefficients K ₁ and K _{2 were} taken in the temperature range from 0 to 20 ° С: with an increase in water temperature by 1 ° С, the speed of sound increases by 3.4 m / s, i.e. K ₁ = 3.4 ( m / s) / ° С, and with an increase in salinity of 1%, it decreases by 0.58 m / s, i.e. K ₂ = 0.58 (m / s) /% vol.

При расчетах значений σ_{t max i}, σ_{s max i} брались значения случайного числа от 0 до 1, выдаваемого ЭВМ, знак которого задавался из условия если случайное число n≤0,5, то n=-n, иначе n=n.When calculating the values of σ _{t max i} , σ _{s max i, we} took the values of a random number from 0 to 1, issued by a computer, the sign of which was set from the condition if the random number is n≤0.5, then n = -n, otherwise n = n.

Средняя скорость звука по вертикальному профилю рассчитывалась по формулеThe average speed of sound along the vertical profile was calculated by the formula

где V_i (i=1, 2) - скорость звука на горизонтах, ограничивающих слой осреднения;where V _i (i = 1, 2) is the speed of sound at the horizons bounding the averaging layer;

ΔZ_K=Z_i+1-Z_i - толщина слоя осреднения,ΔZ _K = Z _{i + 1} -Z _i is the thickness of the averaging layer,

n - количество слоев осреднения,n is the number of averaging layers,

ΔV_i (i=1,2) - величина пространственно-временной изменчивости среднего значения скорости звука на горизонте, вычисляемая по формуле (28).ΔV _i (i = 1,2) - the value of the spatio-temporal variability of the average value of the speed of sound on the horizon, calculated by the formula (28).

Данное значение скорости принималось за фактическое, а величина отклонения расчетной средней скорости, рассчитанной для профиля среднеарифметических значений параметра, вычислялась как разность этих величин и принималась за величину погрешности расчетной средней скорости звука при каждой посылке эхолотом зондирующего луча.This speed value was taken as the actual one, and the deviation of the calculated average speed calculated for the profile of the arithmetic mean values of the parameter was calculated as the difference between these values and was taken as the error value of the calculated average speed of sound for each sounding beam sent by the sounder.

Для моделирования пространственной изменчивости скорости звука на горизонте антенны эхолота использовались данные измерения скорости звука на глубине 1 м на ходе судна и амплитуда и пространственная периодичность мелкомасштабных флуктуаций (соответственно 1.5 м/с и 230 м) использованы в модели для определения отклонения фактической скорости звука от расчетной по формулеTo simulate the spatial variability of the speed of sound at the horizon of the sounder’s antenna, we used the data of measuring the speed of sound at a depth of 1 m during the course of the vessel, and the amplitude and spatial frequency of small-scale fluctuations (1.5 m / s and 230 m, respectively) were used in the model to determine the deviation of the actual speed of sound from the calculated according to the formula

где A_v - амплитуда мелкомасштабных флуктуаций скорости звука на поверхности антенны;where A _v is the amplitude of small-scale fluctuations in the speed of sound on the surface of the antenna;

V - скорость судна при съемке,V is the speed of the vessel when shooting,

T₁ - пространственный период мелкомасштабных флуктуаций скорости звука.T ₁ - the spatial period of small-scale fluctuations in the speed of sound.

Для вычисления абсолютных погрешностей глубин, полученных при съемке по традиционной и предлагаемой технологиям, использовались массивы истинных, исправленных и вычисленных глубин. Абсолютная погрешность вычислялась как разность исправленных и вычисленных глубин с истинной и представлялась как функция истинных координат глубин. Полученные значения абсолютных погрешностей формировались в два массива для характеристики точности съемки по традиционной и предлагаемой технологиям. Кроме того, по вычисленным абсолютным погрешностям глубин рассчитывалась СКП по формулам:To calculate the absolute errors of the depths obtained when shooting according to the traditional and proposed technologies, we used arrays of true, corrected and calculated depths. The absolute error was calculated as the difference between the corrected and calculated depths and the true ones and was presented as a function of the true coordinates of the depths. The obtained values of the absolute errors were formed in two arrays to characterize the accuracy of the survey using traditional and proposed technologies. In addition, based on the calculated absolute depth errors, the SKP was calculated using the formulas:

