基于RTK 水深測量系統在長江干流的應用

孟昌 ,曾柏瑞

（1.長江宜昌航道局，湖北 宜昌 443000；2.長江武漢航道工程局，湖北 武漢 430014）

在長江干流江面上進行航道水深測量受到多方面的影響，船舶吃水、波浪、潮汐、大風等因素會對測量精度造成影響。常規的水深測量是某一區域的深度基準面上通過換算得到水深數據從而為船舶航行提供安全保證。而水下測量與傳統的水面水深測量不同，水下的水深測量由于沒有良好的同時條件，測量時候會出現數據突變值。通過傳統方法測量出來的水深數據精度不高，難以應用到需要精準水深數據的領域。隨著現代測繪技術的發展，基于全球衛星導航系統（GNSS）的空基定位技術正在逐步成為重要的測量定位技術。實時動態載波相位差分（RTK）技術能夠實時提供高精度三維坐標，從而在水深測量方面應用得非常廣泛。RTK 技術傳輸差分數據是通過無線電建立起來的實時數據鏈傳輸的。傳統的單機RTK 測量不僅工作量大，費時費力，且效率較低。基于網絡的RTK 的水深測量技術，不需用水尺觀測水位，可以節約成本。不受白天晚上因素影響，可24 小時全天候測量作業，從而大大提升測量作業的效率。還能有效地消除波浪上下及船舶吃等因素影響。對水位潮汐變化產生的誤差進行修正，從而可以測得實時水位。

1 RTK 水深測量技術

RTK 技術是實時載波相位差分技術（Real Time Kinematic）的簡稱。常規RTK 的工作原理是由參考站和流動站共同組成的，參考站由一臺固定的接收機構成。流動站需要一臺或幾臺進行同步觀測。參考站通過數據通信鏈實將差分信息傳輸給在其附近工作的流動站用戶。這樣可以有助于流動站建立起動態地、較為精準的點位數據坐標。常規RTK 實時獲得厘米級精度定位結果。

常規RTK技術雖然能夠實時提供動態高精度定位，但是有兩個缺陷，即受到距離及傳輸方式的制約，在實際應用過程中受到一些影響。GNSS-RTK 技術的出現，較好地解決這些問題。應運而生。GNSS-RTK 是一種高新定位技術，它隨著信息技術的提升而不斷完善。它能夠獲取所需定位點的準確位置、速度和時間等信息。

網絡RTK 是能實時高精度差分定位技術。網絡RTK 可實時得到厘米級的GPS 天線的三維坐標，則可直接確定泥面的標高而無需驗潮數據。相較于常規RTK，網絡RTK 具有服務范圍擴大、使用方便、可靠性增強等優點。

2 水下地形測量系統組成

水下測量與陸地測量原理基本一致，但在實際作業過程中有很大不同。水下水深測量不同于陸地上測量是用一臺儀器測量的，水下測量的平面位置和高程位置是用不同的儀器分開測量的。水下測量不同于陸上那樣可以重復觀測，水下測量的通視條件不好，影響測量，不能像陸地那樣重復測量。水下地形點高程是通過由水面高程減去相應的水深這樣間接的方式獲取的。

航道水深測量系統是一個集成系統，主要由三大部分構成：探頭、處理單元、操作站。還有一些輔助的設施儀器，主要是用來獲取一些數據比如定位數據、船體姿態數據、聲速剖面數據等。

測深系統主要包括兩個系統，分別為多波束測深系統和單波束測深系統，多波束測深系統的工作原理跟單波束測深系統一樣，都是利用聲波在水下傳播的特性進行測量。水下地形測量系統由以下幾個部分組成：GNSS 接收機、導航軟件、計算機、同步定標器、導航顯示器和測深儀組成。水下地形測量系統示意圖如圖1所示。

圖1 水下地形測量系統示意圖

PPK 技術可通過后處理得到厘米級的測點三維坐標，高程數據一般是 CGCS2000 的大地高數據，處理時需要將大地高程轉換至目標基準的高程數據，原理如圖2 所示。

水底相對于目標基面的高程可表示為：

式中：H 為海底到目標基面距離；H水深為經過改正過的水深測量值；H大地為該點到水準面的距離；ξ 為高程異常值。

該測量水深系統最主要的是如何準確獲得高程的異常數據。在大范圍則可以使用區域似大地水準面精化進行，小范圍的測量中可采用七參數來進行高程轉換。

3 水深測量精度影響因素分析

測深設備、運動載體、天氣及高程測量等因素均對RTK 水深測量精度有影響。

3.1 測深設備對水下測量的影響

水下測量系統由多個結構構成的。主要有GNSS 接收機、導航軟件、計算機、導航顯示器、同步定標器和測深儀等幾部分組成。RTK 系統結合測深儀對水下測量的誤差可以分為平面定位誤差、水深測量誤差等兩部分。影響水下測量精度的要素有很多，僅僅考慮這兩類誤差不能全面地反映水下目標底物的準確形狀。如：換能器安裝對測深的影響、聲速對測深的影響、延遲效應的影響、高程異常校正的影響等，另外測量船只的船速、船姿、船型以及天氣因素也會對測深產生影響，尤其是在無驗潮測量模式下，在理論模型上消除潮汐誤差是可行的，但在實際中要顧及 GNSS 接收機和測深儀時間的同步性。

