北斗地基增強系統在GNSS三維水深測量中的應用

黎鵬 張凌源

摘要：GNSS三維水深測量是長江河道勘測的重要測驗要素，其中，三維定位方法更是關鍵技術。傳統的單基站RTK等手段在日常生產中效率不高，在漢江固定斷面測量中，對利用千尋北斗地基增強系統獲取精確三維定位數據并用于GNSS三維水深測量的方案進行了驗證，并對結果進行了分析。分析表明：北斗地基增強系統測得的水面高程穩定性與單基站RTK相近，河底高程可靠性也達到了與傳統驗潮法相當的水平，可以滿足三維水深測繪的相關要求。

關鍵詞：三維水深測量;地基增強系統;千尋北斗;GNSS

中圖法分類號：P228 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.05.007

文章編號：1006 - 0081（2021）05 - 0026 - 04

1 研究背景

GNSS三維水深觀測是利用GNSS動態測量技術、測深儀及其他附屬設備實測的數據，通過實時或事后聯合解算，計算出測深儀換能器聲學中心的三維位置，從而獲得水下測點的平面位置和高程[1]。由于傳統單基站RTK測量誤差的空間相關性隨參考站和移動站距離的增加而逐漸失去線性，因此只能將作業范圍控制在幾千米之內，才能獲得相對較高精度的三維水深觀測值。而且，在測深的同時利用岸邊控制點進行同步水位接測也存在效率較低問題[2]。因此，在實際工作中，無論是傳統的單基站RTK測量還是同步水位接測均會降低作業效率，而且對控制點的依賴程度比較高，一旦出現測區內測量標識損毀情況會導致作業無法開展。PPK測量模式雖然較傳統的單基站RTK測量模式先進，但在河道固定斷面測量[3]等需要放樣精確位置的測量中，RTK測量無法實時準確定位。千尋北斗地基增強系統能夠實時提供高精度三維位置信息[4]，目前已覆蓋全國大部分地區，能夠有效彌補RTK和PPK測量模式的缺陷，可作為通過三維水深觀測獲取三維位置的一種新方法。

2 GNSS三維水深測量

2.1 基本原理

北斗地基增強系統是一套可以使北斗定位精度達到厘米級的系統，是由天上的北斗衛星和地上的“一張網”共同組成的具有高精度定位能力的基礎設施。該系統于2016年5月18日由千尋位置[5]正式投入運行。2018年5月23日，千尋北斗地基增強系統已完成基本系統研制建設，具備RTK精度的千尋知寸（FindCM）[6]服務，通過移動4G網絡傳輸RTCM（ Radio Technical Commission For Marine Service）V3.2多電文信息（ Multiple Signal Message，MSM） 格式的高精度北斗差分數據，實時獲取了CGCS2000坐標框架參考歷元2000.0的三維坐標。相較于省CORS系統，該系統覆蓋范圍廣，在跨省測區使用更加方便，一個賬號可跨區域全天候不間斷使用[7]。

GNSS三維水深觀測一般采用實時動態測量（RTK）或者后處理動態測量（PPK）的方法進行，GNSS三維水深測量基本原理如圖1所示。

假設船舶靜止在水面上，H為大地高，L為GNSS接收機天線相位中心到水面的高度，d為換能器到水面的距離（靜吃水），T為船舶靜態水面到當地基準面的距離（潮位），S為換能器到河道底邊界面的距離，§為當地基準面到WGS84橢球面的距離，h為當地基準面下的河底高程。由圖1可以得到以下3個關系式：

當地基準面為1985國家高程基準面時，§為高程異常，此時 H - § = H85高程。

由式（1）～（3）轉換得到：

式中：S為測深儀實時測得水深;d + L為固定值（鋼卷尺丈量），通過 GNSS接收機實時采集到的1985國家高程基準面下的正常高，便可實時測得水下1985國家高程基準的河底高程。

2.2 應用概況

本次實例采用GNSS結合單波束測深儀的方法進行三維水深觀測，分別采用千尋位置和傳統單基站RTK以及同步水位接測方法進行觀測，其中單基站RTK僅在在漢江武漢河段部分固定斷面進行了觀測，水位接測與千尋位置在約139 km河段內的84個固定斷面進行同步觀測。在開始前利用千尋位置采集測區附近適量已知控制點的CGCS2000大地坐標，然后求取測區轉換參數，并將其用于測量過程中1985國家高程的轉換。

在測量開始前對整個測量系統幾何參數進行標定，準確量取了GNSS接收機天線快釋接頭底部（圖2中②處）至水面的高度和水面至測深儀換能器聲學中心的高度。

由于定位系統和測深系統屬于兩個獨立的系統，會產生系統性延時效應，給測量結果帶來較大誤差。因此，在水深測量前對測量系統進行了延時效應改正[8]。具體方法為選擇河道陡岸處，將測船以正常航行速度往返于同一斷面線上，采集水深數據計算時延值，驗算正確后將求取的值設置在導航軟件時延參數中，以消除系統延時導致的誤差，其結果如圖3所示。