где n - количество посылок зондирующих импульсов на галсе;where n is the number of transmissions of the probe pulses on the tack;

l - количество зондирующих лучейl is the number of probe beams

Количественная оценка точности съемки рельефа дна с помощью многолучевого эхолота выполнена на основе априорных оценок основных составляющих погрешностей по формулам [D.F.Dinn, B.D.Loncarevic. The effect of sound velocity errors on multibeam sonar depth accuracy // Proceedings of American Нуdrographic symposium. - 1995, p.1001-1009]. Формула для СКП измерения глубины имеет вид:A quantitative assessment of the accuracy of surveying the bottom topography using a multi-beam echo sounder is based on a priori estimates of the main components of the errors using the formulas [D.F.Dinn, B.D.Loncarevic. The effect of sound velocity errors on multibeam sonar depth accuracy // Proceedings of American Нurographic symposium. - 1995, p.1001-1009]. The formula for UPC depth measurement is:

а формула для вычисления СКП определения положения измеренной глубины имеет видand the formula for calculating the UPC to determine the position of the measured depth is

где θ - угол от диаметральной плоскости до направления приема отраженных импульсов,where θ is the angle from the diametrical plane to the direction of reception of reflected pulses,

σ_r - СКП измерения расстояния;σ _r - UPC distance measurement;

y - расстояние по горизонтали от антенны эхолота до измеряемой глубиныy is the horizontal distance from the sonar antenna to the measured depth

σ_r, σ_p - СКП углов качки (R - крена, Р - дифферента),σ _r , σ _p - SKP pitching angles (R - roll, P - trim),

σ_вк - СКП высоты вертикальной качки;σ _VK - SKP vertical heights;

z - измеренная глубина;z is the measured depth;

V_звср - средняя скорость звука в слое толщиной z,V _ZSSR - the average speed of sound in a layer of thickness z,

- СКП определения средней скорости звука;

- UPC determining the average speed of sound;

V_зва - скорость звука на горизонте антенны эхолота;V _call - the speed of sound on the horizon of the sonar antenna;

σ_зва - СКП определения скорости звука на горизонте антенны эхолота,σ _Zva - UPC determining the speed of sound at the horizon of the sonar antenna,

σ_ос - СКП определения осадки судна при промере,σ _OS - SKP determine the draft of the vessel when measuring,

σ_пр - СКП учета высоты мгновенного уровня,σ _CR - UPC accounting for the height of the instant level,

σ_обс - СКП обсервации положения судна на галсе,σ _obs - UPC observation of the position of the vessel on the tack,

σ_α - СКП определения истинного курса судна;σ _α - SKP determine the true course of the vessel;

σхд, σуд, σzд - СКП измерения положения датчиков в судовой системе координат;σhd, σud, σzd - UPC measuring the position of sensors in the ship coordinate system;

Δt - промежуток от обсервации до момента измерения глубины;Δt is the interval from observation to the moment of depth measurement;

V - абсолютная скорость судна.V is the absolute speed of the vessel.

Погрешности глубины и ее положения при съемке многолучевым эхолотом рельефа дна рассчитывались по формулам (34), (35) для глубин в диапазонах 0-100 и 0-200 м, измеряемых по направлениям приема отраженных дном сигналов в диапазоне 0-60° через 3°. При расчетах СКП обсервации на галсе для первого диапазона глубин принималась равной 5 м, а для второго - 20 м.The errors of the depth and its position when shooting the bottom topography with a multipath echo sounder were calculated using formulas (34), (35) for depths in the ranges 0-100 and 0-200 m, measured in the directions of reception of the signals reflected by the bottom in the range 0-60 ° through 3 ° . When calculating UPC, observations on the tack for the first range of depths were assumed to be 5 m, and for the second - 20 m.

