一種新的沿海區(qū)域(似)大地水準(zhǔn)面測定方法

馮金濤，尤寶平，邊 剛，楊慶宇

(海軍大連艦艇學(xué)院海洋測繪系，遼寧 大連 116018)

一種新的沿海區(qū)域(似)大地水準(zhǔn)面測定方法

馮金濤，尤寶平，邊 剛，楊慶宇

(海軍大連艦艇學(xué)院海洋測繪系，遼寧 大連 116018)

在我國沿海區(qū)域，由于實(shí)測重力數(shù)據(jù)缺乏，衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)在這些區(qū)域的空白或質(zhì)量降低，使得依據(jù)目前的理論和技術(shù)手段所確定的大地水準(zhǔn)面在陸域和海域的邊界產(chǎn)生割裂現(xiàn)象，導(dǎo)致存在著所謂的陸地大地水準(zhǔn)面和海洋大地水準(zhǔn)面。本文針對實(shí)際中遇到的問題，提出并系統(tǒng)研究了聯(lián)合GPS RTK與瞬時(shí)水位推算技術(shù)確定沿海區(qū)域大地水準(zhǔn)面的方法，并通過試驗(yàn)計(jì)算證明了該方法的可行性。

大地水準(zhǔn)面；GPS；RTK；高斯濾波；卡爾曼濾波

大地水準(zhǔn)面是地球重力場的重要幾何特征。大地水準(zhǔn)面的確定有適合于陸地和海洋區(qū)域的常規(guī)重力測量方法、衛(wèi)星重力方法，適合于陸地區(qū)域的天文水準(zhǔn)方法和天文重力水準(zhǔn)方法，適合于海洋區(qū)域的衛(wèi)星測高法。在嚴(yán)格的理論意義上，由這些方法確定的大地水準(zhǔn)面應(yīng)是全球統(tǒng)一和連續(xù)的封閉曲面。然而，由于采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不同，以及方法手段上存在差異，特別是在我國沿岸近海區(qū)域，存在著所謂的陸地大地水準(zhǔn)面和海洋大地水準(zhǔn)面。人們只能通過有關(guān)的數(shù)學(xué)手段力求使二者統(tǒng)一和連續(xù)。

在陸地區(qū)域，GPS+水準(zhǔn)實(shí)測高程異常對(似)大地水準(zhǔn)面精化起著關(guān)鍵的控制作用，而在沿海區(qū)域，目前尚未推出大地水準(zhǔn)面的直接實(shí)測手段，缺乏對由重力方法和其他方法測定的大地水準(zhǔn)面的有效檢測和糾正，而這種需求是目前海洋大地水準(zhǔn)面研究急需解決的迫切任務(wù)。本文提出的聯(lián)合GPS RTK與瞬時(shí)水位推算技術(shù)推求沿海區(qū)域大地水準(zhǔn)面的方法，目的就是為了解決這一問題。方法通過對GPS RTK高精度動態(tài)定位觀測數(shù)據(jù)和驗(yàn)潮站水位觀測數(shù)據(jù)的綜合處理，實(shí)現(xiàn)沿海區(qū)域大地水準(zhǔn)面的直接測定。

一、聯(lián)合GPS RTK與瞬時(shí)水位推算技術(shù)推求沿海區(qū)域大地水準(zhǔn)面方法

聯(lián)合GPS RTK與瞬時(shí)水位推算技術(shù)推求沿海區(qū)域大地水準(zhǔn)面的方法，其基本思想是利用GPS RTK測量獲取瞬時(shí)海面大地高，水位控制推算測點(diǎn)瞬時(shí)水位T1(x,y,t)，計(jì)算地區(qū)海面地形ζ(x,y)，最終解算大地水準(zhǔn)面高N(x,y)，如圖1所示。

圖1 基準(zhǔn)面關(guān)系

計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 計(jì)算流程

二、實(shí)例計(jì)算論證及分析

前文已介紹了此方法的基本思想，下面將結(jié)合實(shí)例論述該方法的可行性。

1. 數(shù)據(jù)來源及試驗(yàn)思路

本文選擇了某海區(qū)內(nèi)航道、防浪堤外側(cè)的一個(gè)1.0 km×1.0 km的水域進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中，3臺Trimble 4700 GPS接收機(jī)主要用于RTK測量和PPK測量。其中1臺接收機(jī)用作基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)采用RTK測量模式。同時(shí)，基準(zhǔn)站的測量數(shù)據(jù)需要采用RTK Infill存儲在接收機(jī)。

為了使差分信號有足夠的輻射距離，基準(zhǔn)站的發(fā)射天線固定在基準(zhǔn)站旁邊的燈標(biāo)上，距地面高度約20 m。

船上架設(shè)1臺GPS接收機(jī)，接收機(jī)天線固定在船艙上燈架的左側(cè)，位置開闊，易于觀測且避免了多路徑效應(yīng)對海上GPS測量的影響。安裝在燈架左側(cè)的GPS天線主要用于RTK測量，中間位置的無線電鞭狀天線用于接收來自基準(zhǔn)站的無線電差分信號。

