應(yīng)用PPP技術(shù)確定海外水運(yùn)工程高程起算面

趙 磊,孫洪瑞

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200038)

隨著中國(guó)“一帶一路”倡議的推進(jìn)，海外水運(yùn)工程項(xiàng)目日益增加。由于一些國(guó)家的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)水平較低，沒(méi)有完善的大地控制網(wǎng)，平面控制點(diǎn)和高程控制點(diǎn)資料稀少，甚至個(gè)別國(guó)家連國(guó)家控制網(wǎng)都沒(méi)有。此外，一些擬建地區(qū)地質(zhì)穩(wěn)定性較差，比如西非海岸以沙灘為主，南亞地區(qū)有大面積的沖積平原，南太平洋島國(guó)經(jīng)常發(fā)生火山爆發(fā)、地震等情況，造成建成的控制點(diǎn)經(jīng)常發(fā)生沉降位移，給工程測(cè)量控制網(wǎng)的建立和后期維護(hù)帶來(lái)很大的困難，而且項(xiàng)目建設(shè)設(shè)計(jì)與建設(shè)周期較長(zhǎng)，前后期高程基準(zhǔn)的統(tǒng)一問(wèn)題亟待解決。

1 工程控制網(wǎng)布設(shè)現(xiàn)狀

1.1 有官方控制點(diǎn)的情況

以收集到的官方控制點(diǎn)為起算點(diǎn)，與項(xiàng)目新布設(shè)的工程控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，獲取工程平面和高程數(shù)據(jù)。

1.2 無(wú)官方控制點(diǎn)的情況

平面控制點(diǎn)采用獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，以GPS單點(diǎn)定位坐標(biāo)起算，利用GPS同步觀(guān)測(cè)，建立工程控制網(wǎng)，然后以WGS-84橢球?yàn)閰⒖济孢M(jìn)行高斯投影，中央子午線(xiàn)根據(jù)工程位置進(jìn)行選擇，建立平面坐標(biāo)系統(tǒng)。高程是通過(guò)工程所在海域設(shè)立臨時(shí)潮位站，通過(guò)30 d潮位數(shù)據(jù)計(jì)算出平均海平面，按三等水準(zhǔn)精度把臨時(shí)潮位站高程與各GPS控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)。

1.3 存在的問(wèn)題

工程區(qū)域的平面和高程坐標(biāo)完全依賴(lài)于測(cè)量控制點(diǎn)而存在，一旦布設(shè)的控制點(diǎn)被毀損或發(fā)生沉降位移，這些重要的測(cè)繪資料將不復(fù)存在,后期使用很難重現(xiàn)或恢復(fù)。

平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)還有可能通過(guò)重復(fù)GPS測(cè)量重新建立起來(lái)，高程數(shù)據(jù)將不可能復(fù)現(xiàn)，因?yàn)槎唐谂R時(shí)潮位站測(cè)得的月平均海平面并不穩(wěn)定，會(huì)隨時(shí)間變化而變化。圖1a)、b)分別顯示2017、2018年我國(guó)東海和南海月平均海平面與常年同期月平均海平面變化情況[1]。

圖1 東海、南海沿海月平均海平面變化

2 高程起算基面的確定

隨著GPS單點(diǎn)精密定位技術(shù)的出現(xiàn)，通過(guò)GPS測(cè)量能提供地面點(diǎn)精確的三維坐標(biāo)值,其高程數(shù)據(jù)依據(jù)地球橢球面，稱(chēng)之為大地高程；而海外工程偏遠(yuǎn)地區(qū)使用的高程數(shù)據(jù)，來(lái)源于前期水文測(cè)量人員建立的臨時(shí)潮位站一個(gè)月的平均海平面測(cè)量數(shù)據(jù)。為充分利用GPS所提供的大地高程數(shù)據(jù)，將工程上使用的高程數(shù)據(jù)與GPS所提供的大地高數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)是使工程上使用的平均海平面數(shù)據(jù)得以長(zhǎng)久保存的關(guān)鍵方法。

2.1 精密單點(diǎn)定位的定義

精密單點(diǎn)定位是利用國(guó)際GPS地球動(dòng)力服務(wù)局(IGS)提供的精密星歷和精密鐘差對(duì)單臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)所采集的相位及偽距觀(guān)測(cè)值進(jìn)行定位解算，獲得高精度控制點(diǎn)的ITRF坐標(biāo)的定位方法,簡(jiǎn)稱(chēng)PPP。

