北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)在GNSS三維水深測(cè)量中的應(yīng)用

黎鵬 張凌源

摘要：GNSS三維水深測(cè)量是長(zhǎng)江河道勘測(cè)的重要測(cè)驗(yàn)要素，其中，三維定位方法更是關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的單基站RTK等手段在日常生產(chǎn)中效率不高，在漢江固定斷面測(cè)量中，對(duì)利用千尋北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)獲取精確三維定位數(shù)據(jù)并用于GNSS三維水深測(cè)量的方案進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。分析表明：北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)測(cè)得的水面高程穩(wěn)定性與單基站RTK相近，河底高程可靠性也達(dá)到了與傳統(tǒng)驗(yàn)潮法相當(dāng)?shù)乃剑梢詽M足三維水深測(cè)繪的相關(guān)要求。

關(guān)鍵詞：三維水深測(cè)量;地基增強(qiáng)系統(tǒng);千尋北斗;GNSS

中圖法分類號(hào)：P228 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.05.007

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）05 - 0026 - 04

1 研究背景

GNSS三維水深觀測(cè)是利用GNSS動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)、測(cè)深儀及其他附屬設(shè)備實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，通過實(shí)時(shí)或事后聯(lián)合解算，計(jì)算出測(cè)深儀換能器聲學(xué)中心的三維位置，從而獲得水下測(cè)點(diǎn)的平面位置和高程[1]。由于傳統(tǒng)單基站RTK測(cè)量誤差的空間相關(guān)性隨參考站和移動(dòng)站距離的增加而逐漸失去線性，因此只能將作業(yè)范圍控制在幾千米之內(nèi)，才能獲得相對(duì)較高精度的三維水深觀測(cè)值。而且，在測(cè)深的同時(shí)利用岸邊控制點(diǎn)進(jìn)行同步水位接測(cè)也存在效率較低問題[2]。因此，在實(shí)際工作中，無論是傳統(tǒng)的單基站RTK測(cè)量還是同步水位接測(cè)均會(huì)降低作業(yè)效率，而且對(duì)控制點(diǎn)的依賴程度比較高，一旦出現(xiàn)測(cè)區(qū)內(nèi)測(cè)量標(biāo)識(shí)損毀情況會(huì)導(dǎo)致作業(yè)無法開展。PPK測(cè)量模式雖然較傳統(tǒng)的單基站RTK測(cè)量模式先進(jìn)，但在河道固定斷面測(cè)量[3]等需要放樣精確位置的測(cè)量中，RTK測(cè)量無法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確定位。千尋北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)提供高精度三維位置信息[4]，目前已覆蓋全國(guó)大部分地區(qū)，能夠有效彌補(bǔ)RTK和PPK測(cè)量模式的缺陷，可作為通過三維水深觀測(cè)獲取三維位置的一種新方法。

2 GNSS三維水深測(cè)量

2.1 基本原理

北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)是一套可以使北斗定位精度達(dá)到厘米級(jí)的系統(tǒng)，是由天上的北斗衛(wèi)星和地上的“一張網(wǎng)”共同組成的具有高精度定位能力的基礎(chǔ)設(shè)施。該系統(tǒng)于2016年5月18日由千尋位置[5]正式投入運(yùn)行。2018年5月23日，千尋北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)已完成基本系統(tǒng)研制建設(shè)，具備RTK精度的千尋知寸（FindCM）[6]服務(wù)，通過移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸RTCM（ Radio Technical Commission For Marine Service）V3.2多電文信息（ Multiple Signal Message，MSM） 格式的高精度北斗差分?jǐn)?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)獲取了CGCS2000坐標(biāo)框架參考?xì)v元2000.0的三維坐標(biāo)。相較于省CORS系統(tǒng)，該系統(tǒng)覆蓋范圍廣，在跨省測(cè)區(qū)使用更加方便，一個(gè)賬號(hào)可跨區(qū)域全天候不間斷使用[7]。

GNSS三維水深觀測(cè)一般采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK）或者后處理動(dòng)態(tài)測(cè)量（PPK）的方法進(jìn)行，GNSS三維水深測(cè)量基本原理如圖1所示。

