爱华网1.引言 GPS技术的出现，带来了测量方法的革新,在大地控制测量、精密工程测量及变形监测等应用中形成了具有很大优势的实用化方案。尤其是GPS- RTK技术能够在野外实时得到厘米级定位精度，为工程放样、地形测图、地籍及房地产测量、水下地形测量等带来了新的作业方法，极大地提高了野外作业效率，是GPS应用的里程碑。特别是利用RTK与测深技术，组成GPS-RTK和测深仪联合作业系统进行水下地形测量，在实际海洋勘察中取得了显著的效果。 2.信标机的基本原理 信标机是可以自动选择信标台的双通道接收机，集无线电信标接受和载波相位接受与一体，定位无需投资基准站设备，即可实现导航与测量，并不受地域限制提供亚米级差分定位精度，但其有自身的不足，不可以实时测定其位置的高程，其高程采用验潮的方法来修正和确定，在实际应用中，验潮的时间间隔长短与数据误差成正比。验潮的误差源主要有三个方面：目测的误差；测量船在风浪作用下的升降位置⊿h不均匀造成的高程误差；潮位改正，为了正确的表示海底地形，需要将瞬时海面测得的深度，计算至平均海面、深度基准面起算的深度，这一归算过程称为潮汐改正。在验潮站的作用范围内，瞬时水面的潮汐可通过诸验潮站的潮位观测值内插获得，即潮汐内插。回归法内插潮汐实质上是将潮汐的瞬间变化看作时间的多项式函数T（t），利用N个观测间隔⊿t的潮位观测值内插出N⊿t时段的潮汐变化曲线，该曲线即反映了该时段潮汐变化的特征。其解决办法为：多人多次进行观测，取平均值，测量的船的前行速度在一定范围之内并保持匀速，方可减小系统误差和偶然误差。因信标仪的定位精度不高、验潮的精度差和比较烦琐而显得不足。GPS- RTK技术出现后取代了信标机位置。 3.RTK技术的基本原理 GPS技术始于20世纪90年代初,先是静态GPS定位，21世纪初发展出动态GPS定位，即GPS-RTK系统。该系统是基于载波相位观测值基础上的实时动态定位技术。其系统主要由基准站、流动站和数据传输系统三大部分组成。在RTK工作过程中，选择已知控制点或支点作为参考点，并在其上架设RTK基准站，连续实时接收全球定位系统（GPS）卫星信号。在RTK流动站，要先进行设备初始化，待完成整周模糊度的搜素求解获得窄带固定解后，再进行RTK作业。工作中，RTK基准站将测站点坐标、载波相位观测值、伪距观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态等信息通过数据链将其发送给流动站接收机，流动站接收机通过电台（数据链）接受来自基准站的数据，同时还要采集GPS卫星载波相位信号数据，通过系统内差分处理，采用卡尔曼滤波技术,在运动中初始化求出整周模糊度，流动站点位坐标与基准站间的坐标差（⊿x, ⊿y, ⊿z）等信息，由此可获得流动站点在基准站坐标系统下的坐标值。最好通过坐标转换和参数转换等计算，得到流动站站点在所需坐标系统下的三维坐标（X，Y，Z），精度可达厘米级。 4. 测深仪技术及水下地形测量的原理 测深仪技术多采用回声测深原理，即采用声波在不同介质中的传播的速率不同，并且在两种不同介质界面出会产生反射的原理。由测深仪换能器发射的电磁波，在海水中传播，遇到海底介质时，由于介质发生了改变，必然会引起电磁波反射，经海底表面反射的电磁波，再有换能器接受，通过计算换能器连续两次发射、接受电磁波的时间差，经过相应的数学模型计算，就可获得电测波在水中传播的距离，从而获得相应的水深值h深。测深仪换能器向水底发射的脉冲信号是垂直于换能器平面的，因此换能器只有处于水平位置才能精确的测定换能器到水底的真实水深值，在简化模式下，水深值的计算可采用如下计算公式： h深=c⊿t/2式中，c为声波在水中的传播速率。 水下地形测量包括两部分:定位和水深测量。传统海洋测量多采用信标机+测深仪模式，该模式的原理是用信标机定位、测深仪测水下深度、用潮水校正高程。目前采用GPS-RTK 差分定位、而水深测量采用的是回声测深仪的方法。这样就可以确定水底点的高程： （1） 式中，为水底点高程，为水面高程，为测量水深，为换能器的静吃水。 在观测条件比较好的情况下，考虑RTK具备比较高的高程确定精度，同时严格考虑船姿的影响，无验潮模式下的水底点高程可通过下式确定： （2） 式中，为GPS相位中心的高程（通过RTK直接确定），为GPS接收机天线相位中心距换能器面的垂距，为姿态引起的深度改正。 5. 水深测量的基本作业步骤 水深测量的作业系统主要由GPS接收机、数字化测深仪、数据通信链和便携式计算机及相关软件等组成。测量作业分三步来进行,即测前的准备、外业的数据采集测量作业和数据的后处理形成成果输出。 A. 测前的准备 a.求转换参数 ①将GPS基准站架设在已知点A上,设置好参考坐标系、投影参数、差分电文数据格式、发射间隔及最大卫星使用数,关闭转换参数和7参数,输入基准站坐标(该点的单点84坐标)后设置为基准站。 ②将GPS移动站架设在已知点B上,设置好参考坐标系、投影参数、差分电文数据格式、接收间隔,关闭转换参数和7参数后,求得该点的固定解(84坐标)。 ③通过A、B两点的84坐标及当地坐标,求得转换参数。 b.建立任务 设置好坐标系、投影、一级变换及图定义。 c.