現(xiàn)代海洋測(cè)繪中GPS的應(yīng)用

于大鵬　徐成業(yè)

摘 要：海洋是一個(gè)國(guó)家的重要組成部分，自新世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)在海洋資源勘探、開(kāi)采以及測(cè)繪方面都投入了大量的人力物力，其中海洋測(cè)繪在我國(guó)的民用和軍用方面都極為重要的作用，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，大量先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用于海洋測(cè)繪方面，其中GPS技術(shù)在海洋水深測(cè)量與精密定位方面發(fā)揮了重要的作用。文章將就GPS技術(shù)在海洋測(cè)繪中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：GPS技術(shù)；海洋測(cè)繪；精密定位；水深測(cè)量

前言

我國(guó)海洋面積廣闊，做好海洋的測(cè)繪工作有著深遠(yuǎn)的意義。在以往的海洋測(cè)繪中，通常使用羅盤(pán)定位與六分儀、測(cè)深桿、測(cè)深繩、測(cè)深鉛魚(yú)等方法進(jìn)行測(cè)量，這些方法耗時(shí)耗力不說(shuō)且測(cè)量精度并不高，測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)只能用作粗略的了解，無(wú)法得出高精度的數(shù)據(jù)。隨著科技的發(fā)展，大量新技術(shù)應(yīng)用于海洋測(cè)繪工作中，在測(cè)深方面，側(cè)掃聲吶和多波束測(cè)深系統(tǒng)，海洋遙感測(cè)深等技術(shù)可以得出精確的數(shù)據(jù)，應(yīng)用衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)對(duì)海洋大地水準(zhǔn)面、重力異常、海洋環(huán)流、海洋潮汐等問(wèn)題進(jìn)行了比較詳細(xì)的探測(cè)。現(xiàn)今，GPS技術(shù)在海洋精密定位和水深測(cè)量中得到了廣泛的使用，使海洋測(cè)繪從測(cè)量航海要素為主，發(fā)展到測(cè)量各種專(zhuān)題要素的信息和建立海底地形模型的全部信息，使海洋測(cè)繪向著更高效、高精度的方向發(fā)展。

1 海洋測(cè)繪簡(jiǎn)介

海洋測(cè)繪是指測(cè)量海洋底部的地球物理場(chǎng)的性質(zhì)及其變化特征，繪制成不同比例尺的海圖和專(zhuān)題海圖，是對(duì)海洋水體和海底為對(duì)象所進(jìn)行的測(cè)量和海圖編制工作。主要包括海道測(cè)量、海洋大地測(cè)量、海底地形測(cè)量、海洋專(zhuān)題測(cè)量，以及航海圖、海底地形圖、各種海洋專(zhuān)題圖和海洋圖集等的編制。

海洋測(cè)繪的方法主要包括海洋地震測(cè)量、海洋重力測(cè)量、海洋磁力測(cè)量、海底熱流測(cè)量、海洋電法測(cè)量和海洋放射性測(cè)量。因海洋水體存在，須用海洋調(diào)查船和專(zhuān)門(mén)的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行快速的連續(xù)觀測(cè)，一船多用，綜合考察。基本測(cè)量方式包括：（1）路線測(cè)量。即剖面測(cè)量。了解海區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造和地球物理場(chǎng)基本特征。（2）面積測(cè)量。按任務(wù)定的成圖比例尺，布置一定距離的測(cè)線網(wǎng)。比例尺越大，測(cè)網(wǎng)密度愈密。在海洋調(diào)查中，廣泛采用無(wú)線電定位系統(tǒng)和GPS技術(shù)。

2 GPS技術(shù)在海洋測(cè)繪中的應(yīng)用

GPS又稱(chēng)為全球定位系統(tǒng)，是美國(guó)研制的具有海、陸、空全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS是由空間星座、地面控制和用戶設(shè)備等三部分構(gòu)成的。GPS測(cè)量技術(shù)能夠快速、高效、準(zhǔn)確地提供點(diǎn)、線、面要素的精確三維坐標(biāo)以及其他相關(guān)信息，具有全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等顯著特點(diǎn)。

