GNSS PPK技術(shù)在疏浚與吹填工程測(cè)量中的應(yīng)用

李 煒，黃幼明

（中交華南勘察測(cè)繪科技有限公司，廣東 廣州 510220）

引 言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）在測(cè)繪行業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，定位需求從靜態(tài)發(fā)展到動(dòng)態(tài)，定位精度越來(lái)越高，定位技術(shù)越來(lái)越豐富，有SPS（偽距單點(diǎn)定位）、PPP（精密單點(diǎn)定位）、載波高精度定位（靜態(tài)）、DGNSS（偽距差分）、RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位）、NRTK（網(wǎng)絡(luò)RTK）和PPK（后處理動(dòng)態(tài)定位）等定位技術(shù)。不同的定位技術(shù)有不同的優(yōu)缺點(diǎn)、不同的適用范圍，比如：DGNSS無(wú)需載波相位觀(guān)測(cè)值，避免周跳、模糊度等復(fù)雜問(wèn)題，但定位精度較低（1～2 m）；靜態(tài)相對(duì)定位的精度較高，但外業(yè)觀(guān)測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜；RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位），精度相對(duì)較高（cm級(jí)），但需架設(shè)基站，精度受距離限制，且作業(yè)距離受無(wú)線(xiàn)電傳播的限制，一般小于20 km；NRTK（網(wǎng)絡(luò)RTK）無(wú)需架設(shè)基站，距離可拓寬50 km，精度與RTK相當(dāng)，但主要應(yīng)用在城市CORS網(wǎng)下。

在疏浚工程測(cè)量中，DGNSS、RTK、NRTK技術(shù)已廣泛應(yīng)用，但PPK（Post Processing Kinematic）技術(shù)僅用于潮位測(cè)量，應(yīng)用相對(duì)較少。PPK模式即后處理動(dòng)態(tài)測(cè)量模式，是GNSS測(cè)量作業(yè)的一種常用、成熟模式。PPK技術(shù)與RTK技術(shù)均屬于高精度動(dòng)態(tài)定位，但PPK技術(shù)不受無(wú)線(xiàn)電高波特率數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、抗干擾性及基準(zhǔn)站與流動(dòng)站的距離等因素的影響和限制，有效作用距離可以達(dá)到80 km，可以作為RTK技術(shù)的有效補(bǔ)充，具有很好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

1 基本原理

在GNSSPPK作業(yè)模式，采用一臺(tái)基準(zhǔn)站接收機(jī)和至少一臺(tái)流動(dòng)接收機(jī)同步觀(guān)測(cè)相同的衛(wèi)星，無(wú)需實(shí)時(shí)接收流動(dòng)站到基準(zhǔn)站之間的坐標(biāo)差分量，只需連續(xù)記錄基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的同步觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)；事后在計(jì)算機(jī)中利用GPS處理軟件進(jìn)行線(xiàn)性組合，形成虛擬的載波相位觀(guān)測(cè)量值，確定接收機(jī)之間厘米級(jí)高精度的相對(duì)位置；然后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到流動(dòng)站在地方坐標(biāo)系中精確的三維坐標(biāo)。

以Trimble R10為例，雙頻GNSS在PPK作業(yè)模式下，其平面和高程測(cè)量精度分別為：

M=±8 mm+1 ppm×D，

M=±15 mm+1 ppm×D

式中：D為基線(xiàn)長(zhǎng)度，單位為km。

在基線(xiàn)長(zhǎng)度小于30 km時(shí)，平面和高程精度優(yōu)于±5 cm，滿(mǎn)足疏浚工程控制測(cè)量、地形測(cè)量和吹填施工測(cè)量要求；在基線(xiàn)長(zhǎng)度小于80 km時(shí)，平面和高程精度均優(yōu)于±10 cm，滿(mǎn)足疏浚工程水深測(cè)量要求。

