GNSS三維水道觀測中動態(tài)測高精度控制及分析

楊波 楊松 張振軍 王正洋

摘要：為實現(xiàn)水深測量數據的精度控制，基于GNSS三維水道觀測技術的原理，通過解析基于Hypack原始文件的GNSS動態(tài)定位信息數據，采取相關濾波算法，獲取了高精度動態(tài)測高數據，并進行了實例應用分析。選取荊江河段流市河彎段水深測量數據，對比分析了GNSS三維水道觀測的動態(tài)測高精度。結果表明，測量精度滿足GNSS三維水道觀測要求，值得推廣應用。

關鍵詞：動態(tài)測高;精度控制分析;Hypack原始文件;GNSS三維水道觀測;荊江河段

中圖法分類號：P332

文獻標志碼：A

文章編號：1006-0081（2020）12-0010-03

在傳統(tǒng)水深測量過程中，需在測區(qū)范圍內設置一定數量的潮位站，采用潮位、水下測點的空間坐標及時間插值方法，經過一系列潮位改正進而推算水下測點的測時水位。由于水深測量過程中受GNSS定位質量、潮位變化、涌浪、船姿態(tài)、水溫與鹽度等多種因素影響，導致影響水深測量數據精度的因素較多。GNSS三維水道觀測技術能夠消除動態(tài)吃水、涌浪、觀測潮位等誤差的影響，大大提高了水深測量的精度與效率，目前主要在海域、港口區(qū)域以及長江下游感潮河段應用研究較多，傳統(tǒng)水深測量逐步被內外業(yè)一體化的GNSS三維水道觀測技術所取代。因此，解析水深測量原始文件的GNSS動態(tài)定位信息數據，采取相關濾波算法，研究GNSS三維水道觀測中動態(tài)測高精度的控制及分析，對于水深測量數據的精度控制十分必要。

1GNSS三維水道觀測原理

GNSS三維水道觀測是利用GNSS動態(tài)測量技術、測深儀及其他附屬設備實測的數據，通過實時或事后聯(lián)合解算，計算出測深儀換能器聲學中心的三維位置，從而獲得水下測點的平面位置和高程。該方法也被稱作無驗潮測深、隨船一體化測深等。GNSS三維水道觀測的基本原理如圖1所示。

由圖1可以得到以下3個關系式：

式中，H為GNSS接收機天線相位中心的WGS84大地高;L為GNSS接收機天線相位中心到水面的高度;d為換能器到水面的距離（靜吃水）;T為船舶靜態(tài)水面到當地基準面的高度（水面高）;S為換能器到河道底邊界面的距離（測時水深）;ξ為當地基準面到WGS84橢球面的距離;h為當地基準面下的河底高程。以上各參數單位均為m。

由于d+L為固定值（鋼卷尺丈量），S為測時水深，若GNSS接收機實時采集到1985國家高程基準面下的正常高，便可實時測得1985國家高程基準的河底高程。因此，GNSS三維水道觀測技術的關鍵在于獲取準確高精度的GNSS天線相位中心正常高。

2動態(tài)測高精度控制方法

GNSS三維水道觀測技術的重點在于動態(tài)獲取GNSS接收機采集到某瞬時測點位置的下正常高。需運用GNSS差分定位技術，測得定位時刻天線的WGS84大地高，再根據測區(qū)的高程轉換模型（似大地水準面精化模型、七參數轉換模型、曲面擬合模型等）實現(xiàn)從大地高向正常高的轉換。因此，GNSS的定位質量、精度對最終計算成果的質量有著直接關系。

2.1大地高轉換模型的精度控制

GNSS動態(tài)獲取WGS84大地高，大地高向正常高進行高程轉換的模型可采用似大地水準面精化模型、七參數轉換模型或者曲面擬合模型。模型的擬合精度和效果取決于控制測量精度、擬合點的分布和范圍大小等因素，可采用內符合精度μ_內和外符合精度μ_外檢驗評價擬合精度。

2.2GNSS動態(tài)測高定位數據質量控制

目前，Hypack軟件可連接GNSS、測深儀、側掃聲納、羅經等不同設備，集成系統(tǒng)后進行水深測量數據的采集，存儲為RAW格式文件，其字段解釋見表1。

在實際應用中，GNSS接收機觀測數據難免會受到多種因素的影響，包括信號傳播環(huán)境的不確定性、衛(wèi)星及用戶設備的運行故障、水域環(huán)境以及操作人員不規(guī)范等，使得GNSS三維水道觀測中定位質量無法控制。解析GNSS接收機存儲定位信息的GGA數據格式（見表2），可在字段7中獲取水深測量過程中GNSS接收機的定位質量狀態(tài)，進而對采用GNSS動態(tài)測高方法進行質量控制。

2.3動態(tài)測高數據濾波

根據SL 257-2017《水道觀測規(guī)范》附錄A.3.6規(guī)定，GNSS三維水道觀測中GNSS數據更新率應不小于10Hz，即間隔0.1s存儲一行GGA數據，而GNSS三維水道觀測時所需的動態(tài)高為定位與測深同步時刻的GNSS接收機天線瞬時正常高。受水深測量過程中信號遮擋、干擾等影響，有時會存在較大的系統(tǒng)噪聲和量測噪聲，影響GNSS定位質量控制，進而導致某些測點并未獲取瞬時正常高，以及導致某些測點附近的動態(tài)測高數據存在一定數量的噪點。

因此，通過濾波算法去除動態(tài)測高過程中的部分噪點，可保留真實的GNSS接收機動態(tài)測高變化過程。開發(fā)動態(tài)測高數據濾波軟件界面見圖2。

3精度分析

評價GNSS三維水深測量動態(tài)測高的正確性及可靠性，一種有效和直觀的方式是在測區(qū)內布設合適的臨時潮位站，比較人工觀測進行潮位改正后水下測點的水面高與GNSS三維水道觀測動態(tài)獲取水面高差值，并進行統(tǒng)計分析。

選取荊江河段涴市河彎段作為試驗測區(qū)，河段長度約為17.2km，在該河段共布設20個臨時潮位站，按照單波束方法進行施測，共計施測56309個水深測點。采用潮位站推算的水深測點水面高與GNSS三維水道觀測計算水面高差值進行了統(tǒng)計，詳見表3和圖3。

結果表明：整個試驗河段，潮位站推算水面高與GNSS三維水道觀測計算水面高的差值為△，其中-0.1≤△≤0.1的測點占總測點數的99.6%，大于0.1的占總測點數的0.4%，完全滿足《水道觀測規(guī)范》附錄A中“互差小于或等于0.10m的點數占比對總點數的80%，互差小于或等于0.20m的點數占比對總點數的95%”的規(guī)定。

4結語

本文針對GNSS三維水道觀測技術中動態(tài)測高精度的質量控制方法，通過解析GNSS定位質量數據信息，控制動態(tài)測高質量，再應用數據平均誤差閾值法濾波水深測量定標時的漂點及空白點，保留真實的水面高數據。結合工程實踐在荊江河段涴市河彎段進行了對比驗證，結果表明該方法可滿足GNSS三維水道觀測的規(guī)定要求，可推廣應用。

（編輯：李曉濛）