利用RTK進(jìn)行多波束水深測(cè)量時(shí)GPS高程數(shù)據(jù)的處理

劉福剛

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng)　257000)

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利用RTK進(jìn)行多波束水深測(cè)量時(shí)GPS高程數(shù)據(jù)的處理

劉福剛

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng)257000)

利用RTK進(jìn)行多波束水深測(cè)量時(shí)，GPS高程在提供瞬時(shí)垂直基準(zhǔn)方面起著重要的作用。海上實(shí)際作業(yè)過程中，GPS信號(hào)經(jīng)常會(huì)發(fā)生失鎖現(xiàn)象,造成部分歷元高程數(shù)據(jù)突變，導(dǎo)致海底地形失真。該文以茂名某項(xiàng)目為例，首先介紹了根據(jù)EGM2008大地水準(zhǔn)面模型，利用高程擬合法將多波束水深測(cè)量時(shí)GPS橢球高轉(zhuǎn)換為正常高的方法；然后針對(duì)GPS信號(hào)失鎖現(xiàn)象，提出了利用RTK高程中的固定解來求算海水潮位面的方法，同時(shí)闡述了該方法的優(yōu)勢(shì)。

RTK；水深測(cè)量；多波束；橢球高；正常高;高程數(shù)據(jù)處理

引文格式：劉福剛.利用RTK進(jìn)行多波束水深測(cè)量時(shí)GPS高程數(shù)據(jù)的處理[J].山東國(guó)土資源，2015，31(9)：90-93.LIU Fugang.Elevation Data Processing of GPS in Multibeam Bathymetric Measuring by Using RTK Technology[J].Shandong Land and Resources,2015，31(9)：90-93.

0　引言

多波束測(cè)深系統(tǒng)是水聲、計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航定位和數(shù)字化傳感器等多種技術(shù)的高度集成。是利用安裝于船底或拖體上的聲基陣向與航向垂直的海底發(fā)射超寬聲波束，接收海底反向散射信號(hào)，經(jīng)過模擬/數(shù)字信號(hào)處理，形成多個(gè)波束，同時(shí)獲得幾十個(gè)甚至上百個(gè)海底條帶上采樣點(diǎn)的水深數(shù)據(jù)。其測(cè)量條帶覆蓋范圍為水深的2～10倍，與現(xiàn)場(chǎng)采集的導(dǎo)航定位及姿態(tài)數(shù)據(jù)相結(jié)合，能夠繪制出高精度、高分辨率的數(shù)字成果圖。與單波束回聲測(cè)深儀相比，多波束測(cè)深系統(tǒng)具有測(cè)量范圍大、測(cè)量速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)發(fā)射聲波瞬間換能器的定位、定姿是多波束水深測(cè)量的重要一步。目前，可利用差分GPS(DGPS)系統(tǒng)或RTK的方式求出換能器平面位置，利用電羅經(jīng)、姿態(tài)傳感器求出換能器瞬時(shí)姿態(tài)，定位定姿中的導(dǎo)航延時(shí)、橫搖、縱搖、艏偏通過檢校場(chǎng)檢校計(jì)算得出。傳統(tǒng)多波束測(cè)量中，換能器瞬時(shí)高程是由潮位、吃水參數(shù)和涌浪參數(shù)(Heave)聯(lián)合提供，理想條件下，該高程是準(zhǔn)確無誤的。但是實(shí)際測(cè)量過程中，潮位是由測(cè)區(qū)多個(gè)驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)線性內(nèi)插得到，吃水參數(shù)易受船速等因素影響，Heave在船速突變時(shí)會(huì)有長(zhǎng)周期信號(hào)異常，使得計(jì)算出的換能器瞬時(shí)高程值精度大受影響[1]。

GPS-RTK定位技術(shù)是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)。在RTK解固定時(shí)，通過量測(cè)、計(jì)算GPS天線相位中心與換能器間的相對(duì)關(guān)系，能實(shí)時(shí)求出換能器瞬時(shí)高程。