СКП съемки рельефа дна многолучевым эхолотом по существующей технологии в диапазоне глубин 0-100 м показана на чертеже (фиг.12). На чертеже (фиг.13) показана СКП съемки рельефа дна многолучевым эхолотом по существующей технологии в диапазоне глубин 0-200 м.UPC shooting of the bottom topography with a multi-beam echo sounder according to existing technology in the depth range 0-100 m is shown in the drawing (Fig. 12). The drawing (Fig.13) shows the UPC shooting of the bottom topography with a multi-beam echo sounder according to existing technology in a depth range of 0-200 m

Полученный результат показал, что существующая технология съемки рельефа дна с помощью многолучевых эхолотов не обеспечивает требуемую точность измерения глубин, т.к. погрешность определения глубины в 2-6 раз превышает допустимый уровень. Погрешность определения положения глубин в 6 раз превышает требуемую точность, главным образом, из-за принятого для расчетов низкого уровня точности обсерваций. При использовании для определения судна на галсе высокоточных РНС типа «Грас» или спутниковой РНС «ГЛОНАСС» в дифференциальном режиме работы отношение погрешности определения координат глубины и требуемой точности ее определения уменьшилось бы до 3. При этом съемка выполнялась МЛЭ, с формированием шести лучей через 1.5°. Начальный угол зондирования составил 45°, глубина - 200 м, бортовая и килевая качки с амплитудой 1.5° и 2.5° соответственно, вертикальная качка с амплитудой 1 м, частота посылок зондирующего импульса 1 изм./с, количество посылок - 115.The result showed that the existing technology for surveying the bottom topography using multi-beam echo sounders does not provide the required accuracy for measuring depths, because the error in determining the depth is 2-6 times higher than the permissible level. The error in determining the position of depths is 6 times higher than the required accuracy, mainly because of the low level of accuracy of observations accepted for calculations. When using a high-precision GRS or satellite GLONASS RS in the differential operation mode to determine the vessel on the tack, the ratio of the error in determining the depth coordinates and the required accuracy of its determination would decrease to 3. The survey was performed by MBE, with the formation of six beams in 1.5 °. The initial sounding angle was 45 °, the depth was 200 m, the roll and keel pitch with an amplitude of 1.5 ° and 2.5 °, respectively, the vertical pitch with an amplitude of 1 m, the frequency of the probe pulse was 1 measurement / s, the number of parcels was 115.

Значения средних квадратичных погрешностей глубины и ее положения соответственно при съемке рельефа дна известным способом и предлагаемым способом составили:The values of the mean square errors of the depth and its position, respectively, when shooting the bottom topography in a known manner and the proposed method amounted to:

а) для глубины z=200 м угол наклона зондирующего луча 45-50°:a) for a depth of z = 200 m, the angle of inclination of the probe beam is 45-50 °:

- предлагаемым способом σ_zn=0.32 м, σ_Xyn=1.49 м;- the proposed method σ _zn = 0.32 m, σ _Xyn = 1.49 m;

- известным способом σ_zs=1.1 м; σXys=1.97 м;- in a known manner σ _zs = 1.1 m; σXys = 1.97 m;

б) для глубины z=200 м угол наклона зондирующего луча 55-60°:b) for a depth of z = 200 m, the angle of inclination of the probe beam 55-60 °:

- предлагаемым способом σ_zn=0.31 м, σXyn=0.92 м,- the proposed method σ _zn = 0.31 m, σXyn = 0.92 m,

- известным способом σ_zs=1.49 м; σXys=1.89 м;- in a known manner, σ _zs = 1.49 m; σXys = 1.89 m;

г) для глубины z=300 м угол наклона зондирующего луча 50-60°:g) for a depth of z = 300 m, the angle of inclination of the probe beam 50-60 °:

- предлагаемым способом σ_zn=0.56 м, σXyn=1.49 м,- the proposed method σ _zn = 0.56 m, σXyn = 1.49 m,

- известным способом σ_zs=1.93 м; σXys=2.41 м;- in a known manner, σ _zs = 1.93 m; σXys = 2.41 m;

д) для глубины z=200 м углы качки: бортовая - 6.5; килевая - 5.5°; σ_R=0.5%, угол наклона зондирующего луча 50-60°:d) for depth z = 200 m, pitching angles: onboard - 6.5; keel - 5.5 °; σ _R = 0.5%, the angle of the probe beam 50-60 °:

- предлагаемым способом σ_zn=0.52 м, σXyn=1.19 м,- the proposed method σ _zn = 0.52 m, σXyn = 1.19 m,

- известным методом σ_zs=1.49 м; σXys=1.98 м.- the known method σ _zs = 1.49 m; σXys = 1.98 m.

