PPP技術在水深測量成果質量檢驗中的可行性研究

李沖，張勝書，李見陽

(四川省測繪產品質量監督檢驗站，四川成都 610041)

1 引言

水深測量是海洋測量、內陸湖泊及河道測量中一項常規的測量項目，影響水深測量成果質量的關鍵因素是精密定位技術及測深精度。隨著工程建設、科學考察對水深測量成果精度和準確度要求的不斷提高，傳統的測量方法如羅盤和六分儀定位，測深繩、測深桿、測深鉛魚等已遠遠不能滿足測量精度要求。現階段主要使用GPS－RTK、DGPS技術結合回聲測深儀或激光測深儀測定水深。然而使用GPS－RTK、DGPS技術進行精確定位時，必須沿河(海)岸布設足夠多的基準站，且其作業距離受到限制，對于水深測量成果的質量檢驗而言，采用此方法采集樣本點勢必費時費力。PPP(精密單點定位)技術可以在全球框架內實現絕對定位，且其具有成本低、作業效率高、操作簡便等優點，目前其精度已經可以達到厘米級，完全能夠滿足水深測量成果的質量檢驗需要。

2 利用PPP技術進行水深測量的基本原理及步驟

PPP技術的基本原理是利用IGS提供的精密軌道產品和鐘產品，采用單臺接收機的非差觀測值按照嚴格的單點定位的數學模型，進行精密單點定位以獲取測量點位的三維空間坐標。水深測量的關鍵技術是獲取動態測量瞬間的測量點位坐標及測量的水深數據。由此可見，利用PPP技術獲取的點位三維坐標，經過投影和轉換，配合測深儀，可以滿足水深測量的需要。

PPP技術應用于水深測量時，其設備主要應由承載測船、動態GPS接收機、精密計時器、回聲測深儀、計算機及專用軟件等組成。其基本原理如圖1。

圖1 PPP水深測量原理圖

基本作業方法及步驟如下:

(1)測前準備

將GPS接收機與測深儀聯接在一起，并精確測定GPS天線相位中心至測深儀距離h，h的測量精度控制在3 mm。

(2)外業數據采集

測量水深前打開GPS接收機，并根據接收機的類型將其采樣間隔設置在 1 s或 0.1 s，開始測量前應將GPS接收機處于靜止狀態觀測半小時以上。測量時控制好船速。根據測深點的密度要求，利用測深儀進行測量，并記錄測量瞬時的時刻ti。

(3)內業數據處理

①利用水深儀自帶的數據處理軟件對水深測量數據進行處理，得到精確的測深成果hCi;

②利用PPP專用的數據處理軟件計算各個采樣歷元的定位坐標序列，根據水深測量的記錄時刻ti，采用高精度的內插模型計算ti時刻的船位坐標，并轉換為基于WGS－84橢球的高斯平面坐標和大地高的形式(XWi，YWi，HWi);

③利用坐標轉換參數將(XWi，YWi)轉換為工程用的獨立坐標(Xi，Yi)，利用大地水準面模型或高程異常擬合模型將HWi轉換為正常高Hi;

④根據上述成果可以計算水下地形特征點的高程

HS=Hi－h－hCi;

⑤根據坐標和水下地形特征點高程序列(Xi，Yi)，便可生成所需要的測量成果，如水深圖或統計分析圖等。

3 利用PPP技術進行水深測量的精度分析及作業要求

利用PPP技術進行水深測量時，其精度關鍵是定位精度、時間記錄精度和大地高精度。

設測量時測船的速度為V，回聲測深儀的測量記錄時刻誤差為△t，PPP的測量誤差(不考慮內插誤差和轉換參數誤差)為△P(△XP，△YP，△HP)，測船行駛方向與坐標橫軸的夾角為β，所使用的大地水準面模型誤差為△HD，則測量的定位誤差及測深誤差為:

精密單點定位的誤差△P可分為與衛星有關的誤差(如衛星鐘差、衛星軌道誤差、天線相位中心偏差、相對論效應等)、與信號傳播有關的誤差(如電離層延遲、對流層延遲、多路徑效應等)以及與地面接收機有關的誤差(接收機鐘差、接收機天線相位偏差、固體潮改正、海潮改正等)三種，為了使其動態定位精度達到厘米級水平，必須做到以下要求:

