魏榮灝,陳佳兵,徐 達(dá)
(1.浙江省水利河口研究院(浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計研究院),浙江 杭州310020;2.浙江省河口海岸重點實驗室,浙江 杭州 310020)
水下地形測量的主要任務(wù)是確定水下起伏形態(tài),主要內(nèi)容包括測深和定位。測深主要采用聲吶進(jìn)行,定位方式主要有光學(xué)定位和無線電定位。最早采用六分儀、經(jīng)緯儀或全站儀等設(shè)備通過天文定位或者光學(xué)定位的方法確定平面坐標(biāo),采用潮位觀測的方式進(jìn)行驗潮。隨著無線電定位技術(shù)的發(fā)展,基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)的空基定位技術(shù)成為水下測量作業(yè)的主要定位手段,而實時動態(tài)載波相位差分(Real Time Kinematic,RTK)技術(shù)因其可實時提供高精度三維坐標(biāo)的特點使得無驗潮水下地形測量得到了廣泛應(yīng)用。但是,RTK技術(shù)需要通過無線電等方式建立實時數(shù)據(jù)鏈接以傳輸載波相位差分?jǐn)?shù)據(jù),在實際測量作業(yè)中,由于環(huán)境的限制,通訊信號容易發(fā)生波動乃至丟失,造成差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈接失效,進(jìn)而導(dǎo)致定位精度嚴(yán)重衰減而無法滿足相關(guān)作業(yè)規(guī)范[1]要求,而無需實時數(shù)據(jù)鏈接的GNSS載波相位后處理(Post Processing Kinematic,PPK)技術(shù)可較好地解決該問題。該技術(shù)可望在海洋工程建設(shè)、水利工程建設(shè)、港口航道建設(shè)等方面發(fā)揮重要作用。
基于PPK技術(shù)獲取高精度三維坐標(biāo)是當(dāng)前的研究熱點之一,國外在此方面的工作較少,而國內(nèi)已經(jīng)開展了較多研究:汪連賀[2]聯(lián)合全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)的定位信息和慣性測量單元(Inertial Measurement Unit,IMU)姿態(tài)信息獲取了瞬時水面高程數(shù)據(jù),并在煙臺港進(jìn)行了工程試驗,結(jié)果表明,驗潮距離高達(dá)98 km時,驗潮精度仍優(yōu)于10 cm;趙建虎等[3]基于GPS事后動態(tài)處理技術(shù)開展了遠(yuǎn)距離高精度潮位觀測,對垂直基準(zhǔn)面轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行了研究,并取得了在100 km范圍內(nèi)的基線距離上,潮位精度優(yōu)于10 cm的成果;王朝陽等[4]研究了基于PPK和精密單點定位技術(shù)(Precise Point Positioning,PPP)的遠(yuǎn)距離GNSS潮位測量影響因素,研究結(jié)果表明,扼流圈天線可提高觀測質(zhì)量,且PPP模式下潮位測量精度優(yōu)于10 cm;杜銳[5]在遠(yuǎn)海區(qū)域以GPS PPK技術(shù)進(jìn)行了水面高程傳遞的測試工作,結(jié)果表明,該技術(shù)定位精度可滿足工程需求;王長永等[6]將GPS PPK技術(shù)應(yīng)用于長江口的水深測量工作中,獲得了比傳統(tǒng)驗潮方法更高的作業(yè)效率和精度;葉偉等[7]在水庫水下地形測量中對PPK技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用,較好地解決了山區(qū)通訊信號遮擋與控制點距離較遠(yuǎn)導(dǎo)致RTK作業(yè)無法進(jìn)行的問題;劉勝震等[8]在呼倫湖中進(jìn)行了PPK技術(shù)的實際應(yīng)用,結(jié)果表明,該技術(shù)在對大面積水域進(jìn)行水下地形測量時,定位精度可達(dá)厘米級。Marcelo Santos等[9]研究了海洋環(huán)境中PPK算法的解算策略,提出了一種新的天氣延遲模型并改進(jìn)了解算精度。Jae Young Roh等[10]使用PPK技術(shù)處理GNSS浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù),結(jié)果表明,浮標(biāo)觀測水位與驗潮站觀測水位之差小于±2 cm。
目前,國內(nèi)相關(guān)研究主要基于GPS進(jìn)行,缺少對不同GNSS系統(tǒng)及其組合解算策略的精度評估。此外,針對入??诘群Q蟓h(huán)境的PPK解算精度和穩(wěn)定性的驗證工作也較少,同時國內(nèi)PPK技術(shù)的研究應(yīng)用領(lǐng)域主要集中于內(nèi)陸水域,在近海岸特別是杭州灣等強(qiáng)潮河口的應(yīng)用研究較為少見。為此,本文首先采用不同的GNSS PPK解算策略,對靜態(tài)比測進(jìn)行精度和穩(wěn)定性驗證工作,然后使用多GNSS聯(lián)合解算方法進(jìn)行了動態(tài)比測。比測結(jié)果表明,基于不同GNSS系統(tǒng)及其組合的PPK技術(shù)的定位精度能滿足實際工作需要。最后,在杭州灣涌潮河口的大橋航道監(jiān)測工作中進(jìn)行了推廣應(yīng)用,實例結(jié)果表明,該技術(shù)可為水下地形測量提供技術(shù)支撐。