Полученные результаты показывают, что предлагаемый способ съемки рельефа дна акватории обеспечивает более высокую точность по сравнению с традиционной: даже для критических условий - при углах наклона зондирующего луча 50-60° и максимальной глубине оцениваемого диапазона 200 м и более. СКП измерения глубины известным способом в 3.5-5 раз превышает СКП измерения глубины предлагаемым способом. СКП определения положения измеренной глубины при съемке по традиционной технологии для этих же условий в 1.6-2 раза превышает СКП координат глубины предлагаемым методом. При увеличении углов качки до 5-6° эти соотношения уменьшаются до значений 2.9 и 1.6.The obtained results show that the proposed method for surveying the relief of the bottom of the water area provides higher accuracy compared to traditional: even for critical conditions - at angles of inclination of the probe beam of 50-60 ° and a maximum depth of the estimated range of 200 m or more. UPC depth measurement in a known manner is 3.5-5 times higher than UPC depth measurement of the proposed method. The UPC of determining the position of the measured depth when shooting according to traditional technology for the same conditions is 1.6-2 times higher than the UPC of the depth coordinates by the proposed method. With an increase in pitching angles to 5–6 °, these ratios decrease to 2.9 and 1.6.

Таким образом, предлагаемый способ съемки рельефа дна отвечает современным требованиям по точности и подробности измерения глубин, и его целесообразно использовать для съемки рельефа дна на акватории при производстве комплексных гидрографических исследований.Thus, the proposed method for surveying the bottom topography meets modern requirements for accuracy and details of measuring depths, and it is advisable to use it for surveying the bottom topography in the water during the production of complex hydrographic studies.

При использовании заявляемого способа и устройства для его осуществления, предназначенного для съемки рельефа дна акватории, выполняется требование к точности определения глубины при съемке рельефа дна акватории, установленное действующими нормативными документами, что обусловлено возможностью измерения доплеровского сдвига частоты опорного гидроакустического сигнала гидроакустического доплеровского лага, абсолютной скорости движения судна с эхолотом по внешним источникам информации (например, спутниковой навигационной системы типа GPS), по которым определяют среднюю вертикальную скорость распространения звука в водной среде. При съемке рельефа дна эхолотом средняя квадратическая погрешность определения вертикальной скорости распространения звука не должна превышать ±7,5 м/с.When using the proposed method and device for its implementation, designed to capture the bottom topography of the water area, the accuracy requirement for determining the depth when shooting the topography of the bottom of the water area is established by current regulatory documents, due to the possibility of measuring the Doppler frequency shift of the reference sonar signal of the sonar doppler log, absolute speed movement of a vessel with an echo sounder through external sources of information (for example, satellite navigation systems type GPS), which determines the average vertical velocity of sound propagation in aqueous medium. When shooting the bottom topography with an echo sounder, the mean square error in determining the vertical velocity of sound propagation should not exceed ± 7.5 m / s.

Выполнение данного требования может быть обеспечено, если скорость движения судна будет определяться со средней квадратической погрешностью, не превышающей ±0,037 м/с, что возможно выполнить при условии определения геодезических координат со средней квадратической погрешностью, не превышающей ±7,8 м.The fulfillment of this requirement can be ensured if the speed of the vessel is determined with an average quadratic error not exceeding ± 0.037 m / s, which can be done provided that geodetic coordinates are determined with an average quadratic error not exceeding ± 7.8 m.

Установленные на гидрографических судах навигационные системы, в частности, совмещенные приемоиндикаторы спутниковых и радионавигационных систем берегового базирования позволяют определять геодезические координаты с точностью ±6.0 м, а при их работе в дифференциальном режиме с точностью ±3.0 м.Navigation systems installed on hydrographic vessels, in particular, combined receiver-indicators of satellite-based and coast-based radio navigation systems, make it possible to determine geodetic coordinates with an accuracy of ± 6.0 m, and when operating in differential mode with an accuracy of ± 3.0 m.

