GPS-RTK技術在水下測量中應用原理及誤差研究

余春梅

( 惠州市水利水電工程質量檢測站，廣東 惠州 516001)

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GPS-RTK技術在水下測量中應用原理及誤差研究

余春梅

( 惠州市水利水電工程質量檢測站，廣東 惠州 516001)

摘要：水下測量是水下工程作業的基礎工作，它對工程的進度、質量及安全性十分關鍵。首先，對GPS-RTK技術在水下測量中應用原理進行了闡述，對地下高程的計算公式進行了圖例說明。接著，對GPS-RTK技術在水下測量中誤差的影響因素從傳輸時間延遲、水面變化、聲速剖面、潮位周期以及高程異常等方面進行了分析。最后，對如何有效控制GPS-RTK水下測量誤差進行來探討，認為可以從設置水文觀測站擴大水文數據的截面、控制時間延遲導致的測量誤差、消除波浪對平面數據造成的誤差以及消除波浪對L數據的影響等方面進行思考。

關鍵詞：水下工程；水下測量；GPS-RTK技術；測量優化；測量誤差

隨著人類工程技術的不斷發展，水下測量的難度越來越小；在水下工程測量實踐中，相關的測量理論和測量技術也不斷得以改進，其中，較為成熟的就包括GPS-RTK技術。事實上，GPS-RTK技術是計算技術、數字化技術、測繪技術以及自動化技術綜合產生的結果，它能夠被用來對水下的地形、高程等進行實時測量并傳輸回地面控制中心。接下來，本文將對水下測量中GPS-RTK技術的原理進行分析，并對測量中誤差的形成因素、誤差的控制措施進行研究[1]。在此，筆者希望相關分析和研究能夠對改進GPS-RTK技術，并促進該技術在水下測量中更加成熟地運用有積極作用。

1水下測量中GPS-RTK技術的基本原理

為了對水下地形以及高程等參數進行測量，GPS-RTK技術充分運用了高精度的測探儀以及RTK三維坐標，它能夠將水下測得數據實時傳回控制中心[2]。如圖1所示，如果將測量儀器放置在船舶中，并記船舶的靜態吃水深度為d，水面與RTK坐標天線的垂直距離為L，水面與當地基準面之間的垂直深度為T，RTK天線與WGS參考橢球面的垂直距離為H，WGS參考橢球面與當地基準面之間的距離為§，船底換能器至海底泥面之間的距離為S，當地基準面至海底泥面之間的距離為h。

圖1　GPS-RTK三維水下地形測量的基本原理圖

計算公式為：

H85=H-§，h=S+d+L-H85

(1)

式中：h為反映水下地形的指標；S可以被測探儀器實時獲取；(d+L)可以由鋼卷尺丈量獲取，它是一個固定值；H85為85高程，它是RTK實時獲取。

2GPS-RTK技術在水下測量中誤差的影響因素

盡管GPS-RTK技術已經比較成熟，然而在水下測量中的精度仍然存在一定誤差。導致測量誤差產生的原因包括設備精度、作業環境以及測量人員業務水平等。

2.1水面變化影響到鋼尺測量的精確性

在進行水下測量作業時，風的大小難以被控制，會導致水面呈現波動狀態，這就導致難以確定一個精確的靜態水面。此時，用鋼尺測量所獲取的船舶吃水深度、RTK到水面的距離等指標數據精確度就會受到影響。

2.2傳輸時間延遲產生定位誤差

在水下測量時，船舶不可能處于絕對靜止狀態，這就導致RTK輸出的數據在傳回控制中心時與初始定位存在誤差。假設RTK以10 組/s的頻率發出坐標，而船舶的航速為5kn，坐標數據傳回存在的延遲時間為0.1 s，那么會發生的定位誤差為0.257 m，這就不難理解為什么會產生測量誤差了。

2.3操作不規范所造成的誤差

在使用GPS-RTK技術進行水下測量時，需要嚴格同步所有設備的時間。然而，由于操作不規范的原因，如果GPS-RTK與計算機時間沒有同步，而又選擇采用UTC時間，那么定位坐標、GGA、測探數據等在計算機中被處理時將按照UTC時間操作。如此一來，在UTC時間與電腦時間存在差異的情形將導致三位信息混亂，從而使得測量數據不可靠[3]。

2.4聲速剖面引起的誤差

聲音在水中的傳播速度不是恒定的，它會受到水質、含鹽量、水深、溫度以及硬度的影響。尤其對于時間跨度長、水面跨度大的水下工程，季節變化以及水下基槽的變化也會引起聲速的變化。假設ODOM測探儀器發射時的聲速為1 500 m/s，發射頻率為1～20 次/s，水深度為40m，一個地形回報信號的時間為0.053s；如果在其他參數不變的情況下，水溫變化導致聲速變化為1 510 m/s，那么距離測量結果將會發生0.53 m的誤差。

