GPS PPK潮位測量技術(shù)在疏浚測量中的應(yīng)用

李素江，王華原

（中交天津港航勘察設(shè)計研究院有限公司，天津300450）

近年來，為適應(yīng)世界海運的發(fā)展潮流，中國加快了深水大港的建設(shè)步伐，先后有多條20～30萬t級的深水航道投入使用。對于人工航道而言，向海洋縱深的延伸必定引起疏?？傞L的大幅增加。以天津港為例，近年一直投入巨資進行主航道的擴建工作，繼25萬t級航道建成之后30萬t級航道已于2010年9月開工建設(shè)，目前航道總里程已超過45 km。

1 概述

對于超長航道疏浚工程的水位控制，一直是從事疏浚工程測量工作的技術(shù)人員著力研究的重要課題，目前有幾種比較成熟的解決方案。

1.1 潮位觀測

在疏浚區(qū)設(shè)立潮位觀測站直接觀測潮位，根據(jù)傳統(tǒng)方法傳遞基準(zhǔn)。這種方法為傳統(tǒng)常規(guī)方法，優(yōu)點是觀測成果準(zhǔn)確可靠。缺點是作業(yè)復(fù)雜困難，且工作量大。

1.2 潮位推算

根據(jù)若干長（短）期驗潮站的驗潮資料，通過調(diào)和分析的方法確定每個分潮的調(diào)和常數(shù)，由此建立各潮位站間海域的潮位模型。通過潮位模型對測量船位置的天文潮位進行預(yù)報，結(jié)合已知站余水位對預(yù)報天文潮位進行訂正后，所得潮位即可作為水深測量潮位改正的依據(jù)。這種方法優(yōu)點是作業(yè)方便簡單。缺點是精度受調(diào)和參數(shù)及余水位相關(guān)度的限制。

1.3 潮位傳遞

根據(jù)2個或2個以上有效距離控制內(nèi)的已知站進行分帶內(nèi)插改正，或者進行潮位模擬相關(guān)來推算疏浚區(qū)潮位。這種方法的優(yōu)點是作業(yè)簡單。缺點是向海內(nèi)延伸一般很難找到已知潮位控制站，而且精度受到潮位站有效距離和相關(guān)性的控制。

1.4 GPS RTK潮位測量

RTK是基于載波相位測量的實時差分定位技術(shù)，該技術(shù)已廣泛用于河道/海道測量中，能夠在動態(tài)情況下獲得cm級的平面和高程定位結(jié)果。RTK三維水深測量是利用GPS的cm級測高成果，精密測定測深儀換能器的瞬時高程，進而測定海底的高程。RTK定位具有實時性，可以獲得每個歷元的高精度三維解，又可以消除測艇動吃水、涌浪等方面的影響，非常適合實時潮位測量［1］。但不足的是GPS RTK測量的作用距離受無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，一般情況下作用距離只能達到20 km，對于超長航道的潮位控制通常難以勝任。

上面幾種方法盡管有效，但還存在諸多需要注意的問題，潮位推算技術(shù)常受到潮位模型誤差、驗潮站缺失、氣候等因素的影響，造成潮位數(shù)據(jù)誤差過大甚至數(shù)據(jù)空白［2］。另一方面，潮位模型通常對被潮位站包圍的水域具有較好的計算精度，而對于延伸較遠(yuǎn)的外航道水域則可能不被潮位站有效范圍所覆蓋，如果使用外推潮位，就必然會給潮位計算帶來較大的誤差。因此需要找到一種更有效的方法來解決長距離航道疏浚工作中潮位控制問題。本文就是從這個目的出發(fā)，根據(jù)現(xiàn)在測量技術(shù)發(fā)展水平，提出一種新的潮位測量方法。

2 GPS PPK潮位測量

GPS PPK與RTK技術(shù)基本原理相似，但采用的是后處理技術(shù)，其作用距離不受數(shù)據(jù)傳輸?shù)募s束，可以達到50～80 km［3］。加之后處理模式數(shù)據(jù)穩(wěn)定、解算靈活，因此GPS PPK的潮位測量的精度和可靠性要高于RTK測量。

