GPS-PPK結合測深儀在水下地形測量中的應用

萬凌翔

（廣州市水務規劃勘測設計研究院，廣東廣州510000）

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GPS-PPK結合測深儀在水下地形測量中的應用

萬凌翔

（廣州市水務規劃勘測設計研究院，廣東廣州510000）

摘要：隨著科學技術水平不斷提高，GPS-PPK結合測深儀在水下地形測量中的應用更加廣泛。介紹了在水下地形測量的作業過程中，GPS-PPK技術與測深儀相結合的工作原理和作業方法，并通過實例進行了一些相關探討。

關鍵詞：GPS-PPK技術；水下地形測量；測深儀；應用；研究

水下地形測量是在水利水電工程勘測設計過程中非常重要的環節，在河道疏浚整治、觀測水庫淤積，水工建筑物建設等方面都起到很大的作用?，F階段GPS技術日趨成熟，水下地形測量領域中，GPS的應用逐漸增多，其中GPS-RTK（Real-timekinematic）實時動態定位系統給水下地形測量效率帶來了極大的提高，然而很多地區環境復雜，網絡信號和數據傳輸易受到干擾，對作業進度和質量帶來很大的影響。所以無需數據傳輸和不受作業距離影響GPS-PPK動態后處理技術也在很多地方發揮著重要作用。

1　GPS-PPK技術的工作原理分析

PPK（PostProcessed kinematic）技術，也被稱為動態后處理技術，屬于事后差分全球定位系統的范疇，其借助于基準站接收機和流動接收機，能夠通過載波相位對觀測衛星進行測量。在獲取觀測數據后，通過采用計算機中的相關處理軟件，如GPS軟件，能夠對測量數據加以線性組合，從而得到具有一定虛擬性的衛星載波相位數值，分析此數值，可以進行精準定位，其定位精度可達厘米級。在對衛星坐標進行分析及轉換后，可以獲得相應的流動站坐標。

與RTK技術屬性類似，PPK技術也是一種精度極高的動態定位技術，兩者都是通過在已知點上建立基準站的方式進行定位，但在使用中兩者也存有一定的差別，PPK技術作為一種高速靜態測量技術，僅需通過流動站的記錄間隔來對數據進行記錄整理，在坐標獲取上難以做到實時化，需要借助室內作業（解算經基線、平差等）配合。

2　測深儀工作原理概述

測深儀在水下地形測量領域的應用原理是借助超聲波及其反射得以實現的，超聲波一方面可以穿透介質，另一方面可以在介質表面形成反射，測深儀借助超聲波探頭將超聲波發射出去，通過測量發射波及反射波的時差來完成測量。

測深儀工作過程可用公式Z=Vt/2表示，其中，V代表超聲波的傳播速度，t代表超聲波自發射后，由探頭到水底，再由水底反射，直到被探頭再次接收所消耗的時間。借助探頭桿的刻度數值，可以測出探頭與水面的距離，將兩者相加，即可得出水深數值，如圖1所示。

圖1　超聲波回聲測深示意圖

3　GPS-PPK結合測深儀的工作方法

水下地形測量由水深測量及定位兩個環節構成，其中，水深測量由測深儀完成，水面高程測量及定位經由GPS-PPK系統完成。GPS-PPK結合測深儀，是指在測深儀中的換能器上方部位安裝GPS流動站接收天線，以使測深儀水下測量點位和GPS測量點位保持在一個鉛垂錢上。

GPS接收機天線與測深儀的換能器之間，由一根固定長度的桿件連接在一起，使換能器底面到GPS天線之間相當于一根已知長度的占標桿，只要將桿立直，則GPS接收機所測數據的平面坐標，即是換能器底面對應點的平面坐標，也就是所測水深點的平面坐標。利用測深儀統的控制裝置可使接收天線與換能器同步工作，即在GPS接收機測量三維坐標的同時，測深儀測得其底面以下部分的水深。

圖2　水下高程計算示意圖

對于水下定位點而言，其高程計算公式為：H= H0-h1-h2；上式中的H0代表水下定位點高程；H1天線至換能器底部高度；H2代表水下定位點水深。

GPS-PPK與測深儀，水下點位深度測量由測深儀完成，水面點位高度及其經度及緯度定位由GPS-PPK得出，兩者之間在測量方面相對比較獨立，GPS-PPK結合測深儀，本質上看，是對三者的對應關系加以分析對比。在此過程中的“記錄時間”，實際上是二者相互聯系的重要媒介。

對于測深儀而言，其根據時間對某個點的水深進行記錄，而且每秒都要記錄大約3～6次探測點的水深；GPS處理后的數據選項中又有坐標“開始記錄時間”。因此，在水下地形測量實施中，一方面可以獲取這兩項時間資料。另一方面其對應的水下點位深度、水面高程及其坐標等數據也可同步得出。由此實現了GPS-PPK與測深儀的互相結合。

4　GPS-PPK結合測深儀在水下地形測量中的應用實踐

筆者參與的廣州市蘿崗區金坑水庫清淤工程，需測量水庫水下地形和斷面。由于水庫地處山區，位置較為偏僻，附近網絡及信號覆蓋率低，甚至無信號覆蓋，在對這部分區域的水下地形測量時，選用了GPS-PPK結合測深儀的方法。

4.1外業作業

選取較為空曠開闊的區域設立基準站，基準站確定為15度仰角，能夠被基準站搜索到且信號可被接收到的衛星數量要多于5顆。在測量用的船只上裝有測深儀以及換能器。在安裝GPS接收機的天線時，要使其垂直于換能器側桿上方部位。

安裝布設完畢以后，連接探測儀、計算機以及電源和GPS手持機、流動站并且保證在GPS流動站運轉過程中，做好已知點的實時校驗工作，以保障相應的測量數據的準確性。

測深儀開始工作時，應當嚴格校驗測深儀，并且要確保水深測量的準確性。將預制導航坐標輸入到GPS手持機上，從而形成一個簡易的導航圖，并且對測船導航，設置GPS流動站自動記錄測點數據。

4.2內業數據處理及成果生成

外業數據采集完成后，通過后處理軟件對基準站及流動站基線加以解算，將GPS-PPK基線向量確定為觀測值，將方差陣之逆作確定為權，采用三維無約束平差方式，精確計算得出觀測點的WGS84坐標，然后借助已知測點的坐標，通過對坐標進行轉換，從而得出各觀測點的實際方位坐標。部分點坐標數據如表1所示。

表1　部分數據DAT文件

同時，利用CASS等軟件，對于水下地形圖進行展繪，得到最終水下地形圖，部分圖形成果如圖3。

圖3　局部水下地形圖

5　結語

在無電臺、網絡信號有效覆蓋的地帶，使用GPS-PPK后動態處理技術同樣能夠測量得到高精度的測量數據，同時效其作業半徑大，效率高，是對GPS-RTK技術的一種很好的補充，通過其與測深儀的相結合的測量方式給水下地形測量提供了更多的選擇和便利，提升了經濟效益，必將在今后的測量作業中得到廣泛的應用。

參考文獻

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中圖分類號：P228.4

文獻標識碼：B

文章編號：1008-1305（2016）01-0093-03

DOI：10.3969 /j.issn.1008-1305.2016.01.032

收稿日期：2015-09-22

作者簡介：萬凌翔（1986年—），男，工程師。