在已知GPS天線高程的情況下，只需量測(cè)GPS天線位置到換能器之間的高差值h1，便可求出換能器瞬時(shí)高程，從而消除了潮位模型選擇、動(dòng)態(tài)吃水測(cè)量不準(zhǔn)確及船速突變時(shí)Heave異常帶來的影響(圖1)。

圖1　GPS接收機(jī)天線與換能器相對(duì)位置示意圖

1　工程應(yīng)用

茂名某海洋測(cè)量項(xiàng)目，由岸邊往海中東南方向延伸約15km，水深20m左右，需要測(cè)量管線兩側(cè)各250m內(nèi)水下地形。項(xiàng)目采用WGS-84 坐標(biāo)系統(tǒng)(UTM投影)，1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。該次采用設(shè)備有天寶GPS 2臺(tái)、Geo Swath Plus多波束測(cè)深系統(tǒng)(250Hz)和處理軟件GS+。

GPS測(cè)得的是點(diǎn)位的橢球高，工程需要的是該點(diǎn)的正常高，兩者間的差值(高程異常)不是一個(gè)常數(shù)。同時(shí)海上作業(yè)過程中經(jīng)常出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象，GPS信號(hào)失鎖部分的高程無法利用。以該項(xiàng)目為例介紹橢球高到正常高的轉(zhuǎn)換方法及利用GPS高程計(jì)算潮位數(shù)據(jù)的方法來消除GPS信號(hào)失鎖的影響。

1.1GPS橢球高到正常高的轉(zhuǎn)換

橢球高到正常高的轉(zhuǎn)換，一般有2種方法：

1.1.1七參數(shù)法

測(cè)區(qū)范圍內(nèi)取3個(gè)以上已知控制點(diǎn)，通過輸入已知點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)及當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)，求出3個(gè)平移參數(shù)、3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)及1個(gè)尺度比參數(shù)，從而在2個(gè)橢球間建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)由橢球高到正常高的轉(zhuǎn)換。此方法要求測(cè)區(qū)在已知控制點(diǎn)范圍內(nèi)或邊緣，不要超出控制區(qū)域太遠(yuǎn)，否則得出的高程值不具可信性。同時(shí)，該方法無法處理測(cè)區(qū)內(nèi)高程異常值凹下或凸起的區(qū)域。

1.1.2高程擬合法

在傳統(tǒng)的大地測(cè)量中,高程異常是通過重力測(cè)量和天文測(cè)量的方法確定的,但對(duì)大多數(shù)測(cè)量單位來說,并不具備這2種作業(yè)的條件。目前國(guó)內(nèi)外常用的方法是采用數(shù)學(xué)擬合的方法[2]。

通過EGM2008大地水準(zhǔn)面模型，結(jié)合模型內(nèi)不同點(diǎn)的高程異常，以線性內(nèi)插的方式求出待測(cè)點(diǎn)高程異常值，從而實(shí)現(xiàn)橢球高到正常高的轉(zhuǎn)變。此方法在測(cè)區(qū)周圍控制點(diǎn)不多或不能有效覆蓋測(cè)區(qū)時(shí)，可以獲取高可靠性的RTK高程。同時(shí)，該方法降低了測(cè)區(qū)范圍內(nèi)局部地區(qū)高程異常值凹下或凸起帶來的危害。 由于海上作業(yè)的一側(cè)是海洋，很難搜集到覆蓋測(cè)區(qū)的控制點(diǎn)資料，在采用RTK測(cè)量海深的作業(yè)模式上，不推薦用七參數(shù)法。該次文采用高程擬合法。圖2為該次作業(yè)GS+導(dǎo)出的某條測(cè)線的部分導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

圖2　某測(cè)線的部分導(dǎo)航數(shù)據(jù)

圖2第一行中的“4”表示固定解，“17.777”表示正常高，“-10.323”表示大地水準(zhǔn)面差距，兩者之和為橢球高。此處的大地水準(zhǔn)面差距是由集成在GPS接收機(jī)中粗略的大地水準(zhǔn)面模型得出，誤差較大，同時(shí)GS+的算法較簡(jiǎn)單，在每條測(cè)線只取了1個(gè)大地水準(zhǔn)面差距值。因此需要對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，以便求出正確的正常高。