為了保證比對結果的嚴謹性，對于不同方法均使用完全相同的設備，測量系統組成及系統延時參數結果如表1所示。從延時測定結果可以看出單基站RTK電臺模式的延時略小于千尋位置的網絡傳輸模式。

3 觀測結果與分析

3.1 單基站RTK和千尋位置對比分析

將單基站RTK和GNSS三維水深觀測方法所采集的斷面數據通過軟件處理后，得到各點的水面高程。兩種方式所得的水面高程中誤差分布如圖4所示。

從圖4可以看出，在漢江河口附近市區內河段RTK的水面高程波動較小，相對穩定。對所有測點水面高程中誤差進行統計，結果見表2。

從結果可以看出，兩種方式下求得的水面高程中誤差相差不大，RTK模式下相對更穩定，但兩種方式測得的水面高程中誤差均優于SL257-2017《水道測量規范》要求。將兩種方式測得的斷面圖進行疊加分析，疊加結果如圖5所示。

根據斷面結果可計算斷面各點高程差值的平均值[h=（∑ΔHi）/n]，將斷面起點距按照1 m間距進行插值計算可知斷面各點高程之差平均值為0.008 m。采用面積積分法求得兩斷面面積較差比為0.1%。從以上結果可以看出，千尋位置模式下測得的斷面穩定性和河道斷面圖形相互符合度較好。

3.2 驗潮法和千尋位置對比分析

將約139 km河段內的84個固定斷面按照驗潮法獲取的河道高程結果（共1 555個點）與千尋位置測得的結果進行比對分析，其較差分布見表3。

從統計結果可以看出，超過81.1%的測點河底高程較差在0.10 m以下，滿足SL257-2017《水道觀測規范》要求，互差小于或等于0.10 m的點數占總點數的80%，互差小于或等于0.20 m的點數占總點數的95%。考慮到GNSS三維無驗潮方法可以消除測量過程中水面波動導致測船在豎向起伏運動所致誤差，千尋位置三維水深觀測方法可達到傳統水位接測方法的精度。

4 結 語

本文通過實際數據驗證了千尋北斗地基增強系統在三維水深觀測中的可行性，其結果滿足規范要求。該系統結果具有可靠性且與單基站RTK和驗潮法相當。相較于單基站RTK模式，該系統工作不受距離限制，可使長距離河道測繪效率大幅提高。相較于傳統驗潮法，該系統可有效降低水面波動誤差以及河道橫比降帶來的誤差，在長江潮汐河段等潮位變化頻繁區域也具有較大優勢。

隨著北斗三號全球衛星導航系統正式開通，北斗地基增強系統也將逐步完善，在河道測繪領域的應用也會越來越廣泛由于精度可靠以及覆蓋范圍廣闊，該技術可發揮重要的作用。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國水利部. SL257-2017水道觀測規范[S]. 北京：中國水利水電出版社，2017.

[2] 魏凌飛，魏為. 無驗潮模式水下地形測量技術應用研究[J]. 人民長江，2016，47（增1）：56-62.

[3] 張潮，馮傳勇，張振軍. 湖北CORS系統在長江固定斷面測量中的應用[J]. 測繪與空間地理信息， 2013， 36（10）：124-126.

[4] 江木春. 千尋位置在江烏航道測量中的應用[J]. 水運工程，2019（7）：179-183.

[5] 張同. 千尋位置服務[R]. 武漢：千尋位置網絡有限公司，2016.

[6] 千尋位置. 高精度定位服務 [EB/OL]. （2016-05-18）[2017-08-10]. http：//www.qxwz.com/help-document-locationservice.html#link-5.

[7] 劉東軍. 千尋位置服務與CORS系統的精度探討[J]. 石化技術，2018，25（4）：236.

[8] 薛劍鋒，王真祥，沈理，等. 精密水深測量中延時效應的研究[J]. 人民長江，2008，39（4）：17-19.

（編輯：李 晗）

Abstract： GNSS three-dimensional bathymetric survey is an important measurement element of the Yangtze River channel survey， and three-dimensional positioning method is its key technology. The traditional single base station RTK and other means are not efficient in routine work. In this paper， GNSS three-dimensional bathymetric survey scheme of using accurate three-dimensional positioning data obtained by land-based Qianxun Beidou Augment System is verified， and the results are analyzed. The results show that the stability of water surface elevation is similar to that of single base station RTK， and the reliability of river bottom elevation reaches the same level as that of traditional tide measurement method， which meet the relevant requirements of three-dimensional waterway mapping.

Key words： 3D water depth measurement; land-based augment? system; Qianxun Beidou System; GNSS