基于網絡RTK 的無人測量船在填海工程中的應用

于友帥，喻煥章

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290）

0 引言

隨著GNSS 技術的不斷發(fā)展和完善，實時動態(tài)定位技術（RTK）以定位速度快、精度高的特點廣泛應用于各種測量中，而連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（CORS）則將RTK 技術與互聯(lián)網技術相結合，通過無線通信網絡將差分數(shù)據(jù)實時發(fā)送給用戶。隨著科技的發(fā)展，近些年來，以無人載具為載體，搭載多種測量儀器的智能化測量系統(tǒng)越來越受到人們的關注，而無人測量船系統(tǒng)就是一種將無人船船體、GNSS 定位設備、水深測量設備相結合的智能化水深測量系統(tǒng)。

本文通過介紹Ocean α SL40 全自動無人測量船系統(tǒng)在香港國際機場第三跑道填海工程（簡稱香港三跑工程）中利用香港衛(wèi)星定位參考站網獲取網絡RTK 差分信號進行無驗潮水深測量的應用情況，展現(xiàn)了基于網絡RTK 的無人測量船系統(tǒng)水深測量的高精度性及在特殊水域環(huán)境下良好的適應性，為城市填海工程水深測量方法提供了更加豐富的選擇。

1 工程特點及難點

香港三跑工程是一個超大型的填海造地工程，成陸面積達650 萬m2。本項目采取非浚挖式回填施工工藝，為確保海床的穩(wěn)定性，回填施工設有嚴格的分層限制。回填施工主要分為砂墊層（原始海床以上2 m）、砂墊層～-1 mPD（香港高程基準面）、-1～+2.5 mPD、+2.5 mPD～設計標高4 個階段。在完成第二階段砂墊層～-1 mPD 的回填施工后，施工區(qū)內大部分水域低潮時的平均水深已接近1 m，由于回填施工質量控制存在一定的不確定性，施工區(qū)內可能存在極淺點。若采取傳統(tǒng)的水深測量方法，該回填階段的水深測量工作必須趁潮進行。由于本項目所處海域潮汐為不規(guī)則半日潮，高高潮在時間分布上存在夏秋季多出現(xiàn)在晝間，春冬季多出現(xiàn)在夜間的特點，測量工作的組織存在一定的不確定性。在項目的施工過程中，由于工程設計要求和施工組織安排等原因，施工區(qū)內會形成一些半封閉、封閉水域。此類水域無傳統(tǒng)測量船只的進出通道，為測量工作的實施增加了一定難度。

2 基于網絡RTK 的無人測量船系統(tǒng)的工作原理

鑒于上述工程特點及難點，加之香港地區(qū)已有成熟的、免費對用戶開放的香港衛(wèi)星定位參考站網系統(tǒng)，采用基于網絡RTK 的Ocean α SL40無人測量船系統(tǒng)進行相關水域水深測量工作。

RTK 無驗潮水深測量模式的科學性和準確性已經得到業(yè)界的充分認證和認可[1-2]。常規(guī)的RTK無驗潮水深測量模式多是通過在已知點上架設基準站，通過無線電通訊來獲取RTK 改正信號，存在信號覆蓋范圍小，定位誤差隨距離增加而增大的不足。而CORS 系統(tǒng)可以通過獲取用戶位置，自動選擇最佳的一組固定參考站，整體改正GPS誤差，將高精度的差分信號發(fā)送給用戶，無需用戶自己架設參考站，極大提高了作業(yè)效率。通過與CORS 系統(tǒng)結合，使Ocean α SL40 無人測量船系統(tǒng)的測量作業(yè)更加精確、高效。

2.1 系統(tǒng)組成

Ocean α SL40 無人測量船系統(tǒng)由無人測量船和岸基控制兩大子系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)又由若干模塊組成。

無人測量船子系統(tǒng)由避障模塊、導航定位模塊、測深模塊和船體模塊4 個模塊組成；岸基控制子系統(tǒng)由終端模塊、無線基站模塊和遙控器模塊3 個模塊組成。每個模塊都擁有不同的功能，具體情況如圖1、圖2 所示。

圖1 Ocean α SL40 無人測量船的系統(tǒng)組成Fig.1 System composition of Ocean α SL40 unmanned survey boat

圖2 無人船子系統(tǒng)Fig.2 Unmanned boat subsystem

2.2 技術參數(shù)及特點

Ocean α SL40 無人測量船系統(tǒng)的主要技術參數(shù)見表1。

表1 Ocean α SL40 無人測量船系統(tǒng)技術參數(shù)表Table 1 Ocean α SL40 unmanned survey boat system technical parameters