PPK無驗潮技術(shù)主要由兩部分組成,第一部分是采用載波相位技術(shù)獲取高精度的三維坐標(biāo)成果,第二部分是采用相關(guān)的高程轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)潮位控制。
載波相位差分技術(shù)的原理是利用GNSS觀測誤差在時間和空間上的強(qiáng)相關(guān)特性,通過對基準(zhǔn)站和流動站的原始載波相位觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行雙差計算,消除接收機(jī)和衛(wèi)星時鐘的偏差、衛(wèi)星誤差以及大部分的電離層、對流層延遲的影響,達(dá)到厘米級的定位精度[11]。
研究者可以從至少兩個相隔某一固定距離(稱為基線)的GNSS接收機(jī)中獲得相似的測量值組合,將從兩個接收機(jī)得到的相似的測量值形成線性組合(差分),就有可能消除兩個接收機(jī)共有的誤差,這樣的一個組合稱為單差。對來自同一顆衛(wèi)星的兩個單差測量值進(jìn)行求差,就可以得到雙差。利用雙差技術(shù)處理載波相位觀測值,就可以消除大部分的誤差源[12]。通過單差消去了衛(wèi)星星歷誤差、發(fā)射信號的相位和時鐘偏差,如果接收機(jī)同緯度且相距較近(基線小于50 km),電離層和對流層的大部分誤差也消除了。形成雙差后,接收機(jī)時鐘偏差被消去了,僅剩下相位項、整數(shù)項和系統(tǒng)相位噪聲項。
PPK技術(shù)可通過后處理得到厘米級的測點三維坐標(biāo),高程數(shù)據(jù)一般是CGCS2000(China Geodetic Coordinate System 2000)的大地高數(shù)據(jù),處理時需要將大地高轉(zhuǎn)換至目標(biāo)基準(zhǔn)的高程數(shù)據(jù),如85高程基準(zhǔn),其原理如圖1所示。
圖1 PPK無驗潮測量原理
水底相對于目標(biāo)基面的高程可表示為:
式中:H為海底到目標(biāo)基面距離;H水深為經(jīng)過天線高改正和吃水改正之后的水深測量值;H大地為該點到大地水準(zhǔn)面的距離;ξ為高程異常值。問題的關(guān)鍵在于獲取準(zhǔn)確的高程異常數(shù)據(jù)。在小范圍的測量中可采用七參數(shù)來進(jìn)行高程轉(zhuǎn)換,大范圍則可以使用區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化進(jìn)行[13]。
為了驗證PPK在水上作業(yè)的穩(wěn)定性和可靠性,有必要對PPK解算結(jié)果的精度、可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行分析。但水上作業(yè)時測點是在不斷運動的過程中獲取的,無法像陸地作業(yè)時長時間多次重復(fù)測量得到多組數(shù)據(jù)進(jìn)行平差,因此首先在陸地上選取已知高等級控制點,按照水上作業(yè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)置進(jìn)行靜態(tài)比測,對PPK解算結(jié)果的精度、可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行評估,然后采用同一GNSS天線,由兩臺同型號GNSS接收機(jī)在船舶上分別進(jìn)行RTK和PPK觀測,假定RTK結(jié)果為真值,根據(jù)時間戳匹配的方式比較RTK與PPK解算結(jié)果的偏差。
本文采用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)包括全球定位系統(tǒng)、格 洛 納 斯(Global Navigation Satellite System,GLONASS)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)、伽利略衛(wèi)星導(dǎo) 航 系 統(tǒng)(Galileo Satellite Navigation System,Galileo)和準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(Quasi-Zenith Satellite System,QZSS)。
