RTK運用于海洋測繪中精度分析研究

葉舟川　何志敏

摘 要：該文以RTK運用于海洋測繪為研究對象，通過分析無驗潮測深方法及其各種影響因素的產生機理，結合當前常用的測深設備的性能指標，模擬計算這些因素在各種海況下引起的定位和測深的誤差量級，然后通過對計算結果的分析給出相應的解決辦法，為開展海洋測深工作的外業(yè)實施提供參考和借鑒。

關鍵詞：海洋測繪 RTK 精度

中圖分類號：P228 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（a）-0069-02

高精度海洋測深是21世紀海洋測量發(fā)展的主要方向之一。海洋測深包含定位和測深兩個方面的重要內容，只有同時提高定位和測深的精度，才能提供高精度的海底地形信息數(shù)據(jù)。由于海洋測深通常在運動載體上完成，因此傳統(tǒng)的定位手段無法滿足實時定位的要求。隨著GPS測量技術的發(fā)展，GPS-RTK技術能夠在動態(tài)環(huán)境下獲得cm級甚至mm級的水平定位精度和cm級的高程定位精度。在測深方面，單波束測深儀通過水下?lián)Q能器發(fā)射和接收測深脈沖信號，可準確測量換能器至海底泥面的距離。

海洋測深中通常采用GPS-RTK進行定位、單波束測深儀進行測深。目前，國內外廣泛開展了GPS-RTK無驗潮測深方面的研究，雖然該方法可從理論上消除潮汐模型誤差的影響，但都沒有綜合考慮聲速校正、GPS和測深儀信號不同步、測深儀信號延遲、測量船測量瞬間姿態(tài)誤差等因素給測深精度帶來的影響。

在海況復雜時，這種簡易的無驗潮測深方法往往難以取得令人滿意的效果。為此，該文通過分析無驗潮測深方法及其各種影響因素的產生機理，結合當前常用的測深設備的性能指標，模擬計算這些因素在各種海況下引起的定位和測深的誤差量級，然后通過對計算結果的分析給出相應的解決辦法，為開展海洋測深工作的外業(yè)實施提供參考和借鑒。

1 GPSRTK測深技術原理研究

隨著GPS全球定位技術的不斷發(fā)展，GPS實時動態(tài)測量在實時導航定位方面的應用越來越廣泛。目前GPS定位中應用較多的是DGPS技術，這是一種采用簡單的碼數(shù)據(jù)（波長300 m）相位平滑的技術，定位精度在nm級，水下地形高程則需要通過驗潮確定。對于大比例尺的水下地形測量或作業(yè)區(qū)遠離陸域不便于驗潮的地方，DGPS技術已難以滿足要求，而GPS實時動態(tài)相位差分（RTK）是一種直接應用L1和L2載波（波長分別為19 cm和24 cm）相位的GPS定位技術，它在三維坐標上可以提供cm級的精度，在水下地形測量中無需通過驗潮確定泥面高程，這種方法稱為GPS無驗潮測深。

假定參考站天線高為h1，參考站的正常高為h2，流動站的天線高為h3，參考站GPS天線處的正常高和大地高分別為h4、h5，流動站GPS天線相位中心的大地高和正常高分別為h6、h7，換能器的瞬間高程為h8，測點高程為h。由圖1中可以看出：

h4=h1+h2

h7=h3+h8 （1）

根據(jù)GPS差分原理，參考站與流動站間的距離小于30 km，可認為下式成立：

h5-h6=h4-h7

h7=h4-（h5-h6）

根據(jù)（1）式有：h3+h8=h1+h2-（h5-h6），則換能器的瞬間高程h8=h1+h2-h3-（h5-h6）。換能器的瞬間高程確定后，所測的水底點的高程就很容易求出：h=h8-測深儀所測的深度。

這樣就實現(xiàn)了在水深測量中，無需通過驗潮來確定泥面高程，這種方法稱為GPS無驗潮測深。眾所周知，動吃水發(fā)生在垂直方向，在實時動態(tài)定位時，該方向上的位移量可通過架設在船體中心上方的GPS天線相位中心的瞬間高程信息獲得，該高程減去GPS天線到換能器的垂距，便是換能器發(fā)射面的瞬間高程，而換能器測量的深度正是建立在該高程的基礎上，因此，船體的動態(tài)吃水不用專門去測定，換能器的瞬間高程已經(jīng)包含了該信息。這是無驗潮測深模式所特有的，也是相對傳統(tǒng)方法測量精度較高的原因所在。

2 測深誤差影響因素分析

2.1 測量誤差對測深精度的影響

海水是一種高度流動的介質，其溫度、鹽度特征不僅受徑流淡水和洋流高鹽水入侵的影響，同時還受到氣溫、季節(jié)、海流等因素的共同影響。一般而言，海水中聲速大致在1 430～1 550 m/s（水溫每增加1°，聲速增加4.6 m/s）。

海水介質顯著變化的溫、鹽特征必然導致聲速結構的時空變化。由于介質聲速不僅受水團運動而經(jīng)常發(fā)生復雜變化，而且不同的聲速結構又將直接影響波束射線的傳播路徑，因此聲速改正在各項誤差改正中最重要也最復雜。只有精確確定海水中聲速在垂直方向上的變化數(shù)值，才能為測深儀、聲納等水下聲學設備探測水下目標提供準確的聲速校正數(shù)據(jù)。

