GPS PPK潮位測量技術在疏浚測量中的應用

李素江，王華原

（中交天津港航勘察設計研究院有限公司，天津300450）

近年來，為適應世界海運的發展潮流，中國加快了深水大港的建設步伐，先后有多條20～30萬t級的深水航道投入使用。對于人工航道而言，向海洋縱深的延伸必定引起疏浚總長的大幅增加。以天津港為例，近年一直投入巨資進行主航道的擴建工作，繼25萬t級航道建成之后30萬t級航道已于2010年9月開工建設，目前航道總里程已超過45 km。

1 概述

對于超長航道疏浚工程的水位控制，一直是從事疏浚工程測量工作的技術人員著力研究的重要課題，目前有幾種比較成熟的解決方案。

1.1 潮位觀測

在疏浚區設立潮位觀測站直接觀測潮位，根據傳統方法傳遞基準。這種方法為傳統常規方法，優點是觀測成果準確可靠。缺點是作業復雜困難，且工作量大。

1.2 潮位推算

根據若干長（短）期驗潮站的驗潮資料，通過調和分析的方法確定每個分潮的調和常數，由此建立各潮位站間海域的潮位模型。通過潮位模型對測量船位置的天文潮位進行預報，結合已知站余水位對預報天文潮位進行訂正后，所得潮位即可作為水深測量潮位改正的依據。這種方法優點是作業方便簡單。缺點是精度受調和參數及余水位相關度的限制。

1.3 潮位傳遞

根據2個或2個以上有效距離控制內的已知站進行分帶內插改正，或者進行潮位模擬相關來推算疏浚區潮位。這種方法的優點是作業簡單。缺點是向海內延伸一般很難找到已知潮位控制站，而且精度受到潮位站有效距離和相關性的控制。

1.4 GPS RTK潮位測量

RTK是基于載波相位測量的實時差分定位技術，該技術已廣泛用于河道/海道測量中，能夠在動態情況下獲得cm級的平面和高程定位結果。RTK三維水深測量是利用GPS的cm級測高成果，精密測定測深儀換能器的瞬時高程，進而測定海底的高程。RTK定位具有實時性，可以獲得每個歷元的高精度三維解，又可以消除測艇動吃水、涌浪等方面的影響，非常適合實時潮位測量［1］。但不足的是GPS RTK測量的作用距離受無線數據傳輸的影響，一般情況下作用距離只能達到20 km，對于超長航道的潮位控制通常難以勝任。

上面幾種方法盡管有效，但還存在諸多需要注意的問題，潮位推算技術常受到潮位模型誤差、驗潮站缺失、氣候等因素的影響，造成潮位數據誤差過大甚至數據空白［2］。另一方面，潮位模型通常對被潮位站包圍的水域具有較好的計算精度，而對于延伸較遠的外航道水域則可能不被潮位站有效范圍所覆蓋，如果使用外推潮位，就必然會給潮位計算帶來較大的誤差。因此需要找到一種更有效的方法來解決長距離航道疏浚工作中潮位控制問題。本文就是從這個目的出發，根據現在測量技術發展水平，提出一種新的潮位測量方法。

2 GPS PPK潮位測量

GPS PPK與RTK技術基本原理相似，但采用的是后處理技術，其作用距離不受數據傳輸的約束，可以達到50～80 km［3］。加之后處理模式數據穩定、解算靈活，因此GPS PPK的潮位測量的精度和可靠性要高于RTK測量。

2.1 GPS PPK定位原理

PPK（Post Processing Kinematic）模式即后處理動態測量模式，是GPS測量作業的一種常用模式。在測量過程中，只需連續記錄基準站和流動站的原始觀測數據，而無需在站間進行實時數據通訊。事后利用IGS提供的精密星歷或廣播星歷、原始記錄數據和基準站的已知坐標，計算出基準站的相位改正數。根據GPS定位原理，基準站和流動站在一定距離范圍內定位誤差具有較好的空間相關性，故可以利用基準站的相位改正數對流動站的相位觀測數據進行改正，進而獲得流動站的精確三維坐標［4-8］。