2.5潮位周期引起的誤差

在水下測量作業的過程中，船舶總是會受到水波浪的影響。尤其是在測量船長度及寬度較小時，波浪波長對船舶對影響更大。此時，船舶靜態水面到當地基準面之間的距離T就會受到較大的影響。隨著波浪影響的持續，這種影響會被累積起來，從而影響到地形數據h的精確性，所測得的水下地形三維數據也會產生較大誤差。

2.6高程異常引起的誤差

重力場以及橢球曲率半徑測量發生差異的可能性較大，會進一步導致參考橢球面與模擬大地水準面存在重合偏差。加之RTK基站在隨時發生變化，這種偏差會表現得更加明顯，并進一步導致高程異常。比如，在對狹長區域進行水下測量時，上述偏差隨著RTK基準站的變化較明顯，85高程與h的精度都會受到影響。

3有效控制GPS-RTK水下測量誤差的策略

GPS-RTK水下測量誤差會對相關參數的計算精度產生重要影響，并會對工程質量起到不可忽略的作用。因此，需要在測量作業中采取多種策略來對GPS-RTK水下測量誤差進行控制。

3.1消除波浪對L的影響

如圖1所示，d+L為RTK天線到船底換能器之間的距離，它是一個固定值。因此，可以用鋼尺將d和L兩個分值的測量合二為一，即，直接測量RTK到船底換能器的距離，并將其記為N。船舶吃水深度d也可以被改正為一個固定值，那么RTK天線到靜態水面之間的距離L也可以被視為一個固定值，其計算方法為L=N-d。以上改變并不會影響h的計算方法，從而可以提升水下地形測量的精度。

3.2消除波浪對平面數據造成的誤差

在測量作業的過程中，需要保持船舶縱軸垂直于波浪，即船舶應該垂直于波浪移動。在這種情形下，如圖1所示，H與S測量中的誤差就可以相互抵消，從而可以對見效最后的測量誤差有積極作用。船舶垂直過程中，波浪對船舶對橫向晃動會相對縮小，對于仍然存在誤差的參數S，可以通過采用運動傳感器來消除或者有效減弱[4]。

3.3控制時間延遲導致的測量誤差

1)需要將GPS時間、計算機時間及其他設備的時間進行精確同步，防止時間混亂導致測量結果的失真。

2)需要精確計算聲速的變化，并根據實時變化情況作出改正，尤其是要在內業處理時采用確實的聲速，從而提升地下三維RTK測量的精度。

3.4設置水文觀測站擴大水文數據的截面

在對水下地形進行測量后，會通過內業處理來對獲取的數據進行優化。由于短時間內獲取的流向、流速、鹽度、溫度、浮標海浪等數據難以精確反映真實情況。因此，需要通過設置水文觀測站對相關水文數據進行長時間統計，從而通過更大截面的數據來獲取更加精確的調整值。比如，通過較大數據，可以將RTK潮位設置為大截面波浪半周期數據的整數倍值。如此一來，船舶靜態水面與當地基準面之間距離值T的誤差就可以得到有效減弱，從而有助于提升地下RTK測量的精確度。

4結語

在進行水上石油平臺、跨河/海橋梁、跨河隧道、河道或者海岸整治等工程建設時，需要對水下地形等進行精確測量，從而在確保建筑質量的同時提升建筑后續使用的安全性。然而，由于水文情況不斷變化，現有的GPS-RTK測量技術存在或大或小的誤差。因此，需要熟悉GPS-RTK測量技術的應用原理，并在測量實踐中不斷探索其應用精度改善的途徑。尤其是要對產生誤差的原因進行分析，根據這些原因，從計算技術、操作方法以及指標設置等角度進行誤差控制。

參考文獻：

[1]黃珍雄.單波束水下地形測量精度的改進方法研究[D].上海：東華理工大學,2013.

[2]張英俊.GPS定位技術在長輸管線工程中的應用研究[D].青島：山東科技大學,2006.

[3]王守彬,王新洲,劉曉東,GPS-RTK與數字測深集成技術在水下地形測量中的應用[J].測繪信息與工程,2004(06):30-31.

[4]鄭偉,李煒.GPS-RTK三維水下地形測量的應用與誤差分析[J].中國港灣建設,2015(07):42-45.

文章編號：1007-7596(2016)02-0039-02

[收稿日期]2015-11-28

[作者簡介]余春梅(1982-)，女，廣東惠州人，工程師，從事水利檢測工作。

中圖分類號：TV221.1

文獻標識碼：B