基于長江北斗CORS系統(tǒng)的PPK定位技術在航道測量中的應用

簡 波，胡偉平，張 誠

(長江航道測量中心，湖北 武漢430010)

在航道測量中，利用RTK(real-time kinematic，實時動態(tài)載波相位差分)技術進行地形測量具有常規(guī)測量儀器難以比擬的優(yōu)勢，能夠?qū)崟r提供移動測點的三維定位結(jié)果，測量速度快、能實時進行數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，且測量點位精度完全滿足規(guī)范要求[1]，在航道測量中已得到了廣泛應用。但其應用范圍受自然條件限制，特別在呈典型的帶狀特性且多彎曲的長江航道上，由于網(wǎng)絡及差分信號傳輸?shù)仍?，RTK常常收不到差分信號或者無法得到固定解[2]，無法達到定位的要求。

PPK(post processed kinematic，動態(tài)后處理)技術是利用進行同步觀測的一臺基準站接收機和至少一臺流動接收機對衛(wèi)星載波相位的觀測值，之后利用GNSS(global navigation satellite system，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))處理軟件進行解算，并經(jīng)坐標轉(zhuǎn)換得到流動站在某坐標系中的三維坐標。PPK作為一種動態(tài)后處理模式，無需數(shù)據(jù)通訊，且作業(yè)半徑大、觀測更靈活、效率更高，目前已得到廣泛應用。趙建虎等[3]給出了基于GPS PPK和PPP(precise point positioning，精密單定位技術)的長距離潮位測量的思想和方法，并通過試驗對其進行驗證，取得了良好的效果；洪日桂[4]介紹基于CORS(continuously operating reference stations，連續(xù)運行參考站)系統(tǒng)的PPK和相關操作及數(shù)據(jù)后處理流程，結(jié)合像控外業(yè)測量實例，探討此方法的可用性，并分析測量成果的內(nèi)外符合精度以及作業(yè)應該注意的相關問題；張文朗等[5]針對PPK的優(yōu)點，通過理論分析與實踐，探索PPK在像控測量中的應用方法，達到提高作業(yè)效率、節(jié)省人力物力的目的。

用于坐標解算的基準站可以是在已知控制點上架設的基站，也可以是地方省級CORS基站、長江干線北斗地基增強系統(tǒng)(簡稱長江CORS系統(tǒng))基站等。長江CORS系統(tǒng)覆蓋長江干線帶狀范圍，是以北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)為主，兼顧其他導航衛(wèi)星系統(tǒng)，可完全獨立接收北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號，且具備在不影響北斗信號接收安全的前提下接收其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號能力的地基增強系統(tǒng)[6]。本文分析基于長江CORS系統(tǒng)的PPK技術在長江航道水下地形測量中的應用，通過試驗探索該技術在長江航道測量中的方法，并進行成果數(shù)據(jù)分析，論證該技術在長江航道測量中的可行性。

1 基于PPK定位技術的長江航道地形測量流程

基于PPK的長江航道地形測量作業(yè)流程分為資料收集、基準站數(shù)據(jù)獲取、設備安裝、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等步驟，見圖1。

注：POS為定位定姿系統(tǒng)；IMU為慣性測量單元。

2 實測試驗

2.1 基準站選擇及數(shù)據(jù)收集

為驗證基于長江CORS系統(tǒng)的PPK定位技術在長江航道測量中的應用可行性，依托相關工程在長江下游張家洲水道開展測量試驗。通過現(xiàn)場踏勘收集測區(qū)已有的前期測量成果，校對獲取的控制點坐標成果及不同坐標系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，確定坐標基準及試驗所需坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)。

張家洲水道試驗區(qū)附近有湖口和九江兩個長江CORS系統(tǒng)基準站，其中湖口基站距張家洲水道測區(qū)中心約10.3 km，九江基站距離約14.0 km，精度分析均基于湖口基站。此外，由于多波束系統(tǒng)測量時采用RTK定位方式，可用于比較基于長江CORS系統(tǒng)基站PPK解算的水深數(shù)據(jù)精度，因此試驗時還在已知控制點上架設了基站，自架基站一方面向多波束測深系統(tǒng)提供RTK定位服務；一方面采集靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)供激光雷達系統(tǒng)進行PPK解算。各基站的位置見圖2。試驗外業(yè)工作結(jié)束后，通過長江CORS系統(tǒng)有關管理部門收集外業(yè)期間長江CORS系統(tǒng)湖口基站記錄的靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)。

