RTK GPS技術(shù)在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用

胡燕標(biāo)

【摘要】本文主要介紹RTK GPS技術(shù)進(jìn)行水下地形測(cè)量的基本方法及一些注意事項(xiàng)，在水深測(cè)量中使用RTK技術(shù)越來(lái)越得到成熟而廣泛的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】 RTK；GPS；水下地形測(cè)量

一、引言

GPS技術(shù)的出現(xiàn)，帶來(lái)了測(cè)量方法的革新，在大地控制測(cè)量、精密工程測(cè)量及變形監(jiān)測(cè)、海洋測(cè)繪等應(yīng)用中形成了具有很大優(yōu)勢(shì)的實(shí)用化方案。尤其是GPS RTK技術(shù)能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度，為工程放樣、地形測(cè)圖、地籍及房地產(chǎn)測(cè)量、水下地形測(cè)量等帶來(lái)了新的作業(yè)方法，極大地提高了野外作業(yè)效率，是GPS應(yīng)用的里程碑。特別是利用RTK技術(shù)進(jìn)行水下地形測(cè)量，使得水上測(cè)量可以采用GPS無(wú)驗(yàn)潮方式進(jìn)行工作（RTK方式）成為可能。大大減少了測(cè)量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，自動(dòng)化程度高，省工省時(shí)，精度高，全天候，提高了工作效率，使工程變得更經(jīng)濟(jì)。

二、RTK GPS技術(shù)的基本原理

高精度的GPS測(cè)量必須采用載波相位觀測(cè)值，RTK定位技術(shù)就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)，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)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(jí)精度。如下圖1所示，在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果，歷時(shí)不到一秒鐘。流動(dòng)站可處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；可在固定點(diǎn)上先進(jìn)行初始化后再進(jìn)入動(dòng)態(tài)作業(yè)，也可在動(dòng)態(tài)條件下直接開(kāi)機(jī)，并在動(dòng)態(tài)環(huán)境下完成周模糊度的搜索求解。在整周末知數(shù)解固定后，即可進(jìn)行每個(gè)歷元的實(shí)時(shí)處理，只要能保持四顆以上衛(wèi)星相位觀測(cè)值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動(dòng)站可隨時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果。

三、水下地形測(cè)量原理

水下測(cè)量需要?jiǎng)討B(tài)GPS測(cè)量，這就要進(jìn)行基準(zhǔn)臺(tái)到移動(dòng)臺(tái)數(shù)據(jù)鏈的傳播； 為了實(shí)現(xiàn)GPS的相位差分功能，在施工前首先要建立施工平面和施工高程控制----GPS控制網(wǎng)。建立GPS控制網(wǎng)的目的主要有兩個(gè)：

a、求解七參數(shù)，進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換；

b、提供GPS基準(zhǔn)站點(diǎn)，用于設(shè)立參考站。

（1） GPS控制測(cè)量

靜態(tài)或快速靜態(tài)，GPS控制測(cè)量很普通，我這里不再討論。

（2） 水下地形測(cè)量

工作原理為：基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將其GPS觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測(cè)（衛(wèi)星）數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)快速測(cè)出定位結(jié)果。（工作原理圖如下）

3.1有驗(yàn)潮GPS水上測(cè)量---- DGPS測(cè)量

長(zhǎng)期以來(lái)，水下地形測(cè)量過(guò)程中的兩個(gè)主要測(cè)量?jī)?nèi)容，即平面定位和水深測(cè)量是相對(duì)分離的；其中水深測(cè)量的方法變化不大，而平面定位的方法發(fā)展卻較快，從六分儀定位到經(jīng)緯儀、全站儀一直發(fā)展到GPS定位。在RTK技術(shù)未出現(xiàn)前，GPS動(dòng)態(tài)定位高程精度很低。因此，高程問(wèn)題要通過(guò)驗(yàn)潮的方法來(lái)解決。