驗證時選取了5個控制點同時進(jìn)行觀測,選取其中一個控制點架設(shè)GNSS流動站,其他4個控制點作為基準(zhǔn)站,與其距離約為5 km、10 km、15 km和20 km。根據(jù)常規(guī)作業(yè)配置,一般在基準(zhǔn)站和遠(yuǎn)距離移動作業(yè)時選用大地型GNSS接收機(jī),其他則使用普通GNSS接收機(jī)。因此,在流動站和距離流動站20 km的兩個觀測點位采用Trimble R9S大地型GNSS接收機(jī),并采用Zephyr Model 2 Geodetic型衛(wèi)星天線進(jìn)行觀測,其他點位采用Trimble R8S型接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)比測。所有的GNSS接收機(jī)統(tǒng)一觀測設(shè)置,記錄所有可見衛(wèi)星(GPS、GLONASS、BDS、Galileo和 QZSS) 的多頻數(shù)據(jù)(如GPS記錄L1、L2和L5),衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為15°,每秒記錄一個觀測數(shù)據(jù)。
完成觀測后,以Trimble的T02格式下載所有GNSS接收機(jī)的原始觀測數(shù)據(jù)并導(dǎo)入Trimble Business Center(TBC)軟件進(jìn)行后處理,后處理時設(shè)置衛(wèi)星截止高度角為15°,采用多頻數(shù)據(jù)處理不同的衛(wèi)星信號,并分別選用單星、雙星和多星組合進(jìn)行,PPK解算結(jié)果與控制點較差統(tǒng)計結(jié)果見表1至表7。由于各測站開始和結(jié)束的時間略有差異,因此選取同步觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,所有的解算模式都得到了3 900個有效解。
由表1至表7可見,在僅使用一個GNSS星座的情況下,GPS解在大部分條件下略優(yōu)于BDS衛(wèi)星的解算結(jié)果,但兩者處于同一量級,所有的平面標(biāo)準(zhǔn)差都處于毫米的量級,垂向的標(biāo)準(zhǔn)差處于厘米量級;比較特殊的是BDS解算結(jié)果在20 km處平面標(biāo)準(zhǔn)差最小,且垂向標(biāo)準(zhǔn)差優(yōu)于15 km解算結(jié)果,其主要原因是觀測設(shè)備不同造成的,在20 km處使用的大地型天線配合大地型GNSS接收機(jī),其性能優(yōu)于其他測點。使用多個GNSS星座的解算結(jié)果明顯優(yōu)于僅使用1個GNSS星座的解,但2個、3個、4個及5個的GNSS星座組合的結(jié)果沒有顯著的差異,平面標(biāo)準(zhǔn)差都小于1 cm,垂向標(biāo)準(zhǔn)差基本都小于1 cm。因此建議在PPK作業(yè)時,同時觀測所有的GNSS星座,并盡量使用大地型GNSS接收機(jī)進(jìn)行觀測。
表1 GPS靜態(tài)比測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表
表2 BDS靜態(tài)比測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表
表3 雙星靜態(tài)比測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表(GPS+GLONASS)
表4 雙星靜態(tài)比測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表(GPS +BDS)
表5 多星靜態(tài)比測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表(GPS+GLONASS+BDS)
表6 多星靜態(tài)比測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表(GPS+GLONASS+Galileo+BDS)
表7 多星靜態(tài)比測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表(GPS+GLONASS+Galileo+BDS+QZSS)
在不同距離觀測5個星座得到的PPK解與控制點較差結(jié)果如圖2所示。從箱型圖中可以看出,不同距離的北向、東向和垂向較差都在±5 cm之內(nèi),數(shù)據(jù)分布較為集中,未出現(xiàn)偏差超過5 cm的點。同時,計算得到的平面和三維位置較差基本都小于5 cm??梢娫? Hz觀測條件下PPK解算結(jié)果較為穩(wěn)定,具備應(yīng)用于水上移動作業(yè)的能力。
圖2 不同距離下多星組合各方向較差(單位:m)
采用船載移動測量的方式對移動測量的精度進(jìn)行動態(tài)比測。在已知控制點上架設(shè)GNSS基準(zhǔn)站,并在船舶上架設(shè)GNSS流動站,在杭州灣河口區(qū)域進(jìn)行測試。所有測站都采用Trimble R9S大地型接收機(jī)和Zephyr Model 2 Geodetic型衛(wèi)星天線進(jìn)行觀測:以10°的衛(wèi)星截止高度角采集數(shù)據(jù),觀測5個衛(wèi)星星座并按1 Hz頻率記錄原始數(shù)據(jù),同時采用基于浙江省連續(xù)運行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)(ZJCORS)的網(wǎng)絡(luò)RTK(使用GPS與GLONASS的雙星組合)進(jìn)行三維定位,使用手簿記錄RTK定位結(jié)果。野外數(shù)據(jù)采集結(jié)束后,分別下載GNSS基準(zhǔn)站和流動站的T02原始觀測數(shù)據(jù),采用TBC軟件進(jìn)行后處理。