2.1 GPS技術(shù)在海洋測(cè)繪中精確定位中的應(yīng)用

現(xiàn)今，在我國(guó)沿海范圍已經(jīng)開(kāi)始使用無(wú)線電指向標(biāo)-差分全球定位系統(tǒng)（RBN/DGPS），這一系統(tǒng)能夠在300公里范圍內(nèi)進(jìn)行偏差不超過(guò)5米的精確定位，能夠滿足現(xiàn)今條件下的沿岸海道的測(cè)量大比例尺繪圖過(guò)程中導(dǎo)航與定位的要求，就其定位性而言，一般情況下的海洋測(cè)繪是足夠的，但是仍然無(wú)法滿足高精度測(cè)量的需求。但是使用GPS-PPK技術(shù)則不會(huì)存在這些問(wèn)題，GPS-PPK技術(shù)能夠保證高精度的測(cè)量，同時(shí)在使用的過(guò)程中，不必使數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。在對(duì)海洋進(jìn)行精密測(cè)繪時(shí)需要從經(jīng)費(fèi)預(yù)算、海洋測(cè)量精度、導(dǎo)航實(shí)時(shí)性的需求等多方面進(jìn)行綜合考慮的情況下，將RBN/DGPS和GPS-PPK技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合而得出的技術(shù)方案能夠良好的實(shí)現(xiàn)以上考慮。當(dāng)使用RBN/DGPS和GPS-PPK技術(shù)相結(jié)合的方案時(shí)，其主要工作方式如下：首先使用RBN/DGPS系統(tǒng)進(jìn)行先期的定位精度的檢測(cè)，使之能夠收到定位誤差在3米之內(nèi)的先期數(shù)據(jù)，而后通過(guò)使用雙頻載波對(duì)其載波的相位數(shù)據(jù)進(jìn)行相互比對(duì)，從而可以得出更為精確的定位數(shù)據(jù)。

2.2 GPS技術(shù)在海洋測(cè)繪的水深測(cè)量中的相關(guān)應(yīng)用

現(xiàn)今，我國(guó)在海洋測(cè)繪中的水深測(cè)量中多使用多波束的水深測(cè)量系統(tǒng)。相較于我國(guó)原先使用的單波束系統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)，多波束水深測(cè)量系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的水源深度直接測(cè)得相應(yīng)的深度數(shù)據(jù)，同時(shí)還能夠在垂直方向直接進(jìn)行測(cè)量從而得到數(shù)據(jù)，這些都是單波束水深測(cè)量系統(tǒng)所無(wú)法達(dá)到的，所以，在使用多波束水深測(cè)量系統(tǒng)時(shí)能夠很方便且準(zhǔn)確的對(duì)相對(duì)寬度范圍中的兩側(cè)多點(diǎn)的水源深度進(jìn)行測(cè)量，從而得出清晰的海底地形地貌圖。在海洋測(cè)繪過(guò)程中，多波束水深測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合GPS技術(shù)就能夠精確、高效的完成對(duì)于海底地形地貌的測(cè)量和繪制。

2.3 GPS與數(shù)字測(cè)深儀在海洋測(cè)繪中的實(shí)際使用

2.3.1 GPS在水深測(cè)量中的應(yīng)用

海洋測(cè)繪中的水深測(cè)量是指使用搭載在測(cè)量船上的測(cè)量系統(tǒng)對(duì)海洋進(jìn)行水深測(cè)量從而得出的數(shù)據(jù)，測(cè)量系統(tǒng)主要是由專(zhuān)門(mén)的測(cè)量軟件和電腦、GPS接收裝置、多波束水深測(cè)量?jī)x等組成。下面對(duì)海洋測(cè)繪的整個(gè)測(cè)繪流程進(jìn)行介紹：（1）前期準(zhǔn)備工作，在這一階段，測(cè)量人員需要對(duì)以下幾個(gè)方面引起注意：其一，在架設(shè)GPS-RTK基準(zhǔn)站時(shí)，需要將其設(shè)置在需要測(cè)量的區(qū)域的中心區(qū)域，且需要處在周?chē)貏?shì)較高周?chē)鷽](méi)有明顯的遮擋物的地方。其二，通過(guò)使用北京54或西安80坐標(biāo)為基準(zhǔn)換算需要的坐標(biāo)。其三，通過(guò)對(duì)已測(cè)量數(shù)據(jù)的重新加密，從而重新設(shè)定原有的測(cè)量斷面，對(duì)需要測(cè)量的水深作業(yè)線進(jìn)行初步的布設(shè)。（2）當(dāng)開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)收集時(shí)，需要校驗(yàn)數(shù)據(jù)參數(shù)的正確性，避免因?yàn)閰?shù)錯(cuò)誤等引起的基站定位誤差，當(dāng)海洋測(cè)繪中的測(cè)深設(shè)備連接正常后，需要對(duì)測(cè)量?jī)x器與更正天線的偏差、接受裝置的數(shù)據(jù)格式、定位儀的接口和測(cè)深儀配置等進(jìn)行校準(zhǔn)，并經(jīng)檢驗(yàn)正常后方可繼續(xù)進(jìn)行工作。（3）當(dāng)完成數(shù)據(jù)收集進(jìn)入數(shù)據(jù)處理階段時(shí)，需要通過(guò)專(zhuān)業(yè)的軟件完成數(shù)據(jù)處理工作，通過(guò)對(duì)測(cè)量得到的海洋深度的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出海洋測(cè)繪的系統(tǒng)化的分析報(bào)告，并以文檔的形式進(jìn)行保存。