2.1 GPS PPK定位原理

PPK（Post Processing Kinematic）模式即后處理動態(tài)測量模式，是GPS測量作業(yè)的一種常用模式。在測量過程中，只需連續(xù)記錄基準(zhǔn)站和流動站的原始觀測數(shù)據(jù)，而無需在站間進行實時數(shù)據(jù)通訊。事后利用IGS提供的精密星歷或廣播星歷、原始記錄數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)，計算出基準(zhǔn)站的相位改正數(shù)。根據(jù)GPS定位原理，基準(zhǔn)站和流動站在一定距離范圍內(nèi)定位誤差具有較好的空間相關(guān)性，故可以利用基準(zhǔn)站的相位改正數(shù)對流動站的相位觀測數(shù)據(jù)進行改正，進而獲得流動站的精確三維坐標(biāo)［4-8］。

2.2 GPS PPK潮位測量的可行性

2.2.1 測量精度可以滿足要求

雙頻GPS在PPK作業(yè)模式下，其測量精度的計算公式為

式中：D為基線長度，km。

根據(jù)式（1）及式（2），在基線長80 km范圍內(nèi)，平面和高程定位精度均≤±10 cm，可以滿足疏浚工程水深測量對潮位控制的精度要求。

2.2.2 雙頻GPS接收機已經(jīng)廣泛普及

隨著雙頻GPS的逐漸普及，已從以前的高端設(shè)備變成了現(xiàn)在的標(biāo)配裝備，如今一臺雙頻GPS的售價僅相當(dāng)于以前一臺2″級全站儀的價格。目前絕大部分科研院所和測量單位都配備了自己的雙頻GPS，并廣泛應(yīng)用于大地測量、施工測量等各個領(lǐng)域。因此，為現(xiàn)有的水深測量系統(tǒng)配備GPS PPK潮位測量設(shè)備，并不會過多增加測繪單位的儀器購置成本。

2.2.3 儀器性能可以滿足測量要求

GPS相位測量技術(shù)已經(jīng)非常成熟，現(xiàn)在普通雙頻GPS測量設(shè)備的性能已經(jīng)較之前有了較大提升：

（1）GPS跟蹤性能。近年來各生產(chǎn)廠商投入大量人力、物力用于GPS產(chǎn)品的技術(shù)研發(fā)工作，高性能的GPS接收天線以及信號增強技術(shù)的不斷應(yīng)用，使得新型GPS接收機的抗干擾能力、連續(xù)鎖定能力、抗多路徑效應(yīng)能力、相位中心穩(wěn)定性等均有顯著提高。

（2）動態(tài)初始化。單頻GPS接收機在PPK模式下工作時，需在接收天線靜止不動的情況下進行靜態(tài)初始化。雙頻GPS接收機的工作原理是進行載波相位觀測，為了實現(xiàn)接收機真正意義上的實時動態(tài)測量，動態(tài)初始化（OTF）技術(shù)應(yīng)運而生，目前市面上的雙頻GPS接收機均可實現(xiàn)運動狀態(tài)下的初始化。

2.2.4 解算軟件

一般廠商的GPS接收機都會隨機配備相應(yīng)的解算軟件，可以進行各自產(chǎn)品在標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)、PPK等工作模式下數(shù)據(jù)的基線解算，同時又具備數(shù)據(jù)的輸入、輸出、數(shù)據(jù)瀏覽、坐標(biāo)系定義、平差計算等多種功能。對于PPK數(shù)據(jù)的解算和成果數(shù)據(jù)輸出，均可通過隨機軟件或第三方軟件實現(xiàn)。

2.3 在航潮位的提取

GPS PPK測得的海面高程是瞬時的，直接反映海水面的起伏變化。事實上海面的瞬時高程H包含了多種因素的影響，即瞬時海面H是潮汐T和波浪w綜合作用的結(jié)果。為獲得真實的潮位，要從潮位測量中消除波浪因素的影響［2，9］。

潮位本身是一個變化相對穩(wěn)定的水位面，為從GPS觀測的瞬時海面高程中提取出潮位，需要考慮瞬時海面這一綜合波動中各波段信號的頻譜特征。潮位為長周期項，周期一般為幾小時，涌浪影響項為短波項，周期一般為10～60 s。根據(jù)這些信號的頻譜特征，采用低通濾波的方法對綜合信號中的短周期項進行過濾，所得中長周期項即為在航潮位。