3.2 運動載體對水深測量的影響

水深數據采集過程中有動態更新、實時性等幾個特點。由于水體與運動載體是相對運動，在測量過程中會出現誤差。采用合理的測量步驟建立起來的數學模型，其運動載體對測量的誤差有重要影響。特別是在長江干流流速較大的情況下進行水下數據采集時，測量船的測量姿態、船舶形狀及船舶航行速度等對船體的實時測量都有著很重要的影響。

3.2.1 船速測深影響因素分析

通過對長江干流某段水深的實際測量，通過對實測數據分析得知，測量船的速度對水深測量數據影響較大。影響最主要的是當船速過快時候，安裝在船體的測深儀發出的波束通過江底面出現困難。從而形成所謂的“假水深”。在理論上，航道測量船在進行實際測量作業時，船速肯定不是一直保持不變的，存在船體晃動、船體吃水、測深延遲等效應，船體姿態以及航線等因素對測量結果均有影響。

通過對實際的測量誤差數據的分析，測量船速不是對測量水深影響的唯一因素。是多個方面共同作用下的影響。為了減少其影響，需要在測量過程中提前到達某一速度，并保持平穩，速度偏差控制在0 到0.5 節。當測量船出現偏離原定計劃航線時，需要慢慢地改變船體航偏角，應當使船體的航偏角盡量控制在3°以內。

3.2.2 船體姿態影響因素分析

在江面上進行水深測量時，現有技術無法保證測量船舶是在非常平穩狀態下進行水深測量數據的采集。傳統測量方法在測量船工作時，會受到風浪等因素的影響，船體姿態的不穩會使得船舶發生橫滾和縱滾兩個方向的偏差。這些偏差在實際操作中很難消除，為了獲取更準確的測量結果，需要對測量船舶的姿態進行修正和校驗。

在長江干流量某段進行水深測量時，采用了JSCORS 技術對水下地形測量，獲得了較高的精度，該技術的成熟為解決船體姿態誤差測定提供了有效的方法。利用GPS 實時測定船體姿態，利用控制中心能實時變換換能器的姿態，這樣能有效消除傳統的測量方法解決不了的船體姿態誤差問題。長江干流大多有通航航行需求，需要經常進行水深測量，在測量過程中需要穿過航道、還要兼顧漁網、水下建筑物等，為了提高工作效率，必須要合理選擇合適的船型。

3.3 天氣因素對水深測量的影響

天氣因素是水深測量的重要因素之一。無風和微風狀態是最佳的水深測量天氣，但是在大多數情況下，達不到這樣條件。長江干流多山區，天氣復雜多變，達不到標準的測量天氣條件的要求。在船舶在行駛過程當中，會受到來自不同方位和不同力度的波浪的影響。為適用波浪影響船體船舶形態也要不斷地調整。當船舶行駛路線垂直于風向時，施工船舶就會出現稍微的傾斜。這種狀態下，安裝在船舶上的換能器發出的波束會發生變化，將不再垂直于河床方向，就會出現一定的角度。當外部測量環境非常不好時，測量船當受到風速和波浪的影響時，可以采取增加姿態儀、涌浪補償儀等設備，使船舶姿態變化情況得到修正。

4 實例應用

航道的水深測量是水上定位測量和測深兩種作業方式的組合。目前應用比較多的是利用測量船在航道內邊航行邊進行水深測量，測量船沿著事先規定好的路線進行行駛，在指定的間隔時間收集水深和位置數據信息。本文利用長江宜昌段的水深和定位測量，驗證了RTK水深測量方式的可行性與準確度。

測區位于長江宜昌段附近，宜昌段位于三峽大壩下游，宜昌至大通主河道長度約1180m，分為砂卵石河段和沙質河段兩部分，其中大部分為沙質河段。該航道河勢變化受到支流匯入、上游徑流等兩個方面的影響，有河流流速急，主河床寬而淺的特點。由于該航道存在河床寬淺、潮強流急，漲落潮流路不同等特點，采取傳統水深測量方法精度無法保證，采用RTK 方式作業方式進行長江航道水深測量工作。

利用該方法測得的真實水深等于實際測量的原始值減去測時水深。根據測量數據分析得知，測量結果的誤差在相對可控范圍內，最大的誤差為0.03m，最小的誤差在0.00m。測量結果充分說明RTK 水深測量系統能夠降低原始水深測量的誤差，精度高。能滿足水深測量實際的需要。

5 結論

本文所開展的基于RTK 水深測量技術，介紹了對水下地形測量系統組成，分析了水深測量精度影響因素。對測量方法進行了精度和穩定性測試后，在長江宜昌段進行實際應用，動態比測結果表明，RTK 測量精度較好，平面與三維定位結果的標準差都處于厘米量級。滿足管理部門及相關規范的要求，對深水環境測繪技術的發展具有較高的實用和參考價值。