假設(shè)船舶靜止在水面上，H為大地高，L為GNSS接收機(jī)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(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)面的距離（潮位），S為換能器到河道底邊界面的距離，§為當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)面到WGS84橢球面的距離，h為當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)面下的河底高程。由圖1可以得到以下3個(gè)關(guān)系式：

當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)面為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)面時(shí)，§為高程異常，此時(shí) H - § = H85高程。

由式（1）～（3）轉(zhuǎn)換得到：

式中：S為測(cè)深儀實(shí)時(shí)測(cè)得水深;d + L為固定值（鋼卷尺丈量），通過 GNSS接收機(jī)實(shí)時(shí)采集到的1985國(guó)家高程基準(zhǔn)面下的正常高，便可實(shí)時(shí)測(cè)得水下1985國(guó)家高程基準(zhǔn)的河底高程。

2.2 應(yīng)用概況

本次實(shí)例采用GNSS結(jié)合單波束測(cè)深儀的方法進(jìn)行三維水深觀測(cè)，分別采用千尋位置和傳統(tǒng)單基站RTK以及同步水位接測(cè)方法進(jìn)行觀測(cè)，其中單基站RTK僅在在漢江武漢河段部分固定斷面進(jìn)行了觀測(cè)，水位接測(cè)與千尋位置在約139 km河段內(nèi)的84個(gè)固定斷面進(jìn)行同步觀測(cè)。在開始前利用千尋位置采集測(cè)區(qū)附近適量已知控制點(diǎn)的CGCS2000大地坐標(biāo)，然后求取測(cè)區(qū)轉(zhuǎn)換參數(shù)，并將其用于測(cè)量過程中1985國(guó)家高程的轉(zhuǎn)換。

在測(cè)量開始前對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)幾何參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，準(zhǔn)確量取了GNSS接收機(jī)天線快釋接頭底部（圖2中②處）至水面的高度和水面至測(cè)深儀換能器聲學(xué)中心的高度。

由于定位系統(tǒng)和測(cè)深系統(tǒng)屬于兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)性延時(shí)效應(yīng)，給測(cè)量結(jié)果帶來較大誤差。因此，在水深測(cè)量前對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了延時(shí)效應(yīng)改正[8]。具體方法為選擇河道陡岸處，將測(cè)船以正常航行速度往返于同一斷面線上，采集水深數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)延值，驗(yàn)算正確后將求取的值設(shè)置在導(dǎo)航軟件時(shí)延參數(shù)中，以消除系統(tǒng)延時(shí)導(dǎo)致的誤差，其結(jié)果如圖3所示。

為了保證比對(duì)結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性，對(duì)于不同方法均使用完全相同的設(shè)備，測(cè)量系統(tǒng)組成及系統(tǒng)延時(shí)參數(shù)結(jié)果如表1所示。從延時(shí)測(cè)定結(jié)果可以看出單基站RTK電臺(tái)模式的延時(shí)略小于千尋位置的網(wǎng)絡(luò)傳輸模式。

3 觀測(cè)結(jié)果與分析

3.1 單基站RTK和千尋位置對(duì)比分析

將單基站RTK和GNSS三維水深觀測(cè)方法所采集的斷面數(shù)據(jù)通過軟件處理后，得到各點(diǎn)的水面高程。兩種方式所得的水面高程中誤差分布如圖4所示。

從圖4可以看出，在漢江河口附近市區(qū)內(nèi)河段RTK的水面高程波動(dòng)較小，相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)所有測(cè)點(diǎn)水面高程中誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2。

從結(jié)果可以看出，兩種方式下求得的水面高程中誤差相差不大，RTK模式下相對(duì)更穩(wěn)定，但兩種方式測(cè)得的水面高程中誤差均優(yōu)于SL257-2017《水道測(cè)量規(guī)范》要求。將兩種方式測(cè)得的斷面圖進(jìn)行疊加分析，疊加結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)斷面結(jié)果可計(jì)算斷面各點(diǎn)高程差值的平均值[h=（∑ΔHi）/n]，將斷面起點(diǎn)距按照1 m間距進(jìn)行插值計(jì)算可知斷面各點(diǎn)高程之差平均值為0.008 m。采用面積積分法求得兩斷面面積較差比為0.1%。從以上結(jié)果可以看出，千尋位置模式下測(cè)得的斷面穩(wěn)定性和河道斷面圖形相互符合度較好。