2 GNSS PPK在疏浚工程中的應(yīng)用

2.1 控制測(cè)量

1）存在問(wèn)題

在疏浚工程開(kāi)工前，需要對(duì)控制點(diǎn)資料進(jìn)行平面精度驗(yàn)證和求取WGS-84坐標(biāo)與當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。以湄洲灣深水航道三期工程為例，4個(gè)控制點(diǎn)分別位于湄洲灣兩岸，兩點(diǎn)間距約 6～13 km。首先采用4臺(tái)套GNSS進(jìn)行靜態(tài)相對(duì)觀(guān)測(cè)，通過(guò)對(duì)采集的GNSS靜態(tài)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線(xiàn)處理、無(wú)約束平差和約束平差。經(jīng)驗(yàn)證，業(yè)主提供的4個(gè)控制點(diǎn)均無(wú)顯著變化。然后采用經(jīng)無(wú)約束平差得到的各控制點(diǎn) WGS84坐標(biāo)和已知的 1954年北京坐標(biāo)，求取WGS-84坐標(biāo)和1954年北京坐標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。為驗(yàn)證求取的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的正確性，須選擇在其中一個(gè)控制點(diǎn)架設(shè)基準(zhǔn)站，RTK流動(dòng)站分別采集其他控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)分析。但由于RTK配備的PDL電臺(tái)老化、基準(zhǔn)站架設(shè)的周邊環(huán)境影響等原因，距離基準(zhǔn)站最近的控制點(diǎn)僅6 km，卻未能收到基準(zhǔn)站播發(fā)的無(wú)線(xiàn)電差分信號(hào)。

2）應(yīng)用原理

采用 GNSSPPK作業(yè)模式在控制點(diǎn)架設(shè)基準(zhǔn)站，流動(dòng)站分別架設(shè)于其他控制點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在后處理時(shí)，建立當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)，輸入通過(guò)GNSS靜態(tài)相對(duì)觀(guān)測(cè)求取的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，并在當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)下進(jìn)行約束平差可以獲得流動(dòng)站采集的控制點(diǎn)坐標(biāo)。整個(gè)作業(yè)過(guò)程無(wú)需實(shí)時(shí)接收差分?jǐn)?shù)據(jù)，成功避免并解決無(wú)線(xiàn)電傳播的問(wèn)題。

3）應(yīng)用情況

架設(shè)基準(zhǔn)站時(shí)與 RTK類(lèi)似，不同的是測(cè)量類(lèi)型應(yīng)為“FastStatic”，記錄間隔宜為1 s。考慮控制測(cè)量要求精度相對(duì)較高，流動(dòng)站采用快速對(duì)中腳架進(jìn)行對(duì)中，測(cè)量類(lèi)型應(yīng)為“后處理動(dòng)態(tài)測(cè)量”，連續(xù)觀(guān)測(cè)300歷元。經(jīng)驗(yàn)證，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)可用，順利完成湄洲灣三期工程控制網(wǎng)點(diǎn)驗(yàn)證工作。

若在面積較大、地貌比較復(fù)雜的地區(qū)，需不停地移動(dòng)中繼站或搬遷基準(zhǔn)站，作業(yè)效率較低；在機(jī)場(chǎng)等無(wú)線(xiàn)電限制區(qū)域，禁止使用 RTK無(wú)線(xiàn)電，進(jìn)行地形測(cè)量不得不采用全站儀等常規(guī)作業(yè)手段，作業(yè)效率低。而GNSS PPK作業(yè)模式，不受無(wú)電傳輸距離限制，作業(yè)距離較遠(yuǎn)，可以在面積較大、地貌復(fù)雜的地區(qū)和無(wú)線(xiàn)電限制區(qū)域進(jìn)行地形測(cè)量。

2.2 攝影測(cè)量

1）存在問(wèn)題

無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量作業(yè)效率高，在陸域地形測(cè)量中得以廣泛應(yīng)用。隨著DGPS輔助航空攝影測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，大量減少了空中三角測(cè)量中地面像片控制點(diǎn)的布設(shè)，但高程測(cè)量精度仍無(wú)法滿(mǎn)足吹填區(qū)地形測(cè)量的精度要求。

2）應(yīng)用原理

搭載可進(jìn)行PPK的高精度GNSS接收機(jī)和慣導(dǎo)系統(tǒng)IMU（Inertial measurement unit）的無(wú)人機(jī)，在航空攝影測(cè)量時(shí)，用GNSS記錄相機(jī)曝光時(shí)刻航攝儀物鏡中心的位置，IMU記錄航攝儀的姿態(tài)參數(shù)。GNSS采用PPK作業(yè)模式，經(jīng)后處理可獲得每張像片對(duì)應(yīng)航攝儀的精確位置，與 IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理，可直接獲得每張像片的六個(gè)外方位元素，建立各張航片的相對(duì)位置關(guān)系，大量減少地面控制點(diǎn)布設(shè)的數(shù)量，甚至無(wú)需地面控制點(diǎn)。

