RTK GPS技術(shù)在水下地形測量中的應(yīng)用

胡燕標(biāo)

【摘要】本文主要介紹RTK GPS技術(shù)進(jìn)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(shù)越來越得到成熟而廣泛的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】 RTK；GPS；水下地形測量

一、引言

GPS技術(shù)的出現(xiàn)，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(jiān)測、海洋測繪等應(yīng)用中形成了具有很大優(yōu)勢的實(shí)用化方案。尤其是GPS RTK技術(shù)能夠在野外實(shí)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(chǎn)測量、水下地形測量等帶來了新的作業(yè)方法，極大地提高了野外作業(yè)效率，是GPS應(yīng)用的里程碑。特別是利用RTK技術(shù)進(jìn)行水下地形測量，使得水上測量可以采用GPS無驗潮方式進(jìn)行工作（RTK方式）成為可能。大大減少了測量人員的勞動強(qiáng)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(jīng)濟(jì)。

二、RTK GPS技術(shù)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(shù)就是基于載波相位觀測值的實(shí)時動態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r地提供測站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級精度。如下圖1所示，在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實(shí)時處理，同時給出厘米級定位結(jié)果，歷時不到一秒鐘。流動站可處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可處于運(yùn)動狀態(tài)；可在固定點(diǎn)上先進(jìn)行初始化后再進(jìn)入動態(tài)作業(yè)，也可在動態(tài)條件下直接開機(jī)，并在動態(tài)環(huán)境下完成周模糊度的搜索求解。在整周末知數(shù)解固定后，即可進(jìn)行每個歷元的實(shí)時處理，只要能保持四顆以上衛(wèi)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(jié)果。

三、水下地形測量原理

水下測量需要動態(tài)GPS測量，這就要進(jìn)行基準(zhǔn)臺到移動臺數(shù)據(jù)鏈的傳播； 為了實(shí)現(xiàn)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(wǎng)。建立GPS控制網(wǎng)的目的主要有兩個：

a、求解七參數(shù)，進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換；

b、提供GPS基準(zhǔn)站點(diǎn)，用于設(shè)立參考站。

（1） GPS控制測量

靜態(tài)或快速靜態(tài)，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(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其GPS觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測（衛(wèi)星）數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實(shí)時處理，同時快速測出定位結(jié)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(nèi)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(fā)展卻較快，從六分儀定位到經(jīng)緯儀、全站儀一直發(fā)展到GPS定位。在RTK技術(shù)未出現(xiàn)前，GPS動態(tài)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(shù)的不斷發(fā)展，RTK技術(shù)的出現(xiàn)，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(qiáng)度，提高了工作效率，使工程更經(jīng)濟(jì)。

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(jīng)濟(jì)、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(diǎn)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(nèi)業(yè)處理不需建立水位改正數(shù)文件，這樣內(nèi)業(yè)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(wù)是確定水下某一點(diǎn)的泥面標(biāo)高， 即該點(diǎn)的平面坐標(biāo)（X， Y）和泥面標(biāo)高H。（如下圖）

傳統(tǒng)的水下地形測量方法一般采用GPS定位確定其平面坐標(biāo)（x， y），而泥面標(biāo)高h(yuǎn)則需要通過驗潮求得。如圖，通過驗潮可求得水面標(biāo)高h(yuǎn)0，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(diǎn)的泥面標(biāo)高z為：

z = h0 - h1 - h2

若將GPS天線架設(shè)在在測深儀換能器的垂直上方，采用GPS實(shí)時相位差分（RTK）技術(shù)可實(shí)時求得厘米級的GPS天線的三維坐標(biāo)（x， y， h）；即已知GPS天線的標(biāo)高h(yuǎn)3，GPS天線至換能器的高度為h4，則測點(diǎn)的泥面標(biāo)高h(yuǎn)為：

z = h3 - h4 - h2

這種直接確定泥面標(biāo)高而無需進(jìn)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(yīng)對策

在實(shí)際使用無驗潮方式進(jìn)行水深測量時，測量結(jié)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(tài)的修正

船的姿態(tài)可用電磁式姿態(tài)儀進(jìn)行修正，修正包括位置的修正和高程的修正。姿態(tài)儀可輸出船的航向、橫擺、縱擺等參數(shù)，通過專用的測量軟件接入進(jìn)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(xiàn)在大多數(shù)RTK方式下GPS輸出率都可以高達(dá)20HZ ，而測深儀的輸出速度各種品牌差別很大，數(shù)據(jù)輸出的延遲也各不相同。因此，定位數(shù)據(jù)的定位時刻和水深數(shù)據(jù)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(jié)果計算得到，也可以采用以往的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。