2.3.2 GPS-RTK在測(cè)量海洋深度時(shí)的注意事項(xiàng)

GPS-RTK對(duì)水深的定位是通過(guò)對(duì)當(dāng)前設(shè)定的或者是所要求的坐標(biāo)系進(jìn)行的，因此在使用的過(guò)程中需要首先進(jìn)行參數(shù)的計(jì)算求解，建立在同一個(gè)坐標(biāo)系下，而后才能進(jìn)行分析對(duì)比，因此，在對(duì)基站架設(shè)位置的選擇時(shí)要特別注意建立在地勢(shì)較高的中心區(qū)域，而后通過(guò)對(duì)測(cè)量得到的定位數(shù)據(jù)對(duì)比已知的坐標(biāo)點(diǎn)的實(shí)際數(shù)據(jù)，通過(guò)專(zhuān)用軟件的分析計(jì)算得出測(cè)量區(qū)域內(nèi)的坐標(biāo)系數(shù)。

3 GPS應(yīng)用于海洋測(cè)繪時(shí)引起的誤差來(lái)源分析

當(dāng)使用無(wú)驗(yàn)潮的方法來(lái)進(jìn)行海洋測(cè)繪時(shí)，由于海面波浪的影響，船體的擺動(dòng)、RTK的高程可靠性、采樣速率、同步時(shí)差等都會(huì)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)造成一定的影響，而且這些因素引起的海洋深度的測(cè)量誤差要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于RTK定位所產(chǎn)生的誤差。

針對(duì)以上引起測(cè)量誤差的因素，可以通過(guò)一定的方式進(jìn)行修正，從而保證測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度，對(duì)于由于船體擺動(dòng)而引起的誤差，可以通過(guò)使用電磁式的姿態(tài)儀對(duì)船的姿態(tài)進(jìn)行修正，這種修正包括位置和高程兩方面的修正。同時(shí)通過(guò)姿態(tài)儀也可以對(duì)船在行駛過(guò)程中的橫向和縱向等進(jìn)行調(diào)整，以上這些都是通過(guò)專(zhuān)用軟件進(jìn)行分析控制的，此外，對(duì)于船體動(dòng)態(tài)的吃水?dāng)?shù)據(jù)而言，在進(jìn)行更正時(shí)可以依據(jù)其靜態(tài)吃水和探測(cè)船的自重下沉以及顛簸程度的總和取平均值，進(jìn)而滿足探測(cè)時(shí)的誤差修正。

4 結(jié)束語(yǔ)

海洋測(cè)繪是我們認(rèn)知海洋重要的一步，新技術(shù)在海洋測(cè)繪方面的應(yīng)用能夠更好的提高測(cè)繪的精度，GPS技術(shù)由于其自身卓越的性能和巨大的優(yōu)勢(shì)在海洋測(cè)繪方面有著廣闊的前景，應(yīng)該加快對(duì)于GPS在海洋測(cè)繪方面的研究，使其不僅能夠在海洋測(cè)繪方面發(fā)揮作用，更能夠在內(nèi)陸的水域與近海海洋的測(cè)繪中發(fā)揮重要作用。

參考文獻(xiàn)

[1]趙建虎.現(xiàn)代海洋測(cè)繪[M].武漢大學(xué)出版社，2008（1）.