3）應(yīng)用情況

采用配備GNSS接收機(jī)和IMU的Trimble UX5 HP無(wú)人機(jī)在廣州港南沙某吹填區(qū)域進(jìn)行攝影測(cè)量，GNSS采樣頻率采用20 Hz，單個(gè)航次（30分鐘）完成0.7 km2吹填區(qū)地形測(cè)量。吹填區(qū)地勢(shì)相對(duì)平坦，本次作業(yè)布設(shè)地面像片控制點(diǎn)一個(gè)。為分析其精度，作業(yè)前在吹填區(qū)設(shè)置了 20處明顯標(biāo)志，便于在像片中精確識(shí)別，并采用激光掃描全站儀，對(duì)設(shè)置標(biāo)志實(shí)測(cè)平面坐標(biāo)和高程坐標(biāo)，比對(duì)情況見(jiàn)表1?？梢钥闯觯罕緶y(cè)區(qū)檢測(cè)點(diǎn)平面點(diǎn)位誤差最小值為 0.013 m，最大值為 0.055 m，點(diǎn)位中誤差為±0.038 m；檢測(cè)點(diǎn)高程誤差最小值為0.006 m，最大值為0.062 m，高程中誤差為±0.029 m，滿(mǎn)足疏浚與吹填工程1:500大比例尺地形測(cè)量和吹填施工測(cè)量的精度要求。

表1 攝影測(cè)量與激光掃描全站儀測(cè)量成果比較 /m

2013年臺(tái)山某測(cè)量項(xiàng)目使用GPS單點(diǎn)定位進(jìn)行攝影測(cè)量，點(diǎn)位中誤差為 0.5 m，高程中誤差為0.3 m。而此次試驗(yàn)采用GNSS PPK技術(shù)進(jìn)行攝影測(cè)量，極大地提高了平面及高程精度，主要原因有：對(duì)于高速飛行器，GNSS采樣頻率采用20 Hz，經(jīng)后處理可以直接精確獲取每張像片的空間位置，而常規(guī)GPS輔助攝影測(cè)量中DGPS精度低、RTK采樣頻率為1 Hz；本次測(cè)量面積小，測(cè)區(qū)地形相對(duì)平坦；配備了3 600萬(wàn)像素的全景相機(jī)，獲取的影像可達(dá)到1 cm精度的分辨率；專(zhuān)業(yè)的無(wú)人機(jī)影像后處理軟件具有基線(xiàn)解算功能，可以全自動(dòng)匹配連接點(diǎn)、自動(dòng)空三測(cè)量，功能強(qiáng)大，解算精度高。在今后的應(yīng)用過(guò)程中將繼續(xù)研究并驗(yàn)證其精度的穩(wěn)定性。

2.3 三維水深測(cè)量

1）存在問(wèn)題

對(duì)于沿海長(zhǎng)航道水深測(cè)量，測(cè)區(qū)超出岸邊水位站有效控制范圍，需在海上設(shè)立臨時(shí)水位站（修建驗(yàn)潮站、拋壓力式驗(yàn)潮儀）、潮位推算，或直接進(jìn)行GPS RTK三維水深測(cè)量。但上述方法均存在一些難以克服的缺點(diǎn)，影響其在沿海長(zhǎng)航道水深測(cè)量的適用性。

2）應(yīng)用原理

GNSS PPK三維水深測(cè)量基于海洋測(cè)繪軟件HYPACK 2014進(jìn)行，在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中采用GNSS PPK進(jìn)行導(dǎo)航定位，存儲(chǔ)單點(diǎn)定位的平面數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)，在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)采用經(jīng)后處理的精確三維坐標(biāo)逐一替換原始數(shù)據(jù)中的單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)，達(dá)到精確定位和水位改正，從而不需要建立水位站進(jìn)行驗(yàn)潮。

3）應(yīng)用情況

在廣州港南沙港池進(jìn)行GNSS PPK三維水深測(cè)量，并與廣東省海測(cè)大隊(duì)的水深測(cè)量圖進(jìn)行水深重合比對(duì)分析。測(cè)區(qū)水深小于20 m，在不同作業(yè)組、不同測(cè)量日期重復(fù)測(cè)深線(xiàn)的重合處，比對(duì)互差小于等于0.4 m占97.8 %，證明GNSS PPK三維水深測(cè)量符合我國(guó)現(xiàn)行《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》有關(guān)要求，可以有效解決沿海長(zhǎng)航道水深測(cè)量問(wèn)題。

圖1 外符合精度分析

在GNSS PPK三維水深測(cè)量中，無(wú)需對(duì)水位進(jìn)行擬合，而是進(jìn)行實(shí)時(shí)水位改正，避免了水位曲線(xiàn)擬合所引起的誤差；且GNSS PPK實(shí)時(shí)水位包含了涌浪造成的測(cè)量船升沉量的改正，進(jìn)一步有效提高了水深測(cè)量精度。