3 深度基準(zhǔn)面的確定

3.1 PPK大地高與理論最低潮面關(guān)系的確定

GPS測量的是基于WGS84橢球面的大地高，要實現(xiàn)WGS-84橢球面與航道深度基準(zhǔn)面之間的高程轉(zhuǎn)換，需要通過兩步來實現(xiàn)：第1步是高程基準(zhǔn)面從橢球面到似大地水準(zhǔn)面之間的轉(zhuǎn)換，即大地高向正常高的轉(zhuǎn)換；第2步是高程基準(zhǔn)面從似大地水準(zhǔn)面向理論最低潮面的轉(zhuǎn)換，即正常高向海圖高的轉(zhuǎn)換［1］。

要實現(xiàn)二者之間的轉(zhuǎn)換需要建立一個連續(xù)的海圖高程基準(zhǔn)模型，即無縫垂直基準(zhǔn)面模型。在獲得無縫垂直基準(zhǔn)模型后，再通過下式即可實現(xiàn)WGS-84大地高到海圖高的轉(zhuǎn)換［2］

式中：H為海圖高；Hp為大地高；ζ為高程異常；Δh為理論最低潮面相對似大地水準(zhǔn)面的差距。

對于測量區(qū)域距岸較遠(yuǎn)的超長航道，可以采用驗潮儀和GPS驗潮相結(jié)合的方法，利用式（3）確定各高程基準(zhǔn)面間的關(guān)系，從而實現(xiàn)在航GPS PPK潮位結(jié)果向海圖基準(zhǔn)高程的轉(zhuǎn)換。

3.2 深度基準(zhǔn)面的確定

3.2.1 平均海平面

為確定長期平均海平面，可通過以下幾種方法進行：（1）調(diào)和分析確定平均海平面；（2）平均海平面定義確定法；（3）平均海平面同步傳遞法；（4）線性關(guān)系最小二乘擬合法。

3.2.2 深度基準(zhǔn)面

用于確定深度基準(zhǔn)面的方法主要有：（1）弗拉基米爾斯基模型法；（2）深度基準(zhǔn)面?zhèn)鬟f法；（3）保障率定義法。

對于基準(zhǔn)面的確定，可通過不同的方法相互檢核和綜合取舍。鑒于篇幅關(guān)系，以上各計算方法在此不做詳細(xì)闡述。

3.3 航道垂直無縫基準(zhǔn)的建立

建立區(qū)域高精度的深度基準(zhǔn)面模型是實現(xiàn)GPS PPK潮位測量深度基準(zhǔn)面無縫銜接的基礎(chǔ)工作，同時也是GPS PPK在航潮位測量的關(guān)鍵。航道無縫垂直基準(zhǔn)模型可采用內(nèi)插的方法建立。

首先在航道潮汐特征點位置設(shè)置驗潮站，單點計算深度基準(zhǔn)面后，采用線性內(nèi)插的方法獲得整個航道的深度基準(zhǔn)面模型，確保深度基準(zhǔn)面空間變化的連續(xù)性，最后通過數(shù)據(jù)處理將GPS PPK測得的任意測點處的海面高程信息，歸化于該垂直基準(zhǔn)面模型上，得到相應(yīng)的在航潮位成果。

4 GPS PPK潮位測量作業(yè)流程及應(yīng)用實例

4.1 作業(yè)流程

4.1.1 儀器安置

PPK屬于差分GPS技術(shù)，應(yīng)在岸邊已知控制點上架設(shè)基準(zhǔn)站。流動站天線盡量架設(shè)于測船的重心位置RP（Reference Point）上方，基準(zhǔn)站與流動站的采樣率應(yīng)保持一致，可設(shè)定為0.2～1 Hz。測量開始前應(yīng)嚴(yán)格測量基準(zhǔn)站天線高以及流動站GPS天線在船體坐標(biāo)系VFS（Vessel Frame System）下的坐標(biāo)［1］。儀器安置原理如圖1所示。