以RTK定位結(jié)果為基準(zhǔn),將PPK處理結(jié)果通過時間戳匹配后與RTK定位結(jié)果求差,其結(jié)果如表8所示。從表中可見,各個統(tǒng)計量的中位數(shù)與平均值基本一致,數(shù)據(jù)偏差較小。平面與三維定位結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差都處于厘米量級,同時,各個定位分量較差的平均值都處于厘米的量級,可見RTK與PPK定位結(jié)果的一致性較好。
表8中的垂向和三維定位結(jié)果較差最大值分別為16.00 cm和17.27 cm,表明仍存在部分?jǐn)?shù)據(jù)較差大于10 cm。對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,較差超過10 cm的點主要位于測區(qū)內(nèi)橋梁附近,僅使用GPS與GLONASS雙星組合基于ZJCORS的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)受橋面遮擋,觀測衛(wèi)星數(shù)較少導(dǎo)致定位結(jié)果不佳。
測區(qū)位于杭州灣口澉浦段附近,該航道河勢變化受上游徑流和下游潮流的雙重影響。由于河床寬淺、潮強(qiáng)流急,漲落潮流路存在較大差異。實測最大涌潮流速約為12 m/s,潮位瞬間最大漲幅2 m以上,實測最大涌潮壓力70 kPa。雖然航道所處江道水域最窄僅有約8 km左右,但由于處于涌潮區(qū)域且兩岸主要為淺灘,基本無法布設(shè)驗潮站;所處位置的無線電信號一直較差,采用RTK方式作業(yè)時數(shù)據(jù)鏈接丟失嚴(yán)重,因此采用PPK技術(shù)結(jié)合單頻測深儀進(jìn)行水下地形測量工作。
數(shù)據(jù)采集共獲取7 072個定位數(shù)據(jù),實時獲取定位數(shù)據(jù)(含單點解與浮動解)、PPK定位數(shù)據(jù)的定位較差如表9所示。從表中可見,野外測量時由于經(jīng)常發(fā)生RTK信號丟失的問題,因此北向、東向?qū)崟r定位與PPK定位的結(jié)果較差的絕對值最大達(dá)到了18.569 m和33.430 m,垂向的較差絕對值最大超過了75.932 m,該數(shù)據(jù)已經(jīng)完全超出了GNSS系統(tǒng)的單點定位精度,主要由于大橋附近GNSS信號被遮擋及RTK改正信號丟失導(dǎo)致。從平面和三維的定位較差的標(biāo)準(zhǔn)差來看,都已經(jīng)超過了米級的量級,可見丟失RTK差分信號對定位結(jié)果的影響是巨大的。
表8 定位結(jié)果比較
表9 實時與PPK定位結(jié)果較差表
由于RTK實時信號與PPK信號的定位結(jié)果差距較大,因此使用測區(qū)附近已有的高程異常模型將RTK與PPK獲取的高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至85國家高程基準(zhǔn)后,與同步觀測的潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。圖3繪制了作業(yè)期間某天的RTK實時潮位、PPK潮位、南北岸和通航孔的潮位站的潮位過程線。從圖3上可見RTK實時潮位與PPK解算結(jié)果基本是一致的,而丟失RTK差分信號的實時定位潮位數(shù)據(jù)發(fā)生了較大的振蕩,已經(jīng)無法滿足RTK三維水深測量的技術(shù)要求。PPK潮位與該區(qū)域布置的三個潮位站的數(shù)據(jù)能夠較好的吻合,其計算結(jié)果可以滿足在該區(qū)域中進(jìn)行RTK三維水深測量的精度要求。
圖3 RTK實時潮位、PPK潮位與潮位站潮位數(shù)據(jù)比較圖
本文基于載波相位觀測原理介紹了載波相位差分技術(shù),通過靜態(tài)和動態(tài)比測的方法進(jìn)行了精度和穩(wěn)定性測試后,在杭州灣涌潮河口進(jìn)行了實際應(yīng)用,主要結(jié)論如下:
(1)靜態(tài)比測結(jié)果表明,20 km距離內(nèi)現(xiàn)有GNSS系統(tǒng)的PPK解算結(jié)果都能符合相關(guān)規(guī)范要求;動態(tài)比測結(jié)果表明,RTK和PPK解的一致性較好,平面與三維定位結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差都處于厘米量級。靜態(tài)比測結(jié)果表明,在20 km距離內(nèi),現(xiàn)有的GNSS系統(tǒng)都能提供滿足相關(guān)規(guī)范要求的定位結(jié)果,多個GNSS系統(tǒng)的聯(lián)合觀測解能提供精度更為穩(wěn)定的結(jié)果;(2)實際應(yīng)用中PPK解算結(jié)果精度可滿足RTK三維水深測量的技術(shù)要求,能較好地解決RTK差分信號丟失時定位精度嚴(yán)重下降的問題,具有較大的應(yīng)用潛力;(3)后續(xù)有必要在延長測試距離的基礎(chǔ)上對更多影響PPK解算結(jié)果的因素進(jìn)行研究,并開展聯(lián)合RTK和PPK的水下地形測量技術(shù)研究。