2.2 GPS PPK潮位測量的可行性

2.2.1 測量精度可以滿足要求

雙頻GPS在PPK作業模式下，其測量精度的計算公式為

式中：D為基線長度，km。

根據式（1）及式（2），在基線長80 km范圍內，平面和高程定位精度均≤±10 cm，可以滿足疏浚工程水深測量對潮位控制的精度要求。

2.2.2 雙頻GPS接收機已經廣泛普及

隨著雙頻GPS的逐漸普及，已從以前的高端設備變成了現在的標配裝備，如今一臺雙頻GPS的售價僅相當于以前一臺2″級全站儀的價格。目前絕大部分科研院所和測量單位都配備了自己的雙頻GPS，并廣泛應用于大地測量、施工測量等各個領域。因此，為現有的水深測量系統配備GPS PPK潮位測量設備，并不會過多增加測繪單位的儀器購置成本。

2.2.3 儀器性能可以滿足測量要求

GPS相位測量技術已經非常成熟，現在普通雙頻GPS測量設備的性能已經較之前有了較大提升：

（1）GPS跟蹤性能。近年來各生產廠商投入大量人力、物力用于GPS產品的技術研發工作，高性能的GPS接收天線以及信號增強技術的不斷應用，使得新型GPS接收機的抗干擾能力、連續鎖定能力、抗多路徑效應能力、相位中心穩定性等均有顯著提高。

（2）動態初始化。單頻GPS接收機在PPK模式下工作時，需在接收天線靜止不動的情況下進行靜態初始化。雙頻GPS接收機的工作原理是進行載波相位觀測，為了實現接收機真正意義上的實時動態測量，動態初始化（OTF）技術應運而生，目前市面上的雙頻GPS接收機均可實現運動狀態下的初始化。

2.2.4 解算軟件

一般廠商的GPS接收機都會隨機配備相應的解算軟件，可以進行各自產品在標準靜態、PPK等工作模式下數據的基線解算，同時又具備數據的輸入、輸出、數據瀏覽、坐標系定義、平差計算等多種功能。對于PPK數據的解算和成果數據輸出，均可通過隨機軟件或第三方軟件實現。

2.3 在航潮位的提取

GPS PPK測得的海面高程是瞬時的，直接反映海水面的起伏變化。事實上海面的瞬時高程H包含了多種因素的影響，即瞬時海面H是潮汐T和波浪w綜合作用的結果。為獲得真實的潮位，要從潮位測量中消除波浪因素的影響［2，9］。

潮位本身是一個變化相對穩定的水位面，為從GPS觀測的瞬時海面高程中提取出潮位，需要考慮瞬時海面這一綜合波動中各波段信號的頻譜特征。潮位為長周期項，周期一般為幾小時，涌浪影響項為短波項，周期一般為10～60 s。根據這些信號的頻譜特征，采用低通濾波的方法對綜合信號中的短周期項進行過濾，所得中長周期項即為在航潮位。

3 深度基準面的確定

3.1 PPK大地高與理論最低潮面關系的確定

GPS測量的是基于WGS84橢球面的大地高，要實現WGS-84橢球面與航道深度基準面之間的高程轉換，需要通過兩步來實現：第1步是高程基準面從橢球面到似大地水準面之間的轉換，即大地高向正常高的轉換；第2步是高程基準面從似大地水準面向理論最低潮面的轉換，即正常高向海圖高的轉換［1］。

要實現二者之間的轉換需要建立一個連續的海圖高程基準模型，即無縫垂直基準面模型。在獲得無縫垂直基準模型后，再通過下式即可實現WGS-84大地高到海圖高的轉換［2］

式中：H為海圖高；Hp為大地高；ζ為高程異常；Δh為理論最低潮面相對似大地水準面的差距。

對于測量區域距岸較遠的超長航道，可以采用驗潮儀和GPS驗潮相結合的方法，利用式（3）確定各高程基準面間的關系，從而實現在航GPS PPK潮位結果向海圖基準高程的轉換。

3.2 深度基準面的確定

3.2.1 平均海平面

為確定長期平均海平面，可通過以下幾種方法進行：（1）調和分析確定平均海平面；（2）平均海平面定義確定法；（3）平均海平面同步傳遞法；（4）線性關系最小二乘擬合法。

