GPS PPK技術(shù)在船舶通航試驗中的應(yīng)用

鄒進(jìn)貴，陳 健，余 銳，宣 偉

(1．武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北武漢430079;2．精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點實驗室，湖北武漢430079)

一、引 言

GPS技術(shù)已在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用范圍涉及航天航空、板塊運動、減災(zāi)防震、大地測量、工程測量、地質(zhì)勘探、交通旅游等領(lǐng)域。RTK技術(shù)以其實時、高效、高精度等特點在GPS動態(tài)定位方面優(yōu)勢明顯，其技術(shù)發(fā)展亦日趨成熟，在工程測量等方面的應(yīng)用相當(dāng)普遍[1]。然而，由于受衛(wèi)星和通訊電臺的制約，有時難以發(fā)揮RTK技術(shù)的優(yōu)勢。隨著流動站和基準(zhǔn)站之間距離的增加，各種誤差的空間相關(guān)性將迅速下降，導(dǎo)致觀測時間的增加，甚至無法固定整周模糊度而只能獲得浮點解，因此在RTK測量中流動站和基準(zhǔn)站之間的距離一般只能在15 km 以內(nèi)[2]，而 PPK(post processing kinematic)技術(shù)恰好彌補了RTK技術(shù)這方面的不足。PPK技術(shù)是一種利用載波相位觀測值進(jìn)行事后處理的動態(tài)相對定位技術(shù)。由于是進(jìn)行事后處理，因此用戶無需匹配數(shù)據(jù)通訊鏈，也無需考慮流動站能否接收基準(zhǔn)站播發(fā)的無線電信號等問題，觀測更為方便、自由，適合于無需實時獲得定位結(jié)果的應(yīng)用領(lǐng)域。

在航道通航試驗中，需要獲得船舶航行的航跡、航速以及船形圖來進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)分析，為航道通航規(guī)則的制定提供數(shù)據(jù)支持。船舶航行的范圍一般會分布在幾十千米的范圍內(nèi)，并且無需獲得實時坐標(biāo)，因此在此類實際測量工作中PPK技術(shù)相對于RTK技術(shù)優(yōu)勢明顯。

二、GPSPPK技術(shù)測量原理

PPK技術(shù)的工作原理是利用一臺進(jìn)行同步觀測的基準(zhǔn)站接收機(jī)和至少一臺流動站接收機(jī)，對GPS衛(wèi)星進(jìn)行同步觀測，也就是基準(zhǔn)站保持連續(xù)觀測，初始化后的流動站遷站至下一個待定點，在遷站過程中需要保持對衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤，以便將整周模糊度傳遞至待定點。基準(zhǔn)站和流動站同步接收的數(shù)據(jù)在計算機(jī)中進(jìn)行線性組合，形成虛擬的載波相位觀測量，確定接收機(jī)之間的相對位置。最后引入基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)，從而獲得流動站的三維坐標(biāo)[3]。

PPK技術(shù)與RTK技術(shù)的主要區(qū)別在于：在基準(zhǔn)站和流動站之間，不必像RTK那樣建立實時數(shù)據(jù)傳輸，而是在定位觀測后，對兩臺GPS接收機(jī)所采集的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行事后的聯(lián)合處理，從而計算出流動站在對應(yīng)時間上的坐標(biāo)位置，其基準(zhǔn)站和流動站之間的距離沒有嚴(yán)格的限制。它的優(yōu)點是定位精度高、作業(yè)效率高、作業(yè)半徑大、投資省和易掌握，不足之處是流動站在遷站過程中必須保持對衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤[4]。

三、GPSPPK技術(shù)在船舶通航試驗中應(yīng)用的關(guān)鍵

目前一些主流的接收機(jī)均具有PPK的測量模式，操作簡單方便，如Trimble系列和Leica系列等，并有相應(yīng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在某些型號儀器中并沒有具體對應(yīng)的PPK測量模式，為了更好地提高生產(chǎn)效益和設(shè)備的使用效率，可以在采集數(shù)據(jù)時通過對測量參數(shù)的適當(dāng)設(shè)置，對測后的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行適當(dāng)?shù)木庉嫼吞幚?，也可完成PPK測量任務(wù)。本文以Leica System 1200 GPS接收機(jī)和LGO數(shù)據(jù)處理軟件為例來介紹相應(yīng)的PPK作業(yè)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)后處理的流程與技巧。

(1)外業(yè)數(shù)據(jù)采集

由于System 1200 GPS接收機(jī)中沒有PPK測量模式，因此在采集數(shù)據(jù)的時候，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置?；鶞?zhǔn)站和流動站接收機(jī)統(tǒng)一采用成靜態(tài)測量模式，采樣率均設(shè)置為1 s，天線高及其他的設(shè)置均按照靜態(tài)測量的模式設(shè)置，基準(zhǔn)站接收機(jī)按照嚴(yán)格的靜態(tài)測量模式來進(jìn)行測量，流動站均使用對中桿。在實際測量工作中，基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點上連續(xù)保持觀測狀態(tài)，根據(jù)作業(yè)需要和實際情況將流動站對中桿綁在測量船只的船首和船尾的中軸線上，同時記錄下測量船只長寬等相關(guān)信息。船首和船尾的流動站接收機(jī)應(yīng)盡可能同時開機(jī)和關(guān)機(jī)，以保證有足夠的同步數(shù)據(jù)。外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成以后，采用讀取CF卡的方法導(dǎo)出接收機(jī)中的觀測數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)據(jù)文件的編輯和準(zhǔn)備