作计划线 如果已经有了测量断面就不需要重新布设,但可以根据需要进行加密。 B.外业的数据采集 架设基准站在求转换参数时架设的基准点上,且坐标不变。将GPS接收机、数字化测深仪和便携机等连接好后,打开电源。设置好记录设置、定位仪和测深仪接口、接收机数据格式、测深仪配置、天线偏差改正及延迟校正后,就可以进行测量工作了。 C. 数据的后处理 数据后处理是指利用相应配套的数据处理软件对测量数据进行后期处理,形成所需要的测量成果——水深图及其统计分析报告等,所有测量成果可以通过打印机或绘图机输出。 6. 影响水深测量精度的几种因素及相应对策 在实际使用无验潮方式进行水深测量时,测量结果精度会由于船体的摇摆、采样速率、RTK与测深仪采集数据同步时差及RTK高程的可靠性等因素造成的误差的影响。 A. 船体摇摆姿态的修正 船的姿态可用电磁式姿态仪进行修正,修正包括位置的修正和高程的修正。姿态仪可输出船的航向、横摆、纵摆等参数,通过专用的测量软件接入进行修正。在实际作业中高速行驶的船体左右摇摆较轻微。 B. RTK定位数据与测深数据不同步造成的误差 GPS定位输出的更新率将直接影响到瞬时采集的精度和密度,现在大多数RTK方式下GPS输出率都可以高达20HZ ,而测深仪的输出速度各种品牌差别很大,数据输出的延迟也各不相同。因此,定位数据的定位时刻和水深数据的测量时刻的时间差造成定位延迟。对于这项误差可以在延迟校正中加以修正,修正量可在斜坡上往返测量结果计算得到,也可以采用以往的经验数据。 C.吃水改正 吃水改正包括静态吃水和动态吃水。根据换能器相对船体的位置，换能器可按照几何关系求解。动态吃水就是要确定作业船在静态吃水的基础上因航行造成的船体吃水的变化。这种变化有时也称作航行下沉量，它受船只负载、船型、航速、航向和海况等诸多因素的综合影响。通常采用霍密尔公式计算船只动态吃水。 该公式较好的反映了船体航行下沉量（△D）与航速（v）、航道水深（D）的关系。其中K系数是由实测资料推算，按照船舶长（L）与宽（h）之比值为引数查取。 D. RTK高程可靠性的问题 RTK高程用于测量水深,其可信度问题是倍受关注的问题。在作业之前可以把使用RTK测量的水位与人工观测的水位进行比较,判断其可靠性,实践证明RTK高程是可靠的。为了确保作业无误,可从采集的数据中提取高程信息绘制水位曲线(由专用软件自动完成) 。根据曲线的圆滑程度来分析RTK高程有没有产生个别跳点,然后使用圆滑修正的方法来改善个别错误的点。 7. 作业时应该注意的若干问题 A.有关基准站的问题 a.因为RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术,RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值,相位观测值) 及已知数据传输给流动站接收机。所以: 电台天线要尽量高。如果距离较远,则要使用高增益天线,否则将影响到作业距离；电源电量要充足,否则也将影响到作业距离。 b.设站时要限制最大卫星使用数,一般为8颗。如果太多,则影响作业距离,太少,则影响RTK初始化。 c.如果不是使用7参数,则在设置基准站时要使Transform To WGS84 (转换到WGS84 坐标系) 处于off (关闭) 状态。 d.如果使用7参数,则△X、△Y、△Z 都小于±100 较好,否则重求。 e.在求转换参数前,要使参数转换和7参数关闭。 f.在RTK作业模式下,基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据,还要采集GPS 观测数据,并在系统内组成差分观测值进行实时处理,同时给出厘米级定位结果,历时不到一秒钟。基准站和移动站必须保持四颗以上相同卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形,则流动站可随时给出厘米级定位结果。所以有时偶尔RTK没有固定解也是很正常的。 B. 有关流动站的问题 a.解的模式要使用RTK Extrap (外推) 模式。 b.数据链接收间隔要与基准站设置的发射间隔一致,都要为1。 c.如果使用海洋测量软件导航、定位,则:记录限制要为RTK固定解；高程改正要在天线高里去改正。 d.差分天线要尽可能的高。 C.关求转换参数的问题 已知两点在测程及测区内要尽量远。同时,这两点不能在同一条经线或同一条纬线上。 8. 结束语 利用RTK技术进行水下地形测量，在大面积开阔地区具有巨大的优势，使得水下地形测量这项工程变得简单、方便、快捷、轻松、高效、经济,可以全天候实施测量工作,同时也提高了测量精度。但在障碍物遮挡严重的地区如部分陡峭峡谷区域可能因RTK信号问题不能完全取代传统测量方法，必须结合交会法或极坐标法才能取得理想的效果。2006年我公司在湛江港区域率先采用RTK-测深仪模式进行水下地形测量作业，效果显著。随着RTK技术的不断发展，其应用前景将更加广阔。 参考文献 [1]徐绍铨. GPS测量原理及应用[M]武汉:武汉测绘科技大学出版社.1998
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