3.2.2 深度基準面

用于確定深度基準面的方法主要有：（1）弗拉基米爾斯基模型法；（2）深度基準面傳遞法；（3）保障率定義法。

對于基準面的確定，可通過不同的方法相互檢核和綜合取舍。鑒于篇幅關系，以上各計算方法在此不做詳細闡述。

3.3 航道垂直無縫基準的建立

建立區域高精度的深度基準面模型是實現GPS PPK潮位測量深度基準面無縫銜接的基礎工作，同時也是GPS PPK在航潮位測量的關鍵。航道無縫垂直基準模型可采用內插的方法建立。

首先在航道潮汐特征點位置設置驗潮站，單點計算深度基準面后，采用線性內插的方法獲得整個航道的深度基準面模型，確保深度基準面空間變化的連續性，最后通過數據處理將GPS PPK測得的任意測點處的海面高程信息，歸化于該垂直基準面模型上，得到相應的在航潮位成果。

4 GPS PPK潮位測量作業流程及應用實例

4.1 作業流程

4.1.1 儀器安置

PPK屬于差分GPS技術，應在岸邊已知控制點上架設基準站。流動站天線盡量架設于測船的重心位置RP（Reference Point）上方，基準站與流動站的采樣率應保持一致，可設定為0.2～1 Hz。測量開始前應嚴格測量基準站天線高以及流動站GPS天線在船體坐標系VFS（Vessel Frame System）下的坐標［1］。儀器安置原理如圖1所示。

圖1 GPS PPK潮位測量儀器示意圖Fig.1 Sketch of GPS PPK tidal level measuring instrument

4.1.2 初始化

根據經驗，雙頻GPS接收機在失鎖后重新動態初始化所需時間T的計算公式為

式中：T為動態初始化時間，min；S為移動站與基準站之間的距離，km。

根據式（4），可計算得到典型的距離與初始化時間關系，即移動站與基準站之間的距離為10 km、20 km、30 km、40 km、50 km、60 km、70 km、80 km 時，動態初始化所需時間分別為 3.5 min、6.0 min、8.5 min、11 min、13.5 min、16 min、18.5 min、21 min。

為保證在航潮位測量數據的可靠精度，可約定在開始水深測量前進行不少于15 min的靜態初始化。在數據采集期間如出現衛星失鎖、數據采集中斷等情況時，應暫停水深數據采集不少于30 min以保證動態初始化的成功。

4.1.3 數據采集

為保證GPS PPK獲取數據及潮位提取的質量，數據采集期間應注意如下事項：（1）數據采集時間應超出水深測量前、后各20 min；（2）測量期間應每隔10 min檢測GPS接收機的工作狀態，同時查看接收機的電池電量和存儲卡的剩余容量，如剩余容量無法滿足測量要求時，應及時更換存儲介質或采取相應措施；（3）如在測量過程中出現GPS信號失鎖情況，應立即停止水深測量作業，完成動態初始化之后方可繼續水深測量工作；（4）對于數據采集期間出現的異常情況，應記入測量工作日志以便內業數據處理時查閱。

4.1.4 GPS PPK數據解算

對于GPS PPK測量的原始數據，應對動態基線進行解算后方可獲得相應的測高成果。基線解算期間如發現測量數據中出現不良數據，可對其進行人工刪除。

對流層及電離層模型可使用軟件推薦的隨機模型，整周模糊度未能解算的測量點應及時剔除。測量數據解算完成后，使用預定義的轉換參數將成果轉換至指定坐標系下，并按照要求輸出為相應的數據格式。

4.2 GPS PPK在航潮位測量在天津港主航道的實現

4.2.1 深度基準面的確定

為獲得天津港主航道深度基準面的分布情況，根據在南疆碼頭、大沽燈塔、航道里程K34+000、K44+000區域布設的驗潮儀采集的數據，進行平均海平面的歸算以及理論最低潮面的傳遞，計算工作均使用專門研制的海洋基準確定及傳遞軟件進行。