3.2 驗(yàn)潮法和千尋位置對(duì)比分析

將約139 km河段內(nèi)的84個(gè)固定斷面按照驗(yàn)潮法獲取的河道高程結(jié)果（共1 555個(gè)點(diǎn)）與千尋位置測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，其較差分布見表3。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，超過81.1%的測(cè)點(diǎn)河底高程較差在0.10 m以下，滿足SL257-2017《水道觀測(cè)規(guī)范》要求，互差小于或等于0.10 m的點(diǎn)數(shù)占總點(diǎn)數(shù)的80%，互差小于或等于0.20 m的點(diǎn)數(shù)占總點(diǎn)數(shù)的95%。考慮到GNSS三維無驗(yàn)潮方法可以消除測(cè)量過程中水面波動(dòng)導(dǎo)致測(cè)船在豎向起伏運(yùn)動(dòng)所致誤差，千尋位置三維水深觀測(cè)方法可達(dá)到傳統(tǒng)水位接測(cè)方法的精度。

4 結(jié) 語

本文通過實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證了千尋北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)在三維水深觀測(cè)中的可行性，其結(jié)果滿足規(guī)范要求。該系統(tǒng)結(jié)果具有可靠性且與單基站RTK和驗(yàn)潮法相當(dāng)。相較于單基站RTK模式，該系統(tǒng)工作不受距離限制，可使長(zhǎng)距離河道測(cè)繪效率大幅提高。相較于傳統(tǒng)驗(yàn)潮法，該系統(tǒng)可有效降低水面波動(dòng)誤差以及河道橫比降帶來的誤差，在長(zhǎng)江潮汐河段等潮位變化頻繁區(qū)域也具有較大優(yōu)勢(shì)。

隨著北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)也將逐步完善，在河道測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛由于精度可靠以及覆蓋范圍廣闊，該技術(shù)可發(fā)揮重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國(guó)水利部. SL257-2017水道觀測(cè)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2017.

[2] 魏凌飛，魏為. 無驗(yàn)潮模式水下地形測(cè)量技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 人民長(zhǎng)江，2016，47（增1）：56-62.

[3] 張潮，馮傳勇，張振軍. 湖北CORS系統(tǒng)在長(zhǎng)江固定斷面測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 測(cè)繪與空間地理信息， 2013， 36（10）：124-126.

[4] 江木春. 千尋位置在江烏航道測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 水運(yùn)工程，2019（7）：179-183.

[5] 張同. 千尋位置服務(wù)[R]. 武漢：千尋位置網(wǎng)絡(luò)有限公司，2016.

[6] 千尋位置. 高精度定位服務(wù) [EB/OL]. （2016-05-18）[2017-08-10]. http：//www.qxwz.com/help-document-locationservice.html#link-5.

[7] 劉東軍. 千尋位置服務(wù)與CORS系統(tǒng)的精度探討[J]. 石化技術(shù)，2018，25（4）：236.

[8] 薛劍鋒，王真祥，沈理，等. 精密水深測(cè)量中延時(shí)效應(yīng)的研究[J]. 人民長(zhǎng)江，2008，39（4）：17-19.

（編輯：李 晗）

Abstract： GNSS three-dimensional bathymetric survey is an important measurement element of the Yangtze River channel survey， and three-dimensional positioning method is its key technology. The traditional single base station RTK and other means are not efficient in routine work. In this paper， GNSS three-dimensional bathymetric survey scheme of using accurate three-dimensional positioning data obtained by land-based Qianxun Beidou Augment System is verified， and the results are analyzed. The results show that the stability of water surface elevation is similar to that of single base station RTK， and the reliability of river bottom elevation reaches the same level as that of traditional tide measurement method， which meet the relevant requirements of three-dimensional waterway mapping.

Key words： 3D water depth measurement; land-based augment? system; Qianxun Beidou System; GNSS