圖2 試驗區(qū)使用基站位置

2.2 檢校點布設及測量

試驗中在測區(qū)內(nèi)根據(jù)不同的地形地貌特征，均勻選擇諸如房角、圍墻角、道路交角等特征明顯地物點，利用RTK流動站或全站儀進行點位的平面及高程數(shù)據(jù)采集，用于基于長江CORS系統(tǒng)PPK解算的激光點云數(shù)據(jù)平面、高程和相對關系精度檢測分析。

2.3 數(shù)據(jù)采集

本文采用多波束測深系統(tǒng)及機載激光雷達系統(tǒng)進行水下地形及陸域地形數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集前，按要求進行設備的校準。測量時，多波束測深系統(tǒng)采用RTK定位方式；將激光雷達上的POS系統(tǒng)作為流動站，觀測模式為PPK模式，采樣率與自架基站相同，與基準站的數(shù)據(jù)進行同步觀測，同時采集GNSS、IMU觀測數(shù)據(jù)。

2.4 定位數(shù)據(jù)解算

POS解算前，將基站原始文件進行格式轉(zhuǎn)換，生成Renix文件。POS解算采用Inertial Explorer第三方后處理軟件進行，處理位置、速度和姿態(tài)等信息，融合GNSS和INS(inertial navigation system，慣性導航系統(tǒng))數(shù)據(jù)，生成軌跡文件，其主要操作流程見圖3。

圖3 Inertial Exploer后處理流程

2.5 數(shù)據(jù)處理

使用各測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件，分別將POS和原始多波束、激光點云數(shù)據(jù)融合并解算出las格式的數(shù)據(jù)文件，并對數(shù)據(jù)進行濾波、去噪等處理，對于激光點云數(shù)據(jù)，則進行數(shù)據(jù)則分類處理，提取點云中的地面點。

3 數(shù)據(jù)精度分析

3.1 水深數(shù)據(jù)定位精度分析

在測區(qū)中選擇4條測線，用長江CORS系統(tǒng)基站的靜態(tài)數(shù)據(jù)進行PPK解算，并導出航跡數(shù)據(jù)文件，與實測時RTK的航跡定位數(shù)據(jù)進行比較，精度見表1。

表1 基于長江CORS系統(tǒng)的PPK定位精度

由表1可看出，4#、21#兩條測線PPK平面定位精度可以達到20～30 mm，高程精度也在70 mm以內(nèi)，滿足規(guī)范要求。但是11#、18#兩條測線的平面及高程精度均超過規(guī)范要求的精度范圍，其原因可能來自于基站不穩(wěn)定的靜態(tài)數(shù)據(jù)。

3.2 激光點云數(shù)據(jù)定位精度分析

為分析激光點云的數(shù)據(jù)定位精度，在試驗測區(qū)進行了兩次機載激光雷達數(shù)據(jù)采集試驗。外業(yè)結(jié)束后，將采集的激光點云數(shù)據(jù)用長江CORS系統(tǒng)湖口基站的靜態(tài)數(shù)據(jù)進行定位數(shù)據(jù)的解算，與通過RTK采集的部分檢核點進行對比，并計算其中誤差。兩個測次激光雷達數(shù)據(jù)平面及高程精度的對比分析見表2。

表2 基于長江CORS湖口基站激光點云平面及高程精度分析

由表2可看出，用長江CORS湖口基站解算的點云數(shù)據(jù)，計算所得的中誤差值均滿足規(guī)范的精度要求；但有的點誤差較大，特別是高程平均誤差約200 mm。

4 結(jié)語

1)本文試驗是首次將長江CORS系統(tǒng)應用在航道測量中。通過試驗數(shù)據(jù)分析可看出，基于長江CORS系統(tǒng)的PPK技術是RTK技術的有效補充，其平面定位精度可滿足規(guī)范要求，但高程精度則不穩(wěn)定。

2)對高程精度要求不大的長江航道日常維護測量中，可以選擇測區(qū)附近的CORS基站，采用PPK定位模式進行航道地形測量，但為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，需要采取一定的方式進行數(shù)據(jù)校驗。

3)目前如果完全依靠長江CORS基站的數(shù)據(jù)，則可能影響數(shù)據(jù)質(zhì)量，關鍵取決于CORS基站有效覆蓋范圍，在實際工作中要對選取的基站數(shù)據(jù)進行驗證，并不斷總結(jié)。隨著長江CORS系統(tǒng)的運行、應用及基站數(shù)量和位置也在不斷優(yōu)化，長江CORS系統(tǒng)將在長江航道測繪和地理信息服務方面發(fā)揮巨大作用。