淺談GPS RTK與GPS PPK在無驗潮水深測量中的聯合應用

摘要：本文介紹了GPS RTK與GPS PPK在無驗潮水深測量中的測量原理，簡述了兩種方法分別在水深測量中的潮位控制情況，討論了將兩技術聯合應用于遠海水深測量中的潮位控制的可行性，并通過工程實例進行了精度分析。結果表明兩種技術可以實現互補，提高測量效率，彌補了傳統驗潮方法對于長距離潮位控制上的缺陷。

關鍵詞：RTK；PPK動態后處理；無驗潮水深測量；精度

1 引言

水深測量時，潮位的控制起著至關重要的作用。在以往的遠海航道測量中多采用在岸邊設立驗潮站進行人工驗潮，根據觀測比較擬合潮位模型推算得出遠海的潮位及其變化，或者在測區附近臨時拋投壓力式驗潮儀，再進行內插計算。這種傳統的驗潮辦法不但繁瑣復雜，而且在一些潮位變化不規律的水域無法準確的反應出實時的潮位變化，遠海測區拋投驗潮儀也常常遇到很多困難，而且因其容易丟失或移位而造成數據的資料的不準確性。

本文根據以上問題，就近年來GPS RTK與GPS PPK在水深測量中的應用情況提出一種新的潮位測量方法。

2 GPS RTK潮位測量

2.1 GPS RTK工作原理

GPS RTK（Real Time Kinenatic）是利用載波相位觀測測量差分為根據的實現快速高精度定位技術。通過架設基準站，并用電臺實時傳輸數據給流動站，能夠實時迅捷的解算出待測點的三維坐標，精度達到厘米級，有效距離可達15KM。它的工作原理是，基準站連續接收所有可視GPS衛星訊息，并通過電臺將其接收的基準站WGS-84坐標、觀測值、衛星的跟蹤狀態發送給流動站；流動站在于基準站同時接收至少4顆以上衛星信號的同時接收基準站發送的無線電信號，通過解算載波相位整周模糊度，并根據相對定位原理，實時獲得流動站點的三維坐標。

2.2 GPS RTK潮位測量

RTK應用到水深測量導航中即RTK三維水深測量時，是利用RTK測定測深儀換能器底的高程和測深儀測得的水深，來獲得海底高程的。RTK定位具有實時性，可以獲得每個歷元的高精度三維解，又可以清楚測量船的動吃水、涌浪等方面的影響，很適合實時潮位測量。但不足的是GPS RTK測量的作用距離受無線數據傳輸的影響，一般作用距離只能達到20km，而且高程測量精度隨著距離的增加而降低，對于超長航道測量的潮位控制難以勝任。

3 GPS PPK潮位測量

3.1 GPS PPK工作原理

PPK技術（post processing kinetic）動態后處理技術，是利用載波相位進行事后差分的GPS定位技術。PPK的工作原理是：利用進行同步觀測的一臺基準站接收機和至少一臺流動接收機對衛星的載波相位觀測量；事后在計算機中利用GPS處理軟件進行線性組合，形成虛擬的載波相位觀測量值，確定接收機之間厘米級的相對位置；然后進行坐標轉換得到流動站在地方坐標系中的坐標。

3.2 GPS PPK較GPS RTK在遠距離潮位控制中的優勢

GPS PPK技術是動態測量后處理模式（又稱為半動態或準動態相對定位模式），它與RTK技術的主要區別在于：在基準站和流動站之間，不需建立實時的數據傳輸，只需同時進行數據采集后進行測后的聯合處理，通過基線解算精確的求得流動站在對應時間上的三維坐標，精度同樣可達厘米級。因不需建立數據傳輸而避免了距離上的限制，較RTK有明顯的作業半徑大的特點，基本可以控制50km-80km的距離。雙頻GPS在PPK作業模式下，其平面定位精度可達±10mm+1ppm×D，高程定位精度可達±10mm+1ppm×D，D為基線長度。當D在80km范圍內時，平面和高程定位精度均不超過±10cm，可以滿足水深測量中潮位控制的精度要求。

4 GPS RTK與GPS PPK聯合應用方法的確定

兩種技術都有精度高，作業模式相同，并在作業前需初始化的共同點。PPK的初始化時間較長，在有6顆以上衛星的情況下約需要8min，而RTK最小初始化時間約為10秒；RTK技術需要電臺傳輸實時數據，并可實時求得待測點的三維數據，PPK無需電臺的支持卻無法實時反應測點坐標以及精度情況，需要進行后處理才可完成。