3.2無(wú)驗(yàn)潮GPS水上測(cè)量----- RTK GPS測(cè)量

隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，RTK技術(shù)的出現(xiàn)，使得水上測(cè)量采用GPS無(wú)驗(yàn)潮方式工作（RTK方式）成為可能，大大減少了測(cè)量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，使工程更經(jīng)濟(jì)。

下面我們對(duì)比一下無(wú)驗(yàn)潮GPS水上測(cè)量（RTK）方式與有驗(yàn)潮GPS水上測(cè)量（DGPS）方式，可看出無(wú)驗(yàn)潮GPS水上測(cè)量（RTK）方式更加輕松、經(jīng)濟(jì)、高效。

（1） 無(wú)驗(yàn)潮GPS水上測(cè)量（RTK）方式不需建立驗(yàn)潮站，減少了資金的投入。

（2） 無(wú)驗(yàn)潮GPS水上測(cè)量（RTK）方式不需驗(yàn)潮人員，減少了人力。

（3） 無(wú)驗(yàn)潮GPS水上測(cè)量（RTK）方式不像DGPS方式是用若干驗(yàn)潮站的資料計(jì)算出被測(cè)點(diǎn)的的高程/水深，而是直接求得水下高程/水深，這樣精度更高。

（4） 無(wú)驗(yàn)潮GPS水上測(cè)量（RTK）方式內(nèi)業(yè)處理不需建立水位改正數(shù)文件，這樣內(nèi)業(yè)處理更方便。

3.3無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深原理

水下地形測(cè)量的主要任務(wù)是確定水下某一點(diǎn)的泥面標(biāo)高， 即該點(diǎn)的平面坐標(biāo)（X， Y）和泥面標(biāo)高H。（如下圖）

傳統(tǒng)的水下地形測(cè)量方法一般采用GPS定位確定其平面坐標(biāo)（x， y），而泥面標(biāo)高h(yuǎn)則需要通過(guò)驗(yàn)潮求得。如圖，通過(guò)驗(yàn)潮可求得水面標(biāo)高h(yuǎn)0，若測(cè)深儀換能器離水面的深度為h1且由測(cè)深儀測(cè)得換能器至泥面的高度h2， 則可求得測(cè)點(diǎn)的泥面標(biāo)高z為：

z = h0 - h1 - h2

若將GPS天線架設(shè)在在測(cè)深儀換能器的垂直上方，采用GPS實(shí)時(shí)相位差分（RTK）技術(shù)可實(shí)時(shí)求得厘米級(jí)的GPS天線的三維坐標(biāo)（x， y， h）；即已知GPS天線的標(biāo)高h(yuǎn)3，GPS天線至換能器的高度為h4，則測(cè)點(diǎn)的泥面標(biāo)高h(yuǎn)為：

z = h3 - h4 - h2

這種直接確定泥面標(biāo)高而無(wú)需進(jìn)行驗(yàn)潮，我們將此種方法稱(chēng)為T(mén)RK GPS無(wú)驗(yàn)潮水下地形測(cè)量。

四、影響水深測(cè)量精度的幾種因素及相應(yīng)對(duì)策

在實(shí)際使用無(wú)驗(yàn)潮方式進(jìn)行水深測(cè)量時(shí)，測(cè)量結(jié)果精度會(huì)由于船體的搖擺、采樣速率、同步時(shí)差及RTK高程的可靠性等因素造成的誤差的影響，這些誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于RTK定位誤差，從而成為無(wú)驗(yàn)潮方式水深測(cè)量精度提高的瓶頸因素。

4.1 船體搖擺姿態(tài)的修正

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(guò)專(zhuān)用的測(cè)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(cè)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(cè)量時(shí)刻的時(shí)間差造成定位延遲。對(duì)于這項(xiàng)誤差可以在延遲校正中加以修正，修正量可在斜坡上往返測(cè)量結(jié)果計(jì)算得到，也可以采用以往的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。