摘要：伴隨著科技文明的進(jìn)步，水深測量技術(shù)不斷向前發(fā)展。論文闡述了RTK水深測量技術(shù)的基本原理，構(gòu)建了基于GPS-RTK技術(shù)的水深測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，研究了其水深測量作業(yè)過程，并針對精度影響因素和注意事項(xiàng)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵字：RTK 水深測量 注意問題

0 引言

在以航海為主要應(yīng)用目的海道測量中，最基本的工作是進(jìn)行水深測量。水深測量是水上定位與測深作業(yè)相結(jié)合的測量作業(yè)。水深測量常采用水面船只進(jìn)行，測量船沿計(jì)劃測線航行某一間隔距離采集定位與水深數(shù)據(jù)，經(jīng)一系列的數(shù)據(jù)修正處理后，得到準(zhǔn)確的水深。

以往的水深測量多采用交會(huì)定位，測量工作受氣象因素影響較大，精度難以保證，測量工作難度大，外業(yè)測量人員也很艱苦，且成圖時(shí)間長。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量(RTK)技術(shù)已在陸地測量中應(yīng)用成熟，逐漸向海洋測量發(fā)展。

1 GPS-RTK測量技術(shù)基本原理

GPS(全球定位系統(tǒng))是近年來普遍采用的水深測量定位法，它是繼NNSS(子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))之后美國推出的第二代衛(wèi)星定位系統(tǒng)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空及地面各種測量工作中。GPS 測量系統(tǒng)在水深測量定位方面通常采用兩種定位方式:實(shí)時(shí)差分定位(DGPS)方法與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)定位技術(shù)。

RTK(Real Time Kinematic)是一種基于載波相位觀測值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級精度。RTK測量技術(shù)被廣泛應(yīng)用于城市、礦山等區(qū)域性的控制測量、工程測量、地籍測繪、工程放樣、航道測量、航空攝影測量以及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的精密導(dǎo)航等。圖1是RTK技術(shù)測量水深的原理圖。

圖1 GPS-RTK水深測量原理

圖中，相對于某項(xiàng)目的高程基準(zhǔn)面，流動(dòng)站的天線高為H2，換能器的瞬間高程為H3，水底點(diǎn)0的高程為H0，H為測深儀測出的水深值(-H0表示大小和H0一樣，但方向相反)。假設(shè)換能器長度為L，可以得出:

􀀁 􀀁式中測點(diǎn)的平面位置HO由RTK實(shí)時(shí)測出，則 則為水深。

2 基于GPS-RTK技術(shù)的水深測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于RTK 的水深測量系統(tǒng)由基準(zhǔn)站和移動(dòng)站構(gòu)成�；鶞�(zhǔn)站主要由GPS接收機(jī)和數(shù)據(jù)發(fā)射電臺組成。移動(dòng)站架設(shè)在測量船上，GPS接收機(jī)與測深儀通過安裝有專業(yè)的水下數(shù)字化測量成圖軟件的計(jì)算機(jī)連接起來，可同時(shí)定位測深。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 RTK水深測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

裝載流動(dòng)站的測量船在水下數(shù)字化測量成圖軟件的實(shí)時(shí)監(jiān)控下，可對江河、湖泊、淺海進(jìn)行全天候的水下地形測量。操作人員可通過計(jì)算機(jī)對測量成果進(jìn)行現(xiàn)場處理，并由外接繪圖儀打印輸出，從而真正實(shí)現(xiàn)測量內(nèi)外業(yè)一體化。

3 基于GPS-RTK技術(shù)的水深測量作業(yè)步驟

測量作業(yè)分三步來進(jìn)行，即測前的準(zhǔn)備、外業(yè)的數(shù)據(jù)采集測量作業(yè)和數(shù)據(jù)的后處理形成成果輸出。

3.1 測前的準(zhǔn)備

(1)求轉(zhuǎn)換參數(shù)。為了保證RTK的定位和高程測量精度，測區(qū)周圍至少要有3個(gè)已知高等級的測量點(diǎn)， 且這些點(diǎn)連結(jié)的幾何圖形能夠把測區(qū)包圍在里面。通過點(diǎn)校正，求轉(zhuǎn)換示意圖。圖3是選擇A、B、C、D、E 五個(gè)校正點(diǎn)的情況。

圖3 點(diǎn)校正平面示意圖

① 將GPS 基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)A 上，設(shè)置好參考坐標(biāo)系、投影參數(shù)、差分電文數(shù)據(jù)格式、發(fā)射間隔及最大衛(wèi)星使用數(shù)，關(guān)閉轉(zhuǎn)換參數(shù)和七參數(shù)，輸入基準(zhǔn)站W(wǎng)GS-84坐標(biāo)后設(shè)置為基準(zhǔn)站。② 將GPS移動(dòng)站架設(shè)在已知點(diǎn)B 上，設(shè)置好參考坐標(biāo)系、投影參數(shù)、差分電文數(shù)據(jù)格式、接收間隔，關(guān)閉轉(zhuǎn)換參數(shù)和七參數(shù)后，求得該點(diǎn)的固定解(WGS-84 坐標(biāo))。③ 通過A、B 兩點(diǎn)的84 坐標(biāo)及當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)，求得轉(zhuǎn)換參數(shù)。