圖1 GPS PPK潮位測量儀器示意圖Fig.1 Sketch of GPS PPK tidal level measuring instrument

4.1.2 初始化

根據(jù)經(jīng)驗，雙頻GPS接收機在失鎖后重新動態(tài)初始化所需時間T的計算公式為

式中：T為動態(tài)初始化時間，min；S為移動站與基準(zhǔn)站之間的距離，km。

根據(jù)式（4），可計算得到典型的距離與初始化時間關(guān)系，即移動站與基準(zhǔn)站之間的距離為10 km、20 km、30 km、40 km、50 km、60 km、70 km、80 km 時，動態(tài)初始化所需時間分別為 3.5 min、6.0 min、8.5 min、11 min、13.5 min、16 min、18.5 min、21 min。

為保證在航潮位測量數(shù)據(jù)的可靠精度，可約定在開始水深測量前進行不少于15 min的靜態(tài)初始化。在數(shù)據(jù)采集期間如出現(xiàn)衛(wèi)星失鎖、數(shù)據(jù)采集中斷等情況時，應(yīng)暫停水深數(shù)據(jù)采集不少于30 min以保證動態(tài)初始化的成功。

4.1.3 數(shù)據(jù)采集

為保證GPS PPK獲取數(shù)據(jù)及潮位提取的質(zhì)量，數(shù)據(jù)采集期間應(yīng)注意如下事項：（1）數(shù)據(jù)采集時間應(yīng)超出水深測量前、后各20 min；（2）測量期間應(yīng)每隔10 min檢測GPS接收機的工作狀態(tài)，同時查看接收機的電池電量和存儲卡的剩余容量，如剩余容量無法滿足測量要求時，應(yīng)及時更換存儲介質(zhì)或采取相應(yīng)措施；（3）如在測量過程中出現(xiàn)GPS信號失鎖情況，應(yīng)立即停止水深測量作業(yè)，完成動態(tài)初始化之后方可繼續(xù)水深測量工作；（4）對于數(shù)據(jù)采集期間出現(xiàn)的異常情況，應(yīng)記入測量工作日志以便內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時查閱。

4.1.4 GPS PPK數(shù)據(jù)解算

對于GPS PPK測量的原始數(shù)據(jù)，應(yīng)對動態(tài)基線進行解算后方可獲得相應(yīng)的測高成果?；€解算期間如發(fā)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)中出現(xiàn)不良數(shù)據(jù)，可對其進行人工刪除。

對流層及電離層模型可使用軟件推薦的隨機模型，整周模糊度未能解算的測量點應(yīng)及時剔除。測量數(shù)據(jù)解算完成后，使用預(yù)定義的轉(zhuǎn)換參數(shù)將成果轉(zhuǎn)換至指定坐標(biāo)系下，并按照要求輸出為相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式。

4.2 GPS PPK在航潮位測量在天津港主航道的實現(xiàn)

4.2.1 深度基準(zhǔn)面的確定

為獲得天津港主航道深度基準(zhǔn)面的分布情況，根據(jù)在南疆碼頭、大沽燈塔、航道里程K34+000、K44+000區(qū)域布設(shè)的驗潮儀采集的數(shù)據(jù)，進行平均海平面的歸算以及理論最低潮面的傳遞，計算工作均使用專門研制的海洋基準(zhǔn)確定及傳遞軟件進行。

4.2.2 航道無縫垂直基準(zhǔn)的建立

為獲得適用于水深測量的潮位數(shù)據(jù)，GPS PPK測高數(shù)據(jù)的處理流程如圖2所示。

基線解算使用GPS隨機配備的后處理軟件進行，將解算結(jié)果（GPS大地高）使用天津港地區(qū)的嚴(yán)密坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)轉(zhuǎn)換為正常高，由于天津港航道理論最低潮面的基準(zhǔn)面自港區(qū)向外逐漸抬高，還應(yīng)進行由正常高向理論最低潮面高程轉(zhuǎn)換的基面擬合，基面擬合所需參數(shù)通過標(biāo)定測量的方式獲取。

圖2 GPS PPK測量數(shù)據(jù)的處理流程Fig.2 Flow chart of GPS PPK measurement data processing