(1)采用厘米級精度水平的衛星精密星歷;

(2)衛星鐘差改正精度需達到亞納秒量級;

(3)精密單點定位解算時需考慮電離層延遲、對流層延遲、固體潮、海潮、天線相位中心偏差等的精確改正模型;

(4)利用抑制天線、相控陣列天線等技術減小多路徑效應的影響。

對于水深測量成果，《水運工程測量規范》(JTJ 203－2001)中要求，測深定位點點位中誤差在 1∶500比例尺測圖時其限值為 1 m，比例尺越小，精度要求越低，一般測船的速度控制在 3 m/s～5 m/s，則測量記錄時刻的精度應達到 0.1 s。

對于測深誤差而言，《水運工程測量規范》(JTJ 203－2001)中要求，當水深H＜20 m時，深度誤差限值為±0.2 m，H＞20 m時，深度誤差限值為 ±0.01H，采用PPP技術進行水深測量時，△hC可以忽略不計，大地水準面的精度△HD應達到厘米級，△HP的精度一般是位置精度的2倍，因此其可靠性問題是備受關注的問題。在作業之前可以在淺水區，利用測深桿或測深錘獲取一定數量的較高精度的水深數據與使用PPP測量的水深進行比較，使用修正的方法來提高測深點的測深精度。具體做法如下:

設測得的修正點為m個，利用PPP技術測定的水深為HPi，i=1……m，利用測深桿或測深錘測定的水深為HGi，以此m個點的△Hi和平面坐標(差)作為起算數據，構建數學模型進行擬合，其數學模型可表示為:F=AX+△，A為由平面坐標(差)所構建的系數矩陣，F為高程修正值，根據最小二乘原理求解待定參數X，從而求解出待修正點的△H，并利用△H對PPP測得的測深數據進行修正。由于△H中的主要誤差為PPP在高程方向的解算誤差，其在一定區域范圍內具有系統性和規律性，當測量區域較大時，應注意修正點的分布應基本能覆蓋測量區域。

為了確保測量精度和可靠性，還應利用采集的數據繪制高程曲線。根據曲線的平滑程度來分析PPP高程有沒有產生個別或部分點出現異常的情況，然后利用相鄰的測深點數據對其進行平滑和修正。

4 利用PPP技術進行水深測量成果質量檢驗的優點

水深測量成果的一般形式為水深圖，其主要由一定間隔的水下高程注記點和等深線構成，在對其成果進行質量評價時，測深精度是最重要的評價指標。一般采用實地采集一定數量的測深點與其成果進行比較統計的方式評價其精度。然而，水深測量成果往往是沿內河或海岸測制，成帶狀，其成果精度不均勻，為確保檢驗結論的可靠性，樣本點一般需要基本覆蓋成果范圍。采用常規的水下地形測量方法進行檢測時，其結果受潮汐觀測誤差、定位誤差、測深延遲、波浪效應等多種因素的影響，精度較低。采用GPS－RTK無驗潮測量技術雖然能消除以上大部分誤差的影響，但是其測量范圍受到與基準站距離的限制，當樣本點分布范圍較大時，往往需要布設多個基準站，成本較大，而且效率低下。

利用PPP技術進行水深測量成果精度檢測時，只需在開測前進行靜態觀測半小時左右，之后便可以去任何測量區域進行檢測數據的采集，數據采集時只需記錄回聲測深儀的數據和采集瞬時時刻便可，其檢測方式靈活、外業操作簡便，利用該技術進行水深測量成果的精度檢測，可以極大縮短外業工期，提高檢驗效率。

5 結語

隨著PPP技術的不斷發展，其動態定位精度已可以達到厘米級，而且憑借其靈活高效的作業模式，應用范圍越來越廣，本文探討了其在水深測量成果質量檢測中的應用可行性，給出了具體的原理和數學模型，并從多個方面分析了誤差來源，給出了相應的作業要求，然而，應用該項技術的關鍵是精密的時間同步技術，因此，開發高精度的GPS－數字測深儀一體化系統，配置高精度的計時器，將在水深測量領域中有廣泛的應用前景。

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