基于GPS RTK技術(shù)的海洋測(cè)深技術(shù)研究

楊海忠

摘 要：本文以RTK運(yùn)用于海洋測(cè)繪為研究對(duì)象，通過(guò)分析無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深方法及其各種影響因素的產(chǎn)生機(jī)理，結(jié)合當(dāng)前常用的測(cè)深設(shè)備的性能指標(biāo)，模擬計(jì)算這些因素在各種海況下引起的定位和測(cè)深的誤差量級(jí)，然后通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析給出相應(yīng)的解決辦法，為開(kāi)展海洋測(cè)深工作的外業(yè)實(shí)施提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：海洋測(cè)繪 RTK 精度

中圖分類(lèi)號(hào)：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）03（c）-0003-02

高精度海洋測(cè)深是21世紀(jì)海洋測(cè)量發(fā)展的主要方向之一。海洋測(cè)深包含定位和測(cè)深兩個(gè)方面的重要內(nèi)容，只有同時(shí)提高定位和測(cè)深的精度，才能提供高精度的海底地形信息數(shù)據(jù)。由于海洋測(cè)深通常在運(yùn)動(dòng)載體上完成，因此傳統(tǒng)的定位手段無(wú)法滿足實(shí)時(shí)定位的要求。隨著GPS測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，GPS-RTK技術(shù)能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境下獲得厘米級(jí)甚至毫米級(jí)的水平定位精度和厘米級(jí)的高程定位精度。在測(cè)深方面，單波束測(cè)深儀通過(guò)水下?lián)Q能器發(fā)射和接收測(cè)深脈沖信號(hào)，可準(zhǔn)確測(cè)量換能器至海底泥面的距離。

因此，海洋測(cè)深中通常采用GPS-RTK進(jìn)行定位、單波束測(cè)深儀進(jìn)行測(cè)深。目前，國(guó)內(nèi)外廣泛開(kāi)展了GPS-RTK無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深方面的研究，雖然該方法可從理論上消除潮汐模型誤差的影響，但都沒(méi)有綜合考慮聲速校正、GPS和測(cè)深儀信號(hào)不同步、測(cè)深儀信號(hào)延遲、測(cè)量船測(cè)量瞬間姿態(tài)誤差等因素給測(cè)深精度帶來(lái)的影響。并且在海況復(fù)雜時(shí)，這種簡(jiǎn)易的無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深方法往往難以取得令人滿意的效果。為此，本文通過(guò)分析無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深方法及其各種影響因素的產(chǎn)生機(jī)理，結(jié)合當(dāng)前常用的測(cè)深設(shè)備的性能指標(biāo)，模擬計(jì)算這些因素在各種海況下引起的定位和測(cè)深的誤差量級(jí)，然后通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析給出相應(yīng)的解決辦法，為開(kāi)展海洋測(cè)深工作的外業(yè)實(shí)施提供參考和借鑒。

1 GPS RTK測(cè)深技術(shù)原理研究

隨著GPS全球定位技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量在實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前GPS定位中應(yīng)用較多的是DGPS技術(shù)，這是一種采用簡(jiǎn)單的碼數(shù)據(jù)（波長(zhǎng)300m）相位平滑的技術(shù)，定位精度在納米級(jí)，水下地形高程則需要通過(guò)驗(yàn)潮確定。對(duì)于大比例尺的水下地形測(cè)量或作業(yè)區(qū)遠(yuǎn)離陸域不便于驗(yàn)潮的地方，DGPS技術(shù)已難于滿足要求，而GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相位差分（RTK）是一種直接應(yīng)用L1和L2載波（波長(zhǎng)分別為19cm和24cm）相位的GPS定位技術(shù)，它在三維坐標(biāo)上可以提供厘米級(jí)的精度，在水下地形測(cè)量中無(wú)需通過(guò)驗(yàn)潮確定泥面高程，這種方法稱(chēng)為GPS無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深。

假定參考站天線高為h1，參考站的正常高為h2，流動(dòng)站的天線高為h3，參考站GPS天線處的正常高和大地高分別

為h4、h5，流動(dòng)站GPS天線相位中心的大地高和正常高分別為h6、h7，換能器的瞬間高程為h8，測(cè)點(diǎn)高程為h，如圖1所示。

h4=h1+h2

h7=h3+h8 （1）

根據(jù)GPS差分原理，參考站與流動(dòng)站間的距離小于30km，可認(rèn)為下式成立：

h5-h6=h4-h7

h7=h4-（h5-h6）

根據(jù)（1）式有：h3+h8=h1+h2-（h5-h6）

則換能器的瞬間高程h8=h1+h2-h3-（h5-h6）。換能器的瞬間高程確定后，所測(cè)的水底點(diǎn)的高程就很容易求出：h=h8-測(cè)深儀所測(cè)的深度。