Ocean α SL40 無人測量船系統(tǒng)測深探頭使用主機與換能器一體化集成的SDE-18S 高精度測深傳感器，搭配測量軟件能夠實時獲取水深數(shù)據(jù)。

2.3 網絡RTK 無驗潮測量原理

香港衛(wèi)星定位參考站網是一套非常成熟的CORS 系統(tǒng)[3]，由18 個平均分布于全港各處的連續(xù)運行的參考站組成，每天24 h 為用戶提供免費的高精度定位服務，用戶只需要向地政署申請通道賬號，連接互聯(lián)網，便可獲得網絡RTK 改正信號。

Ocean α SL40 無人測量船系統(tǒng)搭載了一臺高精度的GNSS 接收機，可以通過插入SIM 卡，設置好通道數(shù)據(jù)鏈便能夠接收香港衛(wèi)星定位參考站網發(fā)出的網絡RTK 差分信號，便可以進行無驗潮水深測量。無驗潮水深測量避免了潮位觀測帶來的限制和誤差，也減少了動吃水和涌浪對測量精度的影響[4]。無人測量船系統(tǒng)利用網絡RTK 差分信號進行無驗潮水深測量的原理如圖3 所示。

圖3 無人測量船系統(tǒng)基于網絡RTK 測量原理圖Fig.3 Survey schematic diagram of unmanned survey boat system based on network RTK

GNSS 接收機通過接收網絡RTK 信號來獲得某一時刻的瞬時位置，包括平面位置和大地高H0。該時刻換能器至水底面的距離S 按公式（1）計算：

式中：t 為在對應的時刻測深儀通過計算發(fā)射波束和接受波束的時間間隔，s；v 為聲波在水中的傳播速度，m/s。

如果GNSS 接收機獲取的定位數(shù)據(jù)和測深儀獲取的水深數(shù)據(jù)之間的時間延遲足夠小[5]，那么此時水底面相對于似大地水準面的高程H 按公式（2）計算：

式中：h 為已知的GNSS 接收機相位中心至換能器的距離，m；H0為大地高，m；ξ 為高程異常值，m。

由于GNSS 接收機能夠以一定的頻率實時獲取包含高程異常值改正ξ 的高程數(shù)據(jù)，那么所測海底面的高程也可以實時獲得。

3 無人測量船系統(tǒng)在香港三跑工程中的應用情況

3.1 應用流程

Ocean α SL40 無人測量船系統(tǒng)在香港三跑工程的應用流程包括測區(qū)分析、計劃測線布設、測量實施、測量成果獲取，應用流程圖如圖4 所示。

圖4 應用流程圖Fig.4 Flow chart of application

3.2 精度檢驗

為檢驗Ocean α SL40 無人測量船系統(tǒng)在香港三跑工程中利用香港衛(wèi)星定位參考站網進行網絡RTK 無驗潮水深測量的精度情況，現(xiàn)通過Reason T50-P 多波束測深系統(tǒng)對其進行了外符合的精度檢驗[6]。

具體實施過程為：首先選擇一處水面平靜、無明顯外界因素影響的水域，選取其中約100 m×100 m 的區(qū)域作為測區(qū)，繪制測線，先后使用多波束（測量前已按規(guī)范安裝姿態(tài)校準改正[7]）和無人測量船系統(tǒng)在網絡RTK 模式下對該區(qū)域進行無驗潮水深測量，獲取水深數(shù)據(jù)后使用相應的數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)后處理，獲得改正后的水深數(shù)據(jù)，由于兩次水深測量是在相同環(huán)境下連續(xù)進行的，已在最大程度上減少了環(huán)境誤差的影響，提高檢驗的準確性。

內業(yè)數(shù)據(jù)處理完成后，使用數(shù)據(jù)分析軟件對2 份水深數(shù)據(jù)進行分析，設置數(shù)據(jù)重疊模糊度為0.2 m，即視2 份水深數(shù)據(jù)中平面距離小于0.2 m的水深點為同一水深點，進行數(shù)據(jù)比對，分析結果見表2。比對結果顯示水深中誤差為0.083 m，完全滿足工程精度要求。

表2 誤差分析表Table 2 Error analysis table

3.3 測區(qū)分析

明確測量任務后，需要對測區(qū)進行測前踏勘，以熟悉測區(qū)狀況。根據(jù)已有測量水深、施工進度圖等資料，了解測區(qū)位置、測區(qū)面積、測區(qū)周邊施工情況，選擇合適的架設岸基控制系統(tǒng)位置。Ocean α SL40 無人測量船岸基控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊距離為2 km，岸基控制系統(tǒng)的布置應盡量保證最大化的覆蓋測區(qū)，減少架設次數(shù)。