(2)建立任務(wù)，設(shè)置好坐標(biāo)系、投影、一級變換及圖定義。

(3)作計(jì)劃線。如果已經(jīng)有了測量斷面就要重新布設(shè)，但可以根據(jù)需要進(jìn)行加密。

3.2 外業(yè)的數(shù)據(jù)采集

(1)架設(shè)基準(zhǔn)站在求轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)架設(shè)的基準(zhǔn)點(diǎn)上，且坐標(biāo)不變。

(2)將GPS 接收機(jī)、數(shù)字化測深儀和便攜機(jī)等連接好后，打開電源。設(shè)置好記錄設(shè)置、定位儀和測深儀接口、接收數(shù)據(jù)格式、測深儀配置、天線偏差改正及延遲校正后，就可以進(jìn)行測量工作了。

3.3 數(shù)據(jù)的后處理

數(shù)據(jù)后處理通常指利用后處理軟件將所測數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，其中包括測深儀改正、動(dòng)態(tài)吃水改正參數(shù)、定位及水深數(shù)據(jù)誤差參數(shù)改正、采集水深取樣、綜合改正輸出、圖型的整飾等，將其轉(zhuǎn)換成為現(xiàn)行成圖軟件所認(rèn)可的數(shù)據(jù)，并在上面繪制出地形圖及其統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告等，所有測量成果可以通過打印機(jī)或繪圖機(jī)輸出。

4 基于GPS-RTK技術(shù)的水深測量的注意問題

基于RTK 的水下地形測量系統(tǒng)的主要誤差影響因素有: 電離層折射誤差、對流層折射誤差、多路徑效應(yīng)誤差、星歷誤差、接收機(jī)鐘誤差、天線相位中心位置偏差等。為了提高測繪成果的精度，在作業(yè)過程中應(yīng)注意以下事項(xiàng):

4.1 船體搖擺姿態(tài)的修正

船體在水面行駛的過程中，船體姿態(tài)是隨時(shí)變化的。船的姿態(tài)可用電磁式姿態(tài)儀進(jìn)行修正，修正包括位置的修正和高程的修正。姿態(tài)儀可輸出船的航向、橫擺、縱擺等參數(shù)，通過專用的測量軟件接入進(jìn)行修正。

4.2 采樣速率和延遲造成的誤差

GPS定位輸出的更新率將直接影響到瞬時(shí)采集的精度和密度，現(xiàn)在大多數(shù)RTK方式下GPS 輸出率都可以高達(dá)20Hz，而測深儀的輸出速度各種品牌差別很大，數(shù)據(jù)輸出的延遲也各不相同。因此，定位數(shù)據(jù)的定位時(shí)刻和水深數(shù)據(jù)的測量時(shí)刻的時(shí)間差造成定位延遲。

4.3 RTK 高程可靠性的問題

RTK 高程用于測量水深，其可信度問題是倍受關(guān)注的問題。在作業(yè)之前可以把使用RTK測量的水位與人工觀測的水位進(jìn)行比較，判斷其可靠性，實(shí)踐證明RTK 高程是可靠的。

4.4 選擇合適的基準(zhǔn)站站址。

基準(zhǔn)站站址應(yīng)遠(yuǎn)離障礙物和干擾源，以免數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)фi。視場周圍15以上不應(yīng)有障礙物，以防止GPS信號被遮擋或被障礙物吸收，并使接收機(jī)觀測到盡可能多的衛(wèi)星。點(diǎn)位附近不應(yīng)有高壓線、無線電發(fā)射源，以避免電磁場對GPS信號的干擾。站址應(yīng)高于周圍地物，以提高作業(yè)半徑。

5 總結(jié)

相對于傳統(tǒng)的測量手段, 基于RTK 的水深測量系統(tǒng)定位精度高，基準(zhǔn)站與移動(dòng)站之間無需通視，操作簡便, 自動(dòng)化程度高, 勞動(dòng)強(qiáng)度小，可全天候作業(yè), 效益高，具有廣闊的前景。目前, 利用RTK 技術(shù)進(jìn)行無驗(yàn)潮水深測量理論上已經(jīng)成熟, 但這種方法在實(shí)際生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用, 還需要進(jìn)一步驗(yàn)證和總結(jié), 從而形成規(guī)范的、得到管理機(jī)構(gòu)認(rèn)可的作業(yè)程序和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

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