這樣就實(shí)現(xiàn)了在水深測(cè)量中，無(wú)需通過(guò)驗(yàn)潮來(lái)確定泥面高程，這種方法稱(chēng)為GPS無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深。眾所周知，動(dòng)吃水發(fā)生在垂直方向，在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位時(shí)，該方向上的位移量可通過(guò)架設(shè)在船體中心上方的GPS天線相位中心的瞬間高程信息獲得，該高程減去GPS天線到換能器的垂距，便是換能器發(fā)射面的瞬間高程，而換能器測(cè)量的深度正是建立在該高程的基礎(chǔ)上，因而說(shuō)，船體的動(dòng)態(tài)吃水不用專(zhuān)門(mén)去測(cè)定，換能器的瞬間高程已經(jīng)包含了該信息。這是無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深模式所特有的，也是相對(duì)傳統(tǒng)方法測(cè)量精度較高的原因所在。

2 測(cè)深誤差影響因素分析

2.1 測(cè)量誤差對(duì)測(cè)深精度的影響

海水是一種高度流動(dòng)的介質(zhì)，其溫度、鹽度特征不僅受徑流淡水和洋流高鹽水入侵的影響，同時(shí)還受到氣溫、季節(jié)、海流等因素的共同影響。一般而言，海水中聲速大致在1430～1550m/s（水溫每增加1°，聲速增加4.6m/s）。海水介質(zhì)顯著變化的溫、鹽特征必然導(dǎo)致聲速結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化。由于介質(zhì)聲速不僅受水團(tuán)運(yùn)動(dòng)而經(jīng)常發(fā)生復(fù)雜變化，而且不同的聲速結(jié)構(gòu)又將直接影響波束射線的傳播路徑，因此，聲速改正在各項(xiàng)誤差改正中最重要也最復(fù)雜。只有精確確定海水中聲速在垂直方向上的變化數(shù)值，才能為測(cè)深儀、聲吶等水下聲學(xué)設(shè)備探測(cè)水下目標(biāo)提供準(zhǔn)確的聲速校正數(shù)據(jù)。

聲速剖面正是描述隨深度的增加聲速不均勻變化的二維斷面圖形，反映了海水中聲速隨深度變化的規(guī)律。根據(jù)《海道測(cè)量規(guī)范》的要求，對(duì)于0～20m水深，需要用校對(duì)法直接求測(cè)深儀總改正數(shù)；對(duì)于20～200m的水深，需要采用水文資料進(jìn)行聲速改正；對(duì)于大于200m水深的聲速改正數(shù)，使用《回聲測(cè)深改正數(shù)表》，或者使用擬合公式進(jìn)行改正。海水介質(zhì)聲速結(jié)構(gòu)可以分解為4種類(lèi)型：等速的均勻?qū)咏Y(jié)構(gòu)、隨深度增加聲速線性增加的遞增型結(jié)構(gòu)、隨深度增加聲速線性減小的遞減性結(jié)構(gòu)、兩個(gè)不等速均勻?qū)酉嗷クB置的躍層結(jié)構(gòu)。

在不進(jìn)行聲速剖面測(cè)量的情況下，通常使用檢查板進(jìn)行測(cè)深儀改正數(shù)的校對(duì)，并且盡量選擇在海況好，風(fēng)、流速小的區(qū)域進(jìn)行。進(jìn)行聲速改正的方法是在不同水深值聲速改正數(shù)時(shí)，從換能器吃水深度起（換能器吃水1.2m），不同聲速水層一直到水深值深度的各水層聲速改正數(shù)的總和。

聲速改正的公式如下：

ΔZV=（Ci-CO-1）Zi （2）

式（2）中，ΔZV為聲速改正數(shù)，C為測(cè)深儀實(shí)測(cè)聲速，C0為測(cè)深儀設(shè)計(jì)聲速，Zi為各水層厚度。在水深12m處，用檢查板校對(duì)了某測(cè)深儀聲速調(diào)整后的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果不進(jìn)行聲速校正，隨著水深值的增加，水深改正數(shù)呈線性增加的趨勢(shì)，20m的水深可以引起0.5m左右的測(cè)深誤差。如果進(jìn)行聲速校正，各水層和水深值改正數(shù)的精度均可以提高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。因此在近岸水深不大的地方進(jìn)行測(cè)深時(shí)，如果沒(méi)有進(jìn)行聲速剖面測(cè)量，必須利用檢查板進(jìn)行聲速的校正。