GPS PPK標(biāo)定測量采用在航狀態(tài)進行，由測量船自天津港航道K0+000至K45+000往返航行一個航次，數(shù)據(jù)采集期間要求等速、直線航行，避免突然轉(zhuǎn)向、停船等情況。分別在航道K2+500、K24+000、K36+000（航道轉(zhuǎn)點）、K45+000求取GPS PPK正高相對于理論最低潮面高程的標(biāo)定值，使用往測標(biāo)定、返測校核的方式以保證標(biāo)定結(jié)果的可靠性。

各潮位特征點的標(biāo)定結(jié)果見表1。

根據(jù)標(biāo)定測量成果，對上述各點的改正值進行線性內(nèi)插后可獲得整個航道的PPK正高改正值，進而根據(jù)這一系列改正值建立航道沿線的無縫垂直基準(zhǔn)模型。值得注意的是，PPK正高改正值不但包含理論最低潮面沿航道方向的變化量，還包含了GPS大地高向正常高轉(zhuǎn)換的殘差。

4.2.3 GPS PPK潮位提取

GPS PPK潮位測量原始數(shù)據(jù)經(jīng)解算完成后，導(dǎo)入GPS在航潮位數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)濾波等處理后，提取出指定時間間隔（1～10 min）的潮高成果。對提取出的潮位數(shù)據(jù)依照航道無縫垂直基準(zhǔn)模型進一步修正后，即可獲得精確的在航潮位信息（圖3）。

表1 天津港航道特征點標(biāo)定數(shù)據(jù)Tab.1 Feature point calibration values of Tianjin Port channel m

圖3 GPS PPK潮位數(shù)據(jù)提取Fig.3 GPS PPK tidal level data extraction

5 GPS PPK在航潮位測量精度驗證

（1）試驗測區(qū)。為詳細(xì)驗證GPS PPK在航潮位的測量精度，在天津港航道最外端（K44+000以外）選擇一處測試水域，整個區(qū)域大小約1 300 m×1 300 m，水深分布18～22 m。

在試驗區(qū)使用Seabat8101多波束測深系統(tǒng)進行水深測量，沿航道軸線方向布設(shè)16條測線，測線間距以保證多波束測深全覆蓋為準(zhǔn)。分別使用GPS PPK實測潮位和傳統(tǒng)驗潮數(shù)據(jù)進行潮位改正，以驗證2種潮位改正方式的符合程度。

（2）使用PPK潮位改正后的數(shù)據(jù)，不同時間完成的相鄰測線搭接效果良好（圖 4）。

（3）使用不同潮位改正方式的數(shù)據(jù)不符情況。

分別利用PPK潮位和傳統(tǒng)驗潮潮位對試驗區(qū)測量數(shù)據(jù)進行改正，按照5 m×5 m大小輸出格網(wǎng)數(shù)據(jù)，對2種潮位改正方式的水深差進行統(tǒng)計，以判定GPS PPK潮位改正的精度。參加比對節(jié)點數(shù)據(jù)共67 225個，不符值標(biāo)準(zhǔn)差SD=0.04 m，不符值位于-0.1～0.1 m區(qū)間的點數(shù)占比為98.64%，二者之間具有良好的一致性，如表2及圖5所示。

表2 不符值統(tǒng)計表Tab.2 Statistics of discrepancy value

圖4 相鄰測線搭接效果Fig.4 Overlap effect of neighboring survey lines

圖5 比對不符值分布圖Fig.5 Distribution of discrepancy value

6 結(jié)語

6.1 GPS PPK潮位測量的局限性

（1）潮位測量過程中無法對GPS采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量進行實時監(jiān)控，需通過一些質(zhì)量控制手段來保證數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。

（2）GPS PPK定位技術(shù)雖然相對GPS RTK提高了作用距離，不再受無線電傳播距離的影響，但仍受局域差分誤差相關(guān)假設(shè)的局限，定位誤差將隨作用距離的增大而增大。

6.2 應(yīng)用前景

GPS PPK在航潮位測量成果為實測潮位，其高精度和高可靠性的特點對于疏浚工程來說具有重要意義，可在控制超挖、減少廢方等方面起到很大作用。作為GPS PPK測量在疏浚工程測量方面的創(chuàng)造性應(yīng)用，本文為大型航道疏浚工程的潮位控制提供了一種切實可行的手段，可以解決遠(yuǎn)距離潮位無法有效控制的行業(yè)難題，在今后超長航道的疏浚工程測量方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

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