2.2 精密單點(diǎn)定位的基本原理

GPS精密單點(diǎn)定位一般是采用單臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)采集的載波相位觀(guān)測(cè)值,利用IGS提供的精密星歷(事后精密星歷或快速精密星歷)和鐘差進(jìn)行的高精度定位。

精密單點(diǎn)定位計(jì)算的主要過(guò)程包括預(yù)處理觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)、精密星歷和精密衛(wèi)星鐘差擬合成軌道多項(xiàng)式、各項(xiàng)誤差的模型改正及參數(shù)估計(jì)等。

2.3 精密單點(diǎn)定位中的坐標(biāo)框架

精密單點(diǎn)定位采用IGS精密星歷，所以精密單點(diǎn)定位解算出的坐標(biāo)與所使用的IGS精密星歷的坐標(biāo)框架(ITRF系列)一致，與常用的WCS-84坐標(biāo)系統(tǒng)有差異，這是因?yàn)镮GS精密星歷與GPS廣播星歷所對(duì)應(yīng)的參考框架不同。另外，不同時(shí)期IGS精密星歷所使用的ITRF也不同，所以在進(jìn)行精密單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要明確所用精密星歷對(duì)應(yīng)的參考框架和歷元，并通過(guò)框架和歷元的轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行統(tǒng)一。坐標(biāo)計(jì)算框架見(jiàn)圖2。

圖2 坐標(biāo)計(jì)算框架

2.4 解算軟件及解算精度分析

2.4.1解算軟件

可為用戶(hù)提供免費(fèi)在線(xiàn)服務(wù)的解算軟件主要包括加拿大的CSRS-PPP、GAPS-PPP和美國(guó)的 APPS-PPP等軟件。

2.4.2解算精度

夏朋飛等[2]通過(guò)處理多個(gè)IGS跟蹤站的數(shù)據(jù)對(duì)這3種精密單點(diǎn)定位軟件進(jìn)行了精度評(píng)估，其精度結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 3種軟件計(jì)算的中誤差 cm

注：E為東向，N為北向，U為垂直方向。

徐永斌[3]于2011年用BJFS IGS站的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)APPS和CSRS兩種在線(xiàn)軟件解算結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果與BJFS IGS的真值進(jìn)行比較，其精度結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 2種軟件計(jì)算的中誤差 cm

可見(jiàn)，在線(xiàn)精密單點(diǎn)定位解算軟件的解算精度可以滿(mǎn)足工程建設(shè)需要。

2.5 高程基準(zhǔn)

2.5.1高程系統(tǒng)

在測(cè)量中常用的高程系統(tǒng)有大地高系統(tǒng)、正高系統(tǒng)和正常高系統(tǒng)[4-5]。

1)大地高系統(tǒng)是以地球橢球面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)。大地高的定義是：由地面點(diǎn)沿通過(guò)該點(diǎn)的橢球面法線(xiàn)到橢球面的距離。大地高也稱(chēng)為橢球高,一般用符號(hào)H表示。利用GPS單點(diǎn)精密定位技術(shù)可以直接測(cè)定觀(guān)測(cè)站在ITRF中的大地高。

2)正高系統(tǒng)是以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)。正高的定義是：由地面點(diǎn)沿通過(guò)該點(diǎn)的鉛垂線(xiàn)至大地水準(zhǔn)面的距離。正高用符號(hào)Hg表示。

3)正常高系統(tǒng)是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的高程系統(tǒng)。正常高的定義是：由地面點(diǎn)沿通過(guò)該點(diǎn)的鉛垂線(xiàn)至似大地水準(zhǔn)面的距離,正常高用Hγ表示。

2.5.2平均海平面

水運(yùn)工程上經(jīng)常使用的平均海平面是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的高程系統(tǒng)，平均海平面與大地高的差值可以視為大地異常，記為ζ。大地高與平均海平面之間的關(guān)系式：

H=Hγ+ζ

(1)

式中：H為平均海平面，Hγ為正常高，ζ為大地異常。

2.6 海外水運(yùn)工程高程基準(zhǔn)的確定

在沒(méi)有長(zhǎng)期資料的海外國(guó)家主要通過(guò)潮位觀(guān)測(cè)確立高程基準(zhǔn)面，潮位站的基本水準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)應(yīng)利于點(diǎn)位長(zhǎng)期保存和水尺零點(diǎn)聯(lián)測(cè)。根據(jù)公式(1)可以得到當(dāng)?shù)氐拇蟮禺惓Ｖ郸?，從而將平均海平面歸算至ITRF下的大地高。