4.2.2 航道無縫垂直基準的建立

為獲得適用于水深測量的潮位數據，GPS PPK測高數據的處理流程如圖2所示。

基線解算使用GPS隨機配備的后處理軟件進行，將解算結果（GPS大地高）使用天津港地區的嚴密坐標轉換參數轉換為正常高，由于天津港航道理論最低潮面的基準面自港區向外逐漸抬高，還應進行由正常高向理論最低潮面高程轉換的基面擬合，基面擬合所需參數通過標定測量的方式獲取。

圖2 GPS PPK測量數據的處理流程Fig.2 Flow chart of GPS PPK measurement data processing

GPS PPK標定測量采用在航狀態進行，由測量船自天津港航道K0+000至K45+000往返航行一個航次，數據采集期間要求等速、直線航行，避免突然轉向、停船等情況。分別在航道K2+500、K24+000、K36+000（航道轉點）、K45+000求取GPS PPK正高相對于理論最低潮面高程的標定值，使用往測標定、返測校核的方式以保證標定結果的可靠性。

各潮位特征點的標定結果見表1。

根據標定測量成果，對上述各點的改正值進行線性內插后可獲得整個航道的PPK正高改正值，進而根據這一系列改正值建立航道沿線的無縫垂直基準模型。值得注意的是，PPK正高改正值不但包含理論最低潮面沿航道方向的變化量，還包含了GPS大地高向正常高轉換的殘差。

4.2.3 GPS PPK潮位提取

GPS PPK潮位測量原始數據經解算完成后，導入GPS在航潮位數據處理系統進行數據濾波等處理后，提取出指定時間間隔（1～10 min）的潮高成果。對提取出的潮位數據依照航道無縫垂直基準模型進一步修正后，即可獲得精確的在航潮位信息（圖3）。

表1 天津港航道特征點標定數據Tab.1 Feature point calibration values of Tianjin Port channel m

圖3 GPS PPK潮位數據提取Fig.3 GPS PPK tidal level data extraction

5 GPS PPK在航潮位測量精度驗證

（1）試驗測區。為詳細驗證GPS PPK在航潮位的測量精度，在天津港航道最外端（K44+000以外）選擇一處測試水域，整個區域大小約1 300 m×1 300 m，水深分布18～22 m。

在試驗區使用Seabat8101多波束測深系統進行水深測量，沿航道軸線方向布設16條測線，測線間距以保證多波束測深全覆蓋為準。分別使用GPS PPK實測潮位和傳統驗潮數據進行潮位改正，以驗證2種潮位改正方式的符合程度。

（2）使用PPK潮位改正后的數據，不同時間完成的相鄰測線搭接效果良好（圖 4）。

（3）使用不同潮位改正方式的數據不符情況。

分別利用PPK潮位和傳統驗潮潮位對試驗區測量數據進行改正，按照5 m×5 m大小輸出格網數據，對2種潮位改正方式的水深差進行統計，以判定GPS PPK潮位改正的精度。參加比對節點數據共67 225個，不符值標準差SD=0.04 m，不符值位于-0.1～0.1 m區間的點數占比為98.64%，二者之間具有良好的一致性，如表2及圖5所示。

表2 不符值統計表Tab.2 Statistics of discrepancy value

圖4 相鄰測線搭接效果Fig.4 Overlap effect of neighboring survey lines

圖5 比對不符值分布圖Fig.5 Distribution of discrepancy value

6 結語

6.1 GPS PPK潮位測量的局限性

（1）潮位測量過程中無法對GPS采集數據的質量進行實時監控，需通過一些質量控制手段來保證數據采集的質量。

（2）GPS PPK定位技術雖然相對GPS RTK提高了作用距離，不再受無線電傳播距離的影響，但仍受局域差分誤差相關假設的局限，定位誤差將隨作用距離的增大而增大。

6.2 應用前景

GPS PPK在航潮位測量成果為實測潮位，其高精度和高可靠性的特點對于疏浚工程來說具有重要意義，可在控制超挖、減少廢方等方面起到很大作用。作為GPS PPK測量在疏浚工程測量方面的創造性應用，本文為大型航道疏浚工程的潮位控制提供了一種切實可行的手段，可以解決遠距離潮位無法有效控制的行業難題，在今后超長航道的疏浚工程測量方面具有廣闊的應用前景。

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