2.2 定位和測(cè)深不同步引起平面位置誤差

近年來(lái)，隨著GPS硬件技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法的快速發(fā)展，GPS硬件的采樣率越來(lái)越高，并且高頻GPS技術(shù)也被廣泛用于地震形變監(jiān)測(cè)等方法，顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前GPS-RTK定位的采樣率也可達(dá)到10Hz甚至更高。另外，單波束測(cè)深儀的采樣率也可達(dá)到25Hz。由于定位和測(cè)深是兩套分別獨(dú)立的系統(tǒng)，那么定位和測(cè)深的時(shí)刻就難以準(zhǔn)確對(duì)齊，并且這種時(shí)間偏差會(huì)逐漸積累形成系統(tǒng)誤差，因此必須定期對(duì)定位和測(cè)深的時(shí)刻進(jìn)行配準(zhǔn)。

若定位和測(cè)深采用相同的采樣率f，定位和測(cè)深時(shí)刻之間存在的時(shí)間偏差為δtl，則：

0≤δtl≤1/f

若定位采樣率為f1，測(cè)深采樣率為f2，定位和測(cè)深時(shí)刻之間的時(shí)間偏差0<<δt2≤|1/f1-1/f2|。

由此分析，若船速為5km，且定位和測(cè)深的采樣率均為10Hz，則一個(gè)歷元可能引起最大5cm的平面定位誤差，若均采用25Hz的采樣率時(shí)，一個(gè)歷元將會(huì)最大引起2cm的定位誤差。當(dāng)定位采用25Hz采樣率，測(cè)深采用10Hz采樣率時(shí)，一個(gè)歷元將會(huì)引起最大2cm的定位誤差。由于采樣時(shí)刻無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)齊，則隨著歷元數(shù)的增加，定位誤差也將呈線性增加。由此可見(jiàn)，采樣率相同時(shí)，同時(shí)提高定位和測(cè)深的采樣率有助于降低單個(gè)歷元平面定位誤差。在采樣率不同的情況下，應(yīng)盡量使兩者的采樣率接近。由于時(shí)間偏差會(huì)隨歷元數(shù)增加而逐漸積累，因此，不管定位和測(cè)深采用何種采樣率，都需要定期及時(shí)進(jìn)行定位和測(cè)深信號(hào)的對(duì)齊。這種誤差可通過(guò)對(duì)硬件進(jìn)行同步配置或者作業(yè)時(shí)記錄參數(shù)、作業(yè)后進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理的方式進(jìn)行減小和消除。

2.3 測(cè)量船橫/縱搖引起平面位置和測(cè)深誤差

由于測(cè)深儀安裝在測(cè)量船上，測(cè)量船受風(fēng)浪影響將產(chǎn)生晃動(dòng)。這種晃動(dòng)可以分解為橫搖和縱搖兩種運(yùn)動(dòng)。橫搖和縱搖的中心與測(cè)量船的重心以及測(cè)深儀的安裝位置有關(guān)，測(cè)量船的晃動(dòng)會(huì)給測(cè)深和定位帶來(lái)巨大影響，現(xiàn)在從平面和垂直兩個(gè)方向來(lái)分析這種誤差的影響。

在進(jìn)行測(cè)深時(shí)，需要盡量選擇好的海況條件，將橫搖角控制在10°以內(nèi)。如果海況惡劣，則必須要在測(cè)深的同時(shí)增加羅經(jīng)、姿態(tài)儀、涌浪補(bǔ)償儀等，只有利用姿態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)或后處理，測(cè)深的精度才能滿足要求。

3 結(jié)語(yǔ)

海洋測(cè)深的主要工作載體是船舶，由于海水受風(fēng)浪、海流以及潮汐等作用的影響，海面及船舶的運(yùn)動(dòng)必然是動(dòng)態(tài)且無(wú)序，因此，海洋測(cè)深的精度必然受到較大的影響。另外，為了降低成本，海洋測(cè)深時(shí)定位和測(cè)深必須同時(shí)進(jìn)行，同時(shí)測(cè)深數(shù)據(jù)的精度直接依賴(lài)于定位數(shù)據(jù)質(zhì)量，即使測(cè)深精度再高，測(cè)深的位置偏差將直接導(dǎo)致測(cè)深數(shù)據(jù)質(zhì)量的下降，因此必須同時(shí)考慮定位和測(cè)深精度，才能保證海洋測(cè)深數(shù)據(jù)成果的有效。當(dāng)前在各種航道和近岸水下工程中，單波束測(cè)深數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)的測(cè)量數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確性和精度的要求越來(lái)越高。本文結(jié)合航道測(cè)量規(guī)范，分別從定量和定性的角度分析了各種影響單波束測(cè)深儀定位和測(cè)深數(shù)據(jù)精度的因素，并給出了減小和降低這些誤差的操作措施和建議，希望能為測(cè)深外業(yè)工作的開(kāi)展提供有益的參考和借鑒。

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