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成以后，需要進(jìn)行關(guān)鍵的數(shù)據(jù)后處理工作。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前，必須要對觀測數(shù)據(jù)文件進(jìn)行適當(dāng)?shù)木庉嫼吞幚?。在LGO中將Leica接收機(jī)的原始數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成RINEX格式。由于流動站和基準(zhǔn)站的文件類型均是靜態(tài)觀測值文件，因此需要將流動站的觀測值文件加上動態(tài)信息標(biāo)識。所有的流動站觀測值文件均需要在頭文件結(jié)束標(biāo)識后加一行，并在這一行的特定位置手工加入動態(tài)信息標(biāo)識“2”，如圖1所示[5]。

圖1 編輯流動站的RINEX文件

若是不同類型的接收機(jī)聯(lián)合作業(yè)，則需要將記錄的數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成RINEX格式，然后按照上述操作進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件編輯即可。在所有的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作完成以后，才可以利用LGO進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理工作。

(3)數(shù)據(jù)處理

在完成項目的坐標(biāo)系統(tǒng)等參數(shù)設(shè)置后，導(dǎo)入準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)文件。在GPS處理視圖中可以看到如圖2所示的觀測時段信息，第1行為基準(zhǔn)站時段信息，第2行為流動站信息。若發(fā)現(xiàn)異常情況，則需要檢查觀測值文件編輯是否正確。當(dāng)待處理的數(shù)據(jù)確認(rèn)無誤以后才可進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理操作。

圖2 流動站和基準(zhǔn)站的觀測時段信息

在輸入基準(zhǔn)站的控制點坐標(biāo)，設(shè)置合適的處理參數(shù)以后，可以利用LGO的數(shù)據(jù)自動處理功能進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動處理，處理后的結(jié)果信息如圖3所示：

圖3 處理的數(shù)據(jù)結(jié)果信息

在此解算模式下能夠得到每一個觀測歷元的解算坐標(biāo)。從圖3可以看出，當(dāng)靜態(tài)模糊度固定時，解算結(jié)果的平面精度和高程精度均可達(dá)到厘米級的水平，完全能夠滿足船舶通航試驗的精度要求。存儲靜態(tài)模糊度固定的流動點解算結(jié)果，保留歷元的時刻信息、坐標(biāo)信息和精度信息。根據(jù)流動點的歷元時刻信息和坐標(biāo)信息便可進(jìn)行后續(xù)的航速、航跡、船形圖的繪制。

(4)通航試驗成果的整理

根據(jù)船舶通航試驗的成果整理要求，在Visual Studio 2010中采用C#語言編寫了相應(yīng)的數(shù)據(jù)后處理程序。此程序具有自動提取兩臺流動站同步時刻坐標(biāo)信息等數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，并且可以根據(jù)已知的時刻和坐標(biāo)信息自動繪制DXF格式的航速、航跡以及船形圖。數(shù)據(jù)預(yù)處理程序界面如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)預(yù)處理界面

航速、航跡圖的繪制程序界面如圖5所示。

圖5 航速航跡圖自動繪制程序界面

四、GPSPPK技術(shù)在某船舶通航試驗中的實際應(yīng)用

在某實際船舶通航試驗中，采用Leica System 1200 GPS接收機(jī)采集數(shù)據(jù)，利用LGO數(shù)據(jù)處理軟件和編寫的圖形繪制程序完成了所需試驗成果的整理。

試驗中，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理流程如下：

1)在控制點上架設(shè)好基準(zhǔn)站之后，在需要測量的每條船的船頭、船尾的中軸線上分別架設(shè)一臺GPS接收機(jī)，接收機(jī)位置盡可能靠近船頭或者船尾的端沿。

2)船頭和船尾的接收機(jī)盡可能保證在同一時刻開機(jī)和關(guān)機(jī)。測量完成后，停止數(shù)據(jù)記錄，從CF卡中導(dǎo)出采集的數(shù)據(jù)。

3)利用Leica LGO軟件對基準(zhǔn)站和流動站的PPK觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，獲得不同歷元時刻流動站GPS接收機(jī)天線處的三維坐標(biāo)解。

4)利用編寫的數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)一步進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)成果整理。

以一條航線為例展示數(shù)據(jù)成果的形式，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)成果

五、結(jié)束語

試驗結(jié)果表明，GPS PPK技術(shù)用于船舶通航試驗?zāi)軌虺浞职l(fā)揮其作業(yè)距離遠(yuǎn)、定位精度較高、操作簡易方便等技術(shù)優(yōu)勢，完全能夠滿足這一類測量作業(yè)任務(wù)的要求，可以廣泛推廣應(yīng)用。

[1]倪衛(wèi)明，王志偉，王永平．GPSRTK技術(shù)和PPK技術(shù)聯(lián)合作業(yè)探討[J]．物探裝備，2006，16(4)：303-304．

[2]李征航，黃勁松．GPS測量與數(shù)據(jù)處理(M)．武漢：武漢大學(xué)出版社，2010：9-14．

[3]郭建華．GPSPPK技術(shù)在地形地籍測量中的應(yīng)用[J]．城市勘測，2011，6(3)：88-90．

[4]暢毅，房建雪，周敏，等．PPK技術(shù)作業(yè)模式與精度分析[J]．全球定位系統(tǒng)，2009(1)：33-37．

[5]黃勁松，李英冰．GPS測量與數(shù)據(jù)處理實驗教程[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社，2009：161．