При сопряжении топографических и навигационных растровых карт при картировании рельефа дна ошибки получаемой растровой карты составляют не более двух пикселей, например, для масштаба карт 1:250000 с разрешением 400 dpi это составляет 30 м на поверхности Земли, что не превышает ошибок самой растровой карты.When combining topographic and navigation raster maps when mapping the bottom topography, the errors of the resulting raster map are no more than two pixels, for example, for a map scale of 1: 250000 with a resolution of 400 dpi this is 30 m on the Earth's surface, which does not exceed the errors of the raster map itself.

Практическая реализация заявляемого способа и устройства для его осуществления технической сложности не представляет ввиду того, что для его реализации используются штатные измерительные средства, установленные на гидрографических судах, предназначенных для съемки рельефа дна.The practical implementation of the proposed method and device for its implementation does not present technical complexity in view of the fact that its implementation uses standard measuring instruments installed on hydrographic vessels intended for surveying the bottom topography.

Источники информацииInformation sources

1. Коломийчук Н.Д. Гидрография. Л., ГУНиО МО СССР, 1988, с.240-277.1. Kolomiychuk N.D. Hydrography. L., GUNiO of the Ministry of Defense of the USSR, 1988, p. 240-277.

2. Hare R. Depth and position error budgets for multibeam echosounding // International Hydrographic Review. 1995, v.LXXII, №2, p.37-69.2. Hare R. Depth and position error budgets for multibeam echosounding // International Hydrographic Review. 1995, v. LXXII, No. 2, p. 37-69.

3. Патент RU №2010457.3. Patent RU No. 2010457.

4. Патент RU №2209530.4. Patent RU No. 2209530.

5. Патент RU №2292062.5. Patent RU No. 2292062.

Claims (2)