基本思路為：首先利用公式H=h+ζ(式中H代表該點(diǎn)橢球高；h代表該點(diǎn)正常高；ζ代表該點(diǎn)高程異常，下同)，恢復(fù)橢球高H，然后根據(jù)EGM2008模型查找測(cè)量點(diǎn)位區(qū)域內(nèi)四周點(diǎn)的ζ值，利用線性內(nèi)插的方式求出待測(cè)點(diǎn)位的ζ值，最后利用公式h=H-ζ求出待測(cè)點(diǎn)位的正常高。

理論上，要求得測(cè)量點(diǎn)位的正常高，有如下兩種方法可用：

方法一：直接法。要想求得點(diǎn)2的正常高，利用該點(diǎn)的橢球高直接減去該點(diǎn)的高程異常值，公式為：

(1)

方法二：間接法。若要求得點(diǎn)2的正常高，利用已知點(diǎn)1的正常高加上兩者間橢球高的差再減去兩者高程異常的差，公式為：

(2)

圖3　基準(zhǔn)站點(diǎn)、流動(dòng)站點(diǎn)橢球高與正常高關(guān)系圖

如圖3所示，公式(1)(2)中h2為RTK測(cè)量點(diǎn)位正常高；h1即為已知點(diǎn)(基準(zhǔn)站點(diǎn))正常高；H1為基站點(diǎn)橢球高；H2為導(dǎo)航數(shù)據(jù)中正常高與大地水準(zhǔn)面差距的和；ζ1，ζ2由選用的EGM2008模型求得(公式中的正常高、橢球高、在實(shí)際工作中要考慮儀器高、天線高等)。

方法一得出的正常高為EGM2008高程基準(zhǔn)，要想得出1985國(guó)家高程基準(zhǔn)的正常高，還需減去兩者間的差距。另外，該方法需準(zhǔn)確搜集到已知點(diǎn)的高精度WGS-84坐標(biāo)(B，L，H)。方法二消除了WGS84坐標(biāo)H絕對(duì)精度低及2個(gè)高程基準(zhǔn)面差距的影響，實(shí)際工作中主要應(yīng)用此方法。

該項(xiàng)目15km測(cè)區(qū)內(nèi)，Δζ(ζ2—ζ1)從岸邊(基準(zhǔn)站)往測(cè)區(qū)深處基本呈線性逐步增大，在5km處值約為16cm，在10km處約為34cm，在15km處約為46cm。Δζ通常情況下表現(xiàn)為使測(cè)區(qū)海底傾斜，離基站越遠(yuǎn)，傾斜(誤差)程度越深。因?yàn)樗且粋€(gè)系統(tǒng)誤差，通過布設(shè)重合、交叉測(cè)線的方式無法將其檢測(cè)出來。所以在用RTK結(jié)合多波束進(jìn)行水深測(cè)量時(shí)，一定要考慮Δζ的影響。

1.2RTK高程計(jì)算潮汐數(shù)據(jù)

實(shí)際海上測(cè)量中，受風(fēng)浪、船體操縱等影響，GPS信號(hào)會(huì)出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象，此時(shí)的GPS高程不能直接利用。目前，國(guó)內(nèi)主要研究采用對(duì)GPS高程數(shù)據(jù)進(jìn)行修正的方式來確保GPS高程數(shù)據(jù)的質(zhì)量，修正后的GPS高程數(shù)據(jù)直接用于求算換能器瞬時(shí)高程。其中常見的有Kalman濾波、Heave修正等。

項(xiàng)目中，首先利用GPS高程求算隨船移動(dòng)的潮位面數(shù)據(jù)，然后根據(jù)潮位面數(shù)據(jù)去求算換能器瞬時(shí)高程。

1.2.1GPS高程常用修正法

Kalman濾波法：Kalman濾波是一種對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)施濾波的常用方法，隨著觀測(cè)數(shù)據(jù)的增加，狀態(tài)估計(jì)應(yīng)愈來愈精確。但在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)GPS觀測(cè)存在連續(xù)異常時(shí)，則采用傳統(tǒng)的Kalman濾波易出現(xiàn)發(fā)散問題[3]。