綜上分析，在長距離無驗潮水深測量中采用兩種方法相結合的辦法施測必能起到更有效、更便捷的作用。

5 工程實例

5.1 工程背景

遼東灣某港區航道長約43公里，港區附近無太高的建筑物，現航道進行拓寬挖深工程，在工程期間要求我部進行全程的水深監測。測量坐標系為1954北京坐標系，高程基準為當地理論深度基準面。為有效控制整個航道的潮位變化，我們考慮采用GPS RTK與GPS PPK聯合作業的方法完成該項目。

5.2 影響GPS潮位測量的幾點因素

我們知道無論是RTK或是PPK技術測量所得的都是測點的實時高程，要將此高程轉化為潮位受以下幾項因素影響。

5.2.1 船舶的姿態改正

測量船舶在航行時，由于風浪的影響會產生橫搖和縱搖以及船體的上下起伏變化。為了獲得瞬時海面高程必須首先進行船舶的姿態改正。

5.2.2 船舶動態吃水改正

船舶在行進過程中其吃水會隨著行進速度的變化而發生變化，即動態吃水。因動態吃水發生在垂直方向上，對高程有較大的影響。動態吃水與船舶的速度、船型等因素有關，可以通過霍密爾動態吃水經驗模型確定，消除動態吃水對瞬時潮位的影響。

5.2.3 涌浪因素的影響

因GPS所得高程為瞬時高程，其受瞬時潮位和瞬時涌浪綜合的作用所影響，故想得到瞬時潮位首先要消除瞬時涌浪的影響。潮位變化為長波周期，周期約為幾個小時；而涌浪變化為短波周期，周期約10-60s，采用低通濾波器對綜合信號中的中長周期項進行提取，就可消除涌浪影響。

5.3 潮位控制實施

5.3.1 內業準備

RTK與PPK的測前準備工作基本相同。首先利用測區四周的控制點（4個以上為最佳）求得該測區的轉換參數（WGS-84坐標系轉到1954北京坐標系）。確定參數后，通過多種點的匹配方案，校準轉換參數的正確性，確定參數準確后，將參數輸入觀測手薄中，這樣就完成了內業準備工作。

5.3.2 外業準備

首先在確定的已知控制點上架設基準站，準確量取天線高度，啟動并配置基準站和流動站，利用RTK模式到附近（不超過10km）已知控制點進行比測，進一步校準轉換參數。

5.3.3 外業施測

在預測航道進行施測。GPS天線固定在船艙上方開闊區域，有利于接收衛星信號同時避免了多路徑效應對海上GPS測量的影響。基準站與流動站的接收數據間隔設置相同可均設為5s。利用全站儀精確測量船上GPS天線在船體坐標系下的坐標。姿態傳感器安置在近乎船艙的中心位置，該位置最為接近測量船舶的重心。傳感器的采樣率設置為1Hz。其姿態參數通過軟件自動采集和存儲。

施測過程中同時記錄碼頭驗潮站水位數據。航道分兩段施測，15km以內分別利用RTK和PPK技術采集數據；15km以外只應用PPK技術進行外業采集，整個測量期間，PPK均實現了連續跟蹤，整周模糊度固定，保持了數據的連續性。外業結束后再次用全站儀測量船上GPS天線在船體坐標系下的坐標，以確保數據的準確。

6 精度分析

從外業測量數據的瞬時海面高程中反算出瞬時潮位，并與驗潮站潮位模型模擬的航道上潮位進行比較分析。兩者之間最大潮位偏差為6.5cm，最小偏差為0.8cm。這表明在利用GPS進行潮位觀測時其精度滿足規范要求。

7 結語

利用GPS RTK與GPS PPK技術進行無驗潮水深測量，潮位控制效果顯著，精度較高（可達到厘米級），各項技術指標均滿足相關規范的標準要求。總所周知，RTK的作業效率很高，但是距離的影響使其的作業半徑較短，而PPK技術基本不受基準站和流動站之間距離的限制，作業半徑大，方式靈活，效率高，可有效的彌補RTK的缺點不足。而在短距離范圍內，RTK可以實時反應測點三維坐標的優點尤為明顯。兩者聯合使用正是相得益彰，能夠更好的提高工作效率和質量。

參考文獻：

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