1. Способ съемки рельефа дна акватории эхолотом, установленным на судне, включающий движение судна по заранее установленным галсам, излучение гидроакустических сигналов в направлении дна, прием отраженных от поверхности дна сигналов, измерение расстояний от приемоизлучающей антенны до дна, определение координат судна по внешним источникам информации, измерение бортовой, килевой и вертикальной качки, истинного курса и скорости судна, привязку результатов измерений по времени, определение истинных значений глубин путем учета погрешностей, картирование полученной информации с определением геодезических координат измеренных глубин, определение высоты мгновенного уровня моря, отличающийся тем, что заранее установленные галсы располагают между предварительно выбранными опорными глубинами на поверхности дна акватории съемки, в координатных точках опорных глубин на дне акватории устанавливают пассивные или активные акустические отражатели, определяют глубины относительно нуля глубин над каждым из акустических отражателей и их геодезические координаты, измеряют крайними боковыми лучами эхолота наклонные расстояния до двух опорных глубин, выполняют измерения по замкнутому маршруту (галсу), заканчивая галс измерениями наклонных расстояний до тех же опорных глубин, что и в начале галса, либо до двух других опорных глубин, расположенных на поверхности дна на заданном расстоянии, при определении истинных значений глубин выполняют вычисления невязок, распределяемых в измеренные векторы положения точек дна, в конце каждого галса при картировании рельефа дна выполняют сопряжение топографических и навигационных растровых карт, измеряют временные интервалы распространения сигналов с последующим их преобразованием в дистанции между акустическими отражателями и гидроакустическими приемоответчиками, которые размещают на линии горизонта работы приемопередающей антенны эхолота, при этом формируют из приемников две навигационные базы с общим центром базы, располагая их в плоскости, параллельной плоскости линии горизонта работы приемопередающей антенны эхолота, при этом ось одной базы X направлена вдоль осевой линии эхолота, а ось другой базы Y направлена по траверзу вправо, высоту мгновенного уровня моря определяют непосредственно на горизонте приемоизлучающей антенны, учет погрешностей при определении истинных значений глубин выполняют путем приборного измерения скорости звука на горизонте приемоизлучающей антенны.1. The method of shooting the bottom topography of the water area with an echo sounder installed on the vessel, including the movement of the vessel along pre-installed tacks, emitting hydroacoustic signals in the direction of the bottom, receiving signals reflected from the bottom surface, measuring distances from the receiving-emitting antenna to the bottom, determining the coordinates of the vessel from external sources of information , measurement of side, keel and pitching, the true heading and speed of the vessel, the binding of the measurement results in time, the determination of the true depths by taking into account the errors mapping the received information with determining the geodetic coordinates of the measured depths, determining the height of the instantaneous sea level, characterized in that the pre-set tacks are placed between pre-selected reference depths on the surface of the bottom of the shooting area, passive or active acoustic sensors are installed at the coordinate points of the reference depths at the bottom of the water area reflectors, determine depths relative to zero depths above each of the acoustic reflectors and their geodetic coordinates, measure the edge with them, the lateral rays of the echo sounder, the inclined distances to two reference depths, perform measurements along a closed path (tack), ending with a tack measuring the inclined distances to the same reference depths as at the beginning of the tack, or to two other reference depths located on the bottom surface at a given the distance, when determining the true depth values, the residuals are calculated, distributed into the measured position vectors of the bottom points, at the end of each tack, when mapping the bottom topography, the topographic and navigational ion raster charts, measure the time intervals of signal propagation with their subsequent conversion in the distance between acoustic reflectors and sonar transponders, which are placed on the horizon of the sonar transceiver antenna, while two receivers are formed from the receivers with a common base center, placing them in the plane, parallel to the plane of the horizon line of operation of the sounder transceiver antenna, while the axis of one base X is directed along the center line of the sounder, and the axis of the other Y is directed along the traverse to the right, the height of the instantaneous sea level is determined directly on the horizon of the receiving-radiating antenna, the errors in determining the true depths are taken into account by instrumental measurement of the speed of sound on the horizon of the receiving-radiating antenna. 2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее приемоизлучающую антенну, передающий блок, приемоизмерительный блок, блок определения средней скорости распространения звука в воде, блок управления и блок сбора, обработки информации и картирование рельефа дна акватории, в котором выход приемопередающей антенны подключен к входу приемоизмерительного блока, выход передающего блока соединен с приемоизлучающей антенной, выходы приемоизмерительного блока подключены к входу блока сбора обработки информации и картирования рельефа дна акватории, входы которого соединены с выходами судовых измерителей составляющих качки, курса, скорости и координат, а блок управления соединен с передающим блоком, приемоизмерительным блоком и блоком сбора информации, обработки и картирования рельефа дна, отличающееся тем, что дополнительно введен блок гидроакустических приемоответчиков, вход которого через блок управления соединен с выходом приемника радионавигационной или/и спутниковой навигационной системы, а выход соединен с входом блока сбора, обработки информации и картирования рельефа дна акватории, и устройство измерения уровня водной поверхности, которое своим выходом соединено с входом блока сбора и обработки информации. 2. The device for implementing the method according to claim 1, comprising a transmitting antenna, a transmitting unit, a receiving unit, a unit for determining the average speed of sound propagation in water, a control unit and a unit for collecting, processing information and mapping the topography of the bottom of the water area in which the output of the transceiver antenna is connected to the input of the receiving-measuring unit, the output of the transmitting unit is connected to the receiving-radiating antenna, the outputs of the receiving-measuring unit are connected to the input of the information processing and terrain mapping unit the bottom of the water area, the inputs of which are connected to the outputs of the ship's meters of heading, heading, speed and coordinates, and the control unit is connected to a transmitting unit, a receiving and measuring unit and a unit for collecting information, processing and mapping the bottom topography, characterized in that an additional unit for hydroacoustic transponders is introduced, whose input through the control unit is connected to the output of the receiver of the radio navigation or / and satellite navigation system, and the output is connected to the input of the unit for collecting, processing information and mapping the relief of the bottom of the water area, and a device for measuring the level of the water surface, which is connected by its output to the input of the information collection and processing unit.

Images