測量中，2臺GPS接收機(jī)的數(shù)據(jù)存儲間隔均設(shè)置為1 s，RTK定位間隔設(shè)置為1 s。

然后同時(shí)提取RTK定位數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)。TSS姿態(tài)傳感器安置在近乎船艙的中央位置，該位置即近似為測量船的重心位置。TSS的采樣頻率設(shè)置為1 Hz。

測量期間，嚴(yán)格監(jiān)視Trimble 4700的工作狀態(tài)，確保GPS RTK始終處于整周模糊度固定狀態(tài)。期間，潮位站數(shù)據(jù)連續(xù)記錄。

海上試驗(yàn)期間船載各傳感器的位置始終未發(fā)生變化。在海上試驗(yàn)結(jié)束后，利用全站儀測量船載各傳感器在船體坐標(biāo)系VFS下的坐標(biāo)。測量期間，進(jìn)行了重復(fù)測線測量，計(jì)算了時(shí)延、MRU安裝偏差等參數(shù)。

2. 計(jì)算及分析

為證明方法的可行性并提高計(jì)算精度，本文將試驗(yàn)過程分為兩步：①分別以高斯濾波、卡爾曼濾波處理的瞬時(shí)海面大地高為基礎(chǔ)，聯(lián)合當(dāng)?shù)厮桓恼龜?shù)據(jù)及海面地形，解算該區(qū)域大地水準(zhǔn)面高，再通過主副測線交叉點(diǎn)不符值中誤差評估計(jì)算質(zhì)量；②比較這兩種方法的優(yōu)劣及各自適用條件。

該測區(qū)測線相對位置關(guān)系如圖3所示。

(1) 應(yīng)用高斯濾波法處理數(shù)據(jù)的質(zhì)量評估分析

鑒于該測區(qū)范圍不大，海面地形變化浮動很小，故以常數(shù)ξ=-0.02 m代替；高斯公式中的濾波寬度n取81。則大地水準(zhǔn)面高N為

N=HRTK-Δzattitude-h天線-Δh水面-Δh水位-ξ

(1)

式中，HRTK為GPS模式下測得的天線相位中心的瞬時(shí)大地高；Δzattitude為姿態(tài)改正值；h天線為天線高；Δh水面為姿態(tài)傳感器中心至海面高度；Δh水位是瞬時(shí)水位改正值；ξ為海面地形。

圖3 測區(qū)測線相對位置關(guān)系

上述各分量的數(shù)值或直接給出，或測量計(jì)算得到。在將大地水準(zhǔn)面高改化到瞬時(shí)海平面時(shí)再進(jìn)行高斯濾波，順序不能改變，之后再進(jìn)行水位改正及海面地形的剔除，最后得到大地水準(zhǔn)面高N。

聯(lián)合瞬時(shí)大地高及瞬時(shí)水位的交叉點(diǎn)不符值信息見表1。

表1 交叉點(diǎn)不符值

由表1可知：由于使用高斯濾波后每一條測線兩端的數(shù)據(jù)有部分損失，使得每一條處理后的測線相對變短，因此損失了部分交叉點(diǎn)信息。求得測線交叉點(diǎn)處的不符值以后，大地水準(zhǔn)面測量采用以下公式進(jìn)行精度估算

(2)

式中，Δhij表示交叉點(diǎn)大地水準(zhǔn)面高不符值；N表示主副測線實(shí)際相交點(diǎn)總個(gè)數(shù)。計(jì)算可得M1=±2.7 cm。

(2) 應(yīng)用卡爾曼濾波法處理數(shù)據(jù)的質(zhì)量評估分析

相對于高斯濾波，經(jīng)卡爾曼濾波后的測線數(shù)據(jù)沒有損失，保持了改正前后相同的數(shù)據(jù)長度，對于同一批主副測線可以得到較多的交叉點(diǎn)不符值信息，見表2。

表2 交叉點(diǎn)不符值

經(jīng)計(jì)算可得M2=±5.1 cm。

綜上，可以比較得出M1

三、結(jié)束語

綜上，高斯濾波、卡爾曼濾波處理數(shù)據(jù)雖然各有優(yōu)劣，但從兩種方法的結(jié)果看來，無論哪種方法，聯(lián)合GPS RTK與瞬時(shí)水位推算技術(shù)推求沿海區(qū)域大地水準(zhǔn)面的方法都是可行的，并可達(dá)到較好的精度要求。

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FENG Jintao，YOU Baoping，BIAN Gang，YANG Qingyu

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B

0494-0911(2016)09-0130-03

2016-04-11

海軍大連艦艇學(xué)院科研發(fā)展基金(DJYKYKT 2015-21)；國家自然科學(xué)基金(41374108；41476087；41576015)

馮金濤(1982—)，男，碩士，研究方向?yàn)楹Ｑ鬁y繪教學(xué)研究。E-mail：whitefjt@163.com