2.4 海上高程異常測(cè)定

1）存在問(wèn)題

GNSS測(cè)量獲得的高程成果是基于WGS-84參考橢球的大地高，而我國(guó)法定高程系統(tǒng)為以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的正常高，兩者存在的差異即為高程異常。在離岸一定距離的海上或島礁，在使用GNSS進(jìn)行高程測(cè)量或精化區(qū)域似大地水準(zhǔn)面時(shí)，須精確測(cè)定高程異常值。在陸地，會(huì)與國(guó)家大地控制進(jìn)行GNSS靜態(tài)相對(duì)觀(guān)測(cè)和水準(zhǔn)測(cè)量分別獲取控制點(diǎn)的大地高和正常高；而在海上或島礁，無(wú)法與國(guó)家大地控制網(wǎng)進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)。

2）應(yīng)用原理

大地測(cè)量學(xué)假定平均海面為大地水準(zhǔn)面，因此各地的多年平均海面，其高程應(yīng)該是相等的。但由于短期擾動(dòng)的影響，各地多年平均海面的高程存在差異，但差異是微小的，一般在每100 km范圍內(nèi)平均僅為10 mm，優(yōu)于國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求。采用同步期平均海面法傳遞高程，兩水位站距離72 km時(shí)，大潮期間同步觀(guān)測(cè)3天，計(jì)算的高差最大差值小于0.05 m。所以，可以認(rèn)為在相距50 km以?xún)?nèi)的沿岸和海上分別設(shè)立陸地水位站和海上臨時(shí)水位站，在大潮期間同步觀(guān)測(cè)3天或7天以上，分別計(jì)算的臨時(shí)平均海水面（逐時(shí)潮位的平均值）相等。

而海上臨時(shí)水位站觀(guān)測(cè)采用GNSS PPK作業(yè)，若不考慮高程異常影響，在大潮期間同步觀(guān)測(cè)3天或7天以上的兩個(gè)臨時(shí)平均海水面應(yīng)一致。反之，若兩個(gè)臨時(shí)平均海水面不一致，則是基準(zhǔn)站與流動(dòng)站的高程異常不同所致。根據(jù)高程異常的定義，似大地水準(zhǔn)面到參考橢球面的距離，計(jì)算公式為：高程異常=大地高-正常高。陸地水位站觀(guān)測(cè)水位屬于正常高，GNSS PPK獲得的水位（高程數(shù)據(jù)未經(jīng)高程異常改正）屬于大地高，所以海上臨時(shí)水位站所處位置的高程異常等于GNSS PPK所測(cè)水位的平均值減去陸地水位站觀(guān)測(cè)水位的平均值。

3）應(yīng)用情況

在港珠澳大橋工程中，在測(cè)區(qū)挖泥船“金雄”上安裝GNSS接收機(jī)，設(shè)置海上臨時(shí)水位站，陸地水位站采用香港天文臺(tái)公開(kāi)發(fā)布的香港赤鱲角水位。分別于2012年11月10日至12日，2014年5月14日至17日進(jìn)行了兩次同步觀(guān)測(cè)，所求得的高程異常僅相差0.4 mm，說(shuō)明采用GNSS PPK進(jìn)行同步驗(yàn)潮測(cè)定海上高程異常的方法可靠。

3 結(jié) 論

1）GNSS PPK技術(shù)不受無(wú)限電傳播距離限制，有效作用距離較遠(yuǎn)，精度較高。采用GNSS PPK技術(shù)不僅解決了遠(yuǎn)距離 RTK無(wú)法完成控制網(wǎng)點(diǎn)驗(yàn)證的問(wèn)題，還可以應(yīng)用于面積較大、地貌復(fù)雜的地區(qū)和無(wú)線(xiàn)電限制區(qū)域進(jìn)行地形測(cè)量。

2）采用GNSS PPK技術(shù)解決了常規(guī)攝影測(cè)量精度相對(duì)較低、不能滿(mǎn)足疏浚與吹填工程中大比例尺測(cè)圖精度要求的問(wèn)題，不僅提高了平面精度和高程精度，而且大量減少了地面像片控制點(diǎn)的布設(shè)。

3）采用GNSS PPK技術(shù)解決了遠(yuǎn)距離水深測(cè)量水位控制和精度保證的問(wèn)題，成功應(yīng)用于三維水深測(cè)量，還解決了海上高程異常測(cè)定的難題。在今后的疏浚與吹填工程測(cè)量中具有廣闊的應(yīng)用前景。