Heave修正法：Heave修正法利用的是正常的GPS高程時(shí)序和Heave時(shí)序反應(yīng)的都是船體的垂直運(yùn)動(dòng)，在短時(shí)間內(nèi)應(yīng)該具有一致性的原理通過姿態(tài)傳感器測(cè)得的Heave值來對(duì)GPS高程進(jìn)行修正。但是，Heave具有零均值特征,其變化反映的是船體的高頻運(yùn)動(dòng)特征,無法表現(xiàn)船體的全周期垂直運(yùn)動(dòng),即潮位、波浪和船體操縱等產(chǎn)生的綜合垂直運(yùn)動(dòng)；GPS高程序列不但可以呈現(xiàn)船體的瞬時(shí)變化,還可以呈現(xiàn)其中、長(zhǎng)周期垂直運(yùn)動(dòng)波。因此，Heave對(duì)GPS RTK高程的修正只能在短時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行。根據(jù)潮位、波浪和船體操縱的周期特征，這種修正的有效時(shí)間段最長(zhǎng)不能大于2min[4]。

經(jīng)過修正后的GPS高程數(shù)據(jù)直接用于求算換能器瞬時(shí)高程。得出的高程起著提供瞬時(shí)垂直基準(zhǔn)的重要作用,每個(gè)歷元的觀測(cè)數(shù)據(jù)均須可靠穩(wěn)定,否則將會(huì)引起水下地形的異常[4]。因此,該方法要求GPS原始數(shù)據(jù)信號(hào)失鎖時(shí)間不能太長(zhǎng)，同時(shí)處理過程中對(duì)GPS高程成果的質(zhì)量要嚴(yán)格把控。

1.2.2利用RTK高程求算潮位數(shù)據(jù)文件

鑒于該項(xiàng)目多條測(cè)線出現(xiàn)了持續(xù)2～3min的RTK浮點(diǎn)解或單點(diǎn)解數(shù)據(jù)，利用Kalman濾波、Heave修正無法消除GPS失鎖對(duì)水深成果造成的影響，提出了另一個(gè)思路。利用GPS中的固定解數(shù)據(jù)反算海平面，得到一個(gè)“架設(shè)在船上的驗(yàn)潮站”潮位文件，并利用該文件結(jié)合涌浪參數(shù)及吃水求算換能器瞬時(shí)高度。

求算潮位文件的過程為： 首先，劃分一個(gè)合理的時(shí)間段。該時(shí)間段要包含多個(gè)涌浪周期(Heave-Bandwidth)及足夠多的高程數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮2次失鎖情況，該周期不能過大。該項(xiàng)目GPS輸出頻率為20Hz，涌浪周期為7S左右，每個(gè)周期內(nèi)GPS輸出140次，1 min內(nèi)輸出1200次，該時(shí)間段(區(qū)間)設(shè)置為1min。

其次，設(shè)置區(qū)間內(nèi)有效數(shù)據(jù)閾值。設(shè)置區(qū)間內(nèi)GPS固定解的數(shù)量的閾值為x，如果固定解數(shù)量小于x，則將該區(qū)間內(nèi)所有數(shù)據(jù)舍棄；否則保留該區(qū)間數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目處理過程中在將區(qū)間段設(shè)置為1 min的情況下，該閾值設(shè)置為1000。失鎖嚴(yán)重的測(cè)線，也可將該值適當(dāng)縮小，并對(duì)該時(shí)間段內(nèi)潮位文件進(jìn)行人工檢核。

最后，計(jì)算該區(qū)間時(shí)刻海水潮位面。經(jīng)過第二步的過濾后，將每個(gè)區(qū)間內(nèi)所有固定解高程取平均，結(jié)合天線高及換能器吃水值，從而得出該區(qū)間時(shí)刻海水潮位面數(shù)據(jù)。

獲取海水潮位面的目的是為了求算換能器高程，所以在第三步中，也可結(jié)合GPS天線與換能器的高差(圖1中的h1)，直接求算“換能器潮位面”數(shù)據(jù)。