聲速剖面的差異會通過聲速彎曲直接影響海底探測精度，導致海底形變的畸變。因此，為了降低海水水溫變化對聲速的影響，應盡量縮短測深作業(yè)的時間，且聲速剖面測量應選擇在作業(yè)中間時刻進行。此外，為了降低水團運動及海水鹽度和密度對聲速的影響，聲速剖面測量也應選擇在測區(qū)中部位置進行。

聲速剖面測量完成后，應用測量結果實時校正測深儀聲速參數(shù)，或記錄剖面數(shù)據(jù)用于測深數(shù)據(jù)的后處理改正。近岸的航道測量中，對于0～20 m水深區(qū)，在不進行聲速剖面測量的情況下，通常使用檢查板進行測深儀改正數(shù)的校對，并且盡量選擇在海況好，風、流速小的區(qū)域進行。進行聲速改正的方法是在不同水深值聲速改正數(shù)時，從換能器吃水深度起（換能器吃水1.2 m），不同聲速水層一直到水深值深度的各水層聲速改正數(shù)的總和。

2.2 定位和測深不同步引起平面位置誤差

近年來隨著GPS硬件技術和數(shù)據(jù)處理方法的快速發(fā)展，GPS硬件的采樣率越來越高，并且高頻GPS技術也被廣泛用于地震形變監(jiān)測等方法，顯示出其獨特的優(yōu)勢。目前GPS-RTK定位的采樣率也可達到10 Hz甚至更高。另外，單波束測深儀的采樣率也可達到25 Hz。由于定位和測深是兩套分別獨立的系統(tǒng)，那么定位和測深的時刻就難以準確對齊，并且這種時間偏差會逐漸積累形成系統(tǒng)誤差，因此必須定期對定位和測深的時刻進行配準。

若定位和測深采用相同的采樣率f，定位和測深時刻之間存在的時間偏差為，則：

0≤δt 1≤1/f

若定位采樣率為f1，測深采樣率為f2，定位和測深時刻之間的時間偏差為：

0<δt 2≤│1/f1 -1/f2│

由此分析，若船速為5 km，且定位和測深的采樣率均為10 Hz，則一個歷元可能引起最大5 cm的平面定位誤差，若均采用25 Hz的采樣率時，一個歷元將會最大引起2 cm的定位誤差。當定位采用25 Hz采樣率，測深采用10 Hz采樣率時，一個歷元將會引起最大2 cm的定位誤差。由于采樣時刻無法準確對齊，則隨著歷元數(shù)的增加，定位誤差也將呈線性增加。由此可見，采樣率相同時，同時提高定位和測深的采樣率有助于降低單個歷元平面定位誤差。在采樣率不同的情況下，應盡量使兩者的采樣率接近。由于時間偏差會隨歷元數(shù)增加而逐漸積累，因此不管定位和測深采用何種采樣率，都需要定期及時進行定位和測深信號的對齊。這種誤差可通過對硬件進行同步配置或者作業(yè)時記錄參數(shù)、作業(yè)后進行數(shù)據(jù)后處理的方式進行減小和消除。

2.3 測量船橫/縱搖引起平面位置和測深誤差

由于測深儀安裝在測量船上，測量船受風浪影響將產生晃動。這種晃動可以分解為橫搖和縱搖兩種運動。橫搖和縱搖的中心與測量船的重心以及測深儀的安裝位置有關，測量船的晃動會給測深和定位帶來巨大影響，現(xiàn)在從平面和垂直兩個方向來分析這種誤差的影響。

在進行測深時，需要盡量選擇好的海況條件，將橫搖角控制在10°以內。如果海況惡劣，則必須要在測深的同時增加羅經(jīng)、姿態(tài)儀、涌浪補償儀等，只有利用姿態(tài)數(shù)據(jù)對測深數(shù)據(jù)進行實時或后處理，測深的精度才能滿足要求。

3 結語

海洋測深的主要工作載體是船舶，由于海水受風浪、海流以及潮汐等作用的影響，海面及船舶的運動必然是動態(tài)且無序，因此海洋測深的精度必然受到較大的影響。另一方面，為了降低成本，海洋測深時定位和測深必須同時進行，同時測深數(shù)據(jù)的精度直接依賴于定位數(shù)據(jù)質量，即使測深精度再高，測深的位置偏差將直接導致測深數(shù)據(jù)質量的下降，因此必須同時考慮定位和測深精度，才能保證海洋測深數(shù)據(jù)成果的有效。當前在各種航道和近岸水下工程中，單波束測深數(shù)據(jù)作為基礎的測量數(shù)據(jù)，其準確性和精度的要求越來越高。隨著GPS-RTK測量技術的發(fā)展，近年來出現(xiàn)了無驗潮GPS-RTK測深方法，由于該方法原理簡單，外業(yè)測量易于實施，因此受到了航道、海洋等工程單位的重視并逐步得到應用，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。該文結合航道測量規(guī)范，分別從定量和定性的角度分析了各種影響單波束測深儀定位和測深數(shù)據(jù)精度的因素，并給出了減小和降低這些誤差的操作措施和建議，希望能為測深外業(yè)工作的開展提供有益的參考和借鑒。

參考文獻

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