我國(guó)水運(yùn)工程統(tǒng)一采用理論最低潮面為深度基準(zhǔn)面。由于初勘階段時(shí)間有限，潮位觀(guān)測(cè)一般以1個(gè)月為主，推算出當(dāng)?shù)卦缕骄Ｆ矫?。再利?個(gè)月的潮位數(shù)據(jù)，通過(guò)最小二乘法進(jìn)行準(zhǔn)調(diào)和分析，得到11個(gè)調(diào)和常數(shù)，利用這11個(gè)參數(shù)可以初步計(jì)算理論最低潮面，供設(shè)計(jì)人員進(jìn)行參考使用。缺少的2 個(gè)長(zhǎng)周期分潮Sa和SSa待日后進(jìn)行1 a以上潮位觀(guān)測(cè)獲取。

3 工程實(shí)例

3.1 巴布亞新幾內(nèi)亞科考瑞深水港可行性研究項(xiàng)目GPS測(cè)量

在巴布亞新幾內(nèi)亞科考瑞深水港可行性研究項(xiàng)目中，利用CSRS-PPP在線(xiàn)服務(wù)，對(duì)G002、G004點(diǎn)進(jìn)行了精密單點(diǎn)定位計(jì)算。

G002控制點(diǎn)在2019年5月5日使用雙頻GPS接收機(jī)靜態(tài)觀(guān)測(cè)了4 h21 min,其解算結(jié)果和精度指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 G002控制點(diǎn)三維坐標(biāo) ITRF14(2019)

G004控制點(diǎn)在2019年5月3日使用雙頻GPS接收機(jī)靜態(tài)觀(guān)測(cè)了6 h25 min,其解算結(jié)果和精度指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 G004控制點(diǎn)三維坐標(biāo) ITRF14(2019)

從表3和表4可知，平面和高程的解算精度均在5 cm以?xún)?nèi)，成果精度均滿(mǎn)足測(cè)量規(guī)范要求。

3.2 潮位觀(guān)測(cè)

巴布亞新幾內(nèi)亞科考瑞深水港可行性研究項(xiàng)目中在河口處建立了T1潮位站，潮位觀(guān)測(cè)為期1個(gè)月，臨時(shí)水尺高程按三等水準(zhǔn)精度與水準(zhǔn)點(diǎn)G004接測(cè)。潮位觀(guān)測(cè)采用自容式小型驗(yàn)潮儀，采用當(dāng)?shù)貢r(shí)間(東十區(qū))，高程系統(tǒng)為ITRF14(2019)大地高為基準(zhǔn)，每10 min記錄1次，提供整點(diǎn)潮位資料，其整點(diǎn)潮位觀(guān)測(cè)曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖3 巴布亞新幾內(nèi)亞科考瑞深水港一個(gè)月連續(xù)潮位觀(guān)測(cè)曲線(xiàn)

3.3 高程起算基面確定

在水準(zhǔn)點(diǎn)G004上架設(shè)單臺(tái)雙頻GPS 接收機(jī)，連續(xù)觀(guān)測(cè)6 h,利用PPP技術(shù)得到ITRF下三維絕對(duì)坐標(biāo)，其平面精度為2～3 cm,高程精度為2～4 cm。建立在ITRF下的平均海平面、理論最低潮面以及水尺零點(diǎn)高程相互關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 單點(diǎn)精密定位與潮位觀(guān)測(cè)聯(lián)測(cè)

通過(guò)分析臨時(shí)潮位站的1個(gè)月連續(xù)觀(guān)測(cè)潮位，可以計(jì)算出11個(gè)調(diào)和常數(shù)[6](表5)。

進(jìn)一步推算出T1臨時(shí)潮位站在ITRF下的各基面換算關(guān)系(圖5)，從而為本項(xiàng)目建立了完整的高程起算面。

表5 主要分潮調(diào)和常數(shù)

圖5 巴新T1臨時(shí)潮位站基面關(guān)系(單位： m)

4 結(jié)論

1)通過(guò)利用在線(xiàn)PPP服務(wù)，可以獲得厘米級(jí)的坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)，為缺乏起算資料的地區(qū)建立平高控制網(wǎng)提供便利。

2)提出一種解決海外水運(yùn)工程高程起算面的方法，將高程控制網(wǎng)建立在ITRF下，解決了海外水運(yùn)工程前后期高程基準(zhǔn)的統(tǒng)一和復(fù)現(xiàn)問(wèn)題。

3)在小范圍內(nèi)，利用精密單點(diǎn)定位技術(shù)測(cè)定的三維坐標(biāo)，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量，節(jié)約大量的人力物力。