2　結(jié)論

與傳統(tǒng)驗(yàn)潮方法相比，利用RTK進(jìn)行多波束水深測(cè)量在高程獲取方面是完全不同的一種方法。該文通過茂名某海洋測(cè)量項(xiàng)目為例，針對(duì)高程轉(zhuǎn)換及RTK信號(hào)失鎖情況，在GPS高程數(shù)據(jù)處理方面，提出了以下幾個(gè)建議：

(1)GGA原始數(shù)據(jù)中的大地水準(zhǔn)面差距值是由內(nèi)置在GPS接收機(jī)中粗略的大地水準(zhǔn)面模型給出，誤差較大，要想得出高精度水深數(shù)據(jù)，首先要恢復(fù)點(diǎn)位的橢球高。

(2)在GPS橢球高向正常高轉(zhuǎn)變過程中，優(yōu)先使用EGM2008模型進(jìn)行高程擬合，測(cè)區(qū)內(nèi)不同點(diǎn)位的高程異常差值Δζ(ζ2-ζ1)在10km范圍內(nèi)，可達(dá)30cm以上。忽略Δζ會(huì)對(duì)測(cè)深結(jié)果產(chǎn)生非常大的系統(tǒng)差值，且簡(jiǎn)單的布設(shè)重復(fù)測(cè)線無法檢測(cè)出此項(xiàng)誤差。

(3)在測(cè)量過程中，GPS存在短時(shí)間失鎖情況時(shí)，可以通過利用GPS高程數(shù)據(jù)求算潮位數(shù)據(jù)的方式，消弱失鎖對(duì)成果的影響。該方法利用的是GPS高程數(shù)據(jù)里面的有效高程值，且可對(duì)生成的潮位數(shù)據(jù)圖像化顯示，利用海水周期性漲落的特點(diǎn)進(jìn)行人工檢核；而對(duì)GPS高程數(shù)據(jù)進(jìn)行Kalman濾波、Heave修正等方法，需要修正后的每個(gè)歷元的觀測(cè)數(shù)據(jù)均必須可靠、穩(wěn)定。所以利用GPS高程數(shù)據(jù)求算潮位數(shù)據(jù)的方法，對(duì)GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量要求更寬松，求算出的水深結(jié)果更可靠。

綜上所述，利用提出的對(duì)RTK-GPS高程數(shù)據(jù)的處理，可以求算隨船移動(dòng)的潮位面數(shù)據(jù)，降低了短時(shí)間內(nèi)GPS信號(hào)失鎖對(duì)多波束水深測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。

[1]陽凡林，趙建虎，張紅梅，等.RTK高程和Heave信號(hào)的融合及精度分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)信息科學(xué)版,2007，32(3):225-228.

[2]程海帆,冷曦晨,郭寶君. GPS高程兩種擬合方法在山區(qū)公路勘測(cè)中的應(yīng)用研究[J].公路交通科技，2008,25(9)：336.

[3]暴景陽,劉雁春.海道水位控制方法研究[J].測(cè)繪科學(xué),2006,31(6):49-51.

[4]張紅梅，趙建虎. 精密多波束測(cè)量中GPS高程誤差的綜合修正法[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào),2009，38(1):24-26.

Elevation Data Processing of GPS in Multibeam Bathymetric Measuring by Using RTK Technology

LIU Fugang

(Sinopec Petroleum Engineering Corporation， Shandong Dongying 257000, China)

In the period of measuring multi-beam by using RTK technology, GPS elevation plays an important role in providing instantaneous vertical datum. During the actual operation process in the sea, GPS signals often happen the problem of out of lock. It will cause mutations of some epoch elevation data, and distortion of submarine topography. In this paper, setting Maoming project as an example, according to EGM2008 geoid model, by using elevation fitting method, in the process of measuring multibeam bathymetric, GPS ellipsoidal height will convert to normal height. Then pointing to the phenomenon of losing and locking GPS signals, the method of using elevation fixed solution to calculate sea tide surface by using RTK technology has been put forward. The advantages of this method have been explained as well.

RTK；multibeam； ellipsoid height； normal height; elevation data processing

2015-06-24；

2015-07-31；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

劉福剛(1983—)，男，山東昌樂人，工程師，現(xiàn)從事海洋測(cè)量方面的研究;E-mail:slecclfg@163.com

P228.42

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