RTK GPS技術在水下地形測量中的應用

胡燕標

【摘要】本文主要介紹RTK GPS技術進行水下地形測量的基本方法及一些注意事項，在水深測量中使用RTK技術越來越得到成熟而廣泛的應用。

【關鍵詞】 RTK；GPS；水下地形測量

一、引言

GPS技術的出現，帶來了測量方法的革新，在大地控制測量、精密工程測量及變形監測、海洋測繪等應用中形成了具有很大優勢的實用化方案。尤其是GPS RTK技術能夠在野外實時得到厘米級定位精度，為工程放樣、地形測圖、地籍及房地產測量、水下地形測量等帶來了新的作業方法，極大地提高了野外作業效率，是GPS應用的里程碑。特別是利用RTK技術進行水下地形測量，使得水上測量可以采用GPS無驗潮方式進行工作（RTK方式）成為可能。大大減少了測量人員的勞動強度，自動化程度高，省工省時，精度高，全天候，提高了工作效率，使工程變得更經濟。

二、RTK GPS技術的基本原理

高精度的GPS測量必須采用載波相位觀測值，RTK定位技術就是基于載波相位觀測值的實時動態定位技術，它能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果，并達到厘米級精度。如下圖1所示，在RTK作業模式下，基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據，還要采集GPS觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結果，歷時不到一秒鐘。流動站可處于靜止狀態，也可處于運動狀態；可在固定點上先進行初始化后再進入動態作業，也可在動態條件下直接開機，并在動態環境下完成周模糊度的搜索求解。在整周末知數解固定后，即可進行每個歷元的實時處理，只要能保持四顆以上衛星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動站可隨時給出厘米級定位結果。

三、水下地形測量原理

水下測量需要動態GPS測量，這就要進行基準臺到移動臺數據鏈的傳播； 為了實現GPS的相位差分功能，在施工前首先要建立施工平面和施工高程控制----GPS控制網。建立GPS控制網的目的主要有兩個：

a、求解七參數，進行坐標系統和高程系統的轉換；

b、提供GPS基準站點，用于設立參考站。

（1） GPS控制測量

靜態或快速靜態，GPS控制測量很普通，我這里不再討論。

（2） 水下地形測量

工作原理為：基準站通過數據鏈將其GPS觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據，還要采集GPS觀測（衛星）數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理，同時快速測出定位結果。（工作原理圖如下）

3.1有驗潮GPS水上測量---- DGPS測量

長期以來，水下地形測量過程中的兩個主要測量內容，即平面定位和水深測量是相對分離的；其中水深測量的方法變化不大，而平面定位的方法發展卻較快，從六分儀定位到經緯儀、全站儀一直發展到GPS定位。在RTK技術未出現前，GPS動態定位高程精度很低。因此，高程問題要通過驗潮的方法來解決。

3.2無驗潮GPS水上測量----- RTK GPS測量

隨著GPS技術的不斷發展，RTK技術的出現，使得水上測量采用GPS無驗潮方式工作（RTK方式）成為可能，大大減少了測量人員的勞動強度，提高了工作效率，使工程更經濟。

下面我們對比一下無驗潮GPS水上測量（RTK）方式與有驗潮GPS水上測量（DGPS）方式，可看出無驗潮GPS水上測量（RTK）方式更加輕松、經濟、高效。

（1） 無驗潮GPS水上測量（RTK）方式不需建立驗潮站，減少了資金的投入。

（2） 無驗潮GPS水上測量（RTK）方式不需驗潮人員，減少了人力。

（3） 無驗潮GPS水上測量（RTK）方式不像DGPS方式是用若干驗潮站的資料計算出被測點的的高程/水深，而是直接求得水下高程/水深，這樣精度更高。

（4） 無驗潮GPS水上測量（RTK）方式內業處理不需建立水位改正數文件，這樣內業處理更方便。

3.3無驗潮測深原理

水下地形測量的主要任務是確定水下某一點的泥面標高， 即該點的平面坐標（X， Y）和泥面標高H。（如下圖）

傳統的水下地形測量方法一般采用GPS定位確定其平面坐標（x， y），而泥面標高h則需要通過驗潮求得。如圖，通過驗潮可求得水面標高h0，若測深儀換能器離水面的深度為h1且由測深儀測得換能器至泥面的高度h2， 則可求得測點的泥面標高z為：

z = h0 - h1 - h2

若將GPS天線架設在在測深儀換能器的垂直上方，采用GPS實時相位差分（RTK）技術可實時求得厘米級的GPS天線的三維坐標（x， y， h）；即已知GPS天線的標高h3，GPS天線至換能器的高度為h4，則測點的泥面標高h為：

z = h3 - h4 - h2

這種直接確定泥面標高而無需進行驗潮，我們將此種方法稱為TRK GPS無驗潮水下地形測量。

四、影響水深測量精度的幾種因素及相應對策

在實際使用無驗潮方式進行水深測量時，測量結果精度會由于船體的搖擺、采樣速率、同步時差及RTK高程的可靠性等因素造成的誤差的影響，這些誤差遠遠大于RTK定位誤差，從而成為無驗潮方式水深測量精度提高的瓶頸因素。

4.1 船體搖擺姿態的修正

船的姿態可用電磁式姿態儀進行修正，修正包括位置的修正和高程的修正。姿態儀可輸出船的航向、橫擺、縱擺等參數，通過專用的測量軟件接入進行修正。

4.2 采樣速率和延遲造成的誤差

GPS定位輸出的更新率將直接影響到瞬時采集的精度和密度，現在大多數RTK方式下GPS輸出率都可以高達20HZ ，而測深儀的輸出速度各種品牌差別很大，數據輸出的延遲也各不相同。因此，定位數據的定位時刻和水深數據的測量時刻的時間差造成定位延遲。對于這項誤差可以在延遲校正中加以修正，修正量可在斜坡上往返測量結果計算得到，也可以采用以往的經驗數據。