通過了解測區(qū)大致水深情況，是否存在極淺點以及極淺點的位置等信息，盡可能規(guī)避無人測量船系統(tǒng)作業(yè)時的風險，為后續(xù)計劃測線的布設和測量的順利實施奠定基礎。

3.4 計劃測線布設及測量實施

Ocean α SL40 無人測量船系統(tǒng)在香港三跑工程中的應用主要為砂墊層～-1 mPD 回填階段的水深測量及特殊水域的水深測量。

測量實施前需布設計劃測線。計劃測線布設時應充分結合測區(qū)情況，主測線的方向應垂直于等深線的方向，測線間隔需視出圖比例而定，原則上[8]為圖上距離的1～2 cm，可根據(jù)任務需求進行加密或者抽稀。還需布設一定數(shù)量的檢查線，方向盡可能與主測線垂直，均勻分布，能普遍檢查主測線，其總長度不得短于主測線總長度的5%。對于測區(qū)中已明確的可能影響無人測量船系統(tǒng)作業(yè)的因素需要在計劃測線布設時進行避讓。

3.4.1 淺水水深測量

利用Ocean α SL40 無人測量船系統(tǒng)進行淺水水深測量時，首先在預定位置架設岸基控制系統(tǒng)，岸基控制系統(tǒng)應盡量架設在高處，以保障數(shù)據(jù)通訊暢通。然后配置GNSS 接收機，連接至香港衛(wèi)星參考站網，獲取網絡RTK 改正信號。之后通過移動終端里的測量軟件選定初始測線，啟動無人測量船系統(tǒng)的自動測量模式，自動測量模式下無人測量船會以2.5 m/s 的工作航速從設定的初始測線開始，自動完成相鄰測線間的串聯(lián)，按序依次完成所有測線的測量。

在無人測量船收集數(shù)據(jù)的同時，測量人員需通過移動終端觀察數(shù)據(jù)質量，對于存在明顯數(shù)據(jù)異常的區(qū)域應進行補測或重測。若測區(qū)中存在無人測量船系統(tǒng)自動測量模式無法覆蓋的復雜區(qū)域，如近岸區(qū)域或障礙物較多的區(qū)域等，最終需由測量人員通過遙控器手動控制無人測量船完成補測。

以2020年7月某次對C3、C6、C7、D3 區(qū)砂墊層～-1 mPD 施工后的水深測量為例。測量面積約為36 萬m2，測線間隔為10 m，測線總長度超過35 km，總測量時間約為5 h，所測得最淺點為0.35 mPD，測線及岸基控制系統(tǒng)布設情況如圖5所示。

圖5 測線及岸基控制系統(tǒng)布設示意圖Fig.5 Layout diagram of runline and shore-based control system

3.4.2 特殊水域測量

香港三跑工程施工區(qū)與現(xiàn)有機場之間留有一條狹長的水道，為現(xiàn)有機場排水所用，且無傳統(tǒng)載人測量船舶進出通道。受回填施工影響，該排水通道存在淤塞的風險，按照要求需每月對其進行水深監(jiān)測，以保證排水通暢。

該水域分為東西兩部分，西側長約1800 m，為半封閉水域；東側長約1900 m，為封閉水域。南北寬在高潮時約為30 m，低潮時約為20 m，形狀狹長，水域內無明顯障礙物，適合無人測量船系統(tǒng)自動模式測量。

該水域應用Ocean α SL40 無人測量船系統(tǒng)進行測量時，沿水道伸展方向布設主測線，主測線間隔為5 m，同樣在主測線的垂直方向布設一定數(shù)量的檢查測線。由于測區(qū)東西跨度過大，分別在西側、東側架設岸基控制單元以使通訊信號覆蓋整個測區(qū)。測量作業(yè)實施過程與淺水水深測量基本相同，單次測量時間約為3 h。截至2020年12月，共對該水域進行了8 次水深監(jiān)測，有效地對排水通道的水深情況進行了監(jiān)控，確保了排水暢通，為機場排水系統(tǒng)的正常運行提供了保障。

4 結語

在香港三跑工程中通過將無人測量船系統(tǒng)與香港衛(wèi)星定位參考站網的結合，充分發(fā)揮出無人測量船系統(tǒng)測量精度高、設備吃水小、作業(yè)靈活的特點，有效地解決了淺水水域和特殊水域環(huán)境下的水深測量難題，為工程的順利實施提供了保障。隨著內地各城市CORS 系統(tǒng)的逐漸完善，本文也為其他類似填海工程的水深測量作業(yè)提供了更加豐富的選擇，具有較好參考意義。