基于星站差分技術(shù)的近海三維無驗(yàn)潮水深測量研究

王傳江,李海濤,陳四平,黃凱,唐立軍,魏振峰

(1.上海市測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站,上海 200063; 2.上海市測繪院,上海 200063;3.上海祥陽水利勘測設(shè)計(jì)有限公司,上海 202150; 4.上海山南勘測設(shè)計(jì)有限公司,上海 201206)

0 引 言

上海近海水深測量成果的生產(chǎn)一般采用GNSS接收機(jī)定位加水深測量儀器測深等方法間接獲取,水下地形測量的特點(diǎn)是可追溯性較差,外業(yè)檢測需確定合適的方法和技術(shù)手段進(jìn)行。例如上海市每年 8 000多平方公里灘涂水下地形測量項(xiàng)目,目前測量生產(chǎn)單位采用常規(guī)驗(yàn)潮方式進(jìn)行水位控制,采用水深測量儀器測設(shè)水深、大戢山差分信號等進(jìn)行平面定位,采用驗(yàn)潮模式,由于潮位控制范圍較小,工作量大,在佘山島等外海域由于已有的潮位站分布少,布局疏密不一,該區(qū)域驗(yàn)潮水位控制的難度較大;生產(chǎn)單位為了解決該區(qū)域驗(yàn)潮站少、水位較難控制等情況,通過拋設(shè)海上潮位計(jì)等方式進(jìn)行水位控制,但還存在維護(hù)成本高、水位精度較難控制等情況。

本文研究采用星站差分技術(shù)應(yīng)用于上海近海地區(qū)范圍水深測量成果的生產(chǎn)和檢驗(yàn)工作的可行性,采用星站差分技術(shù)與測深儀器配合進(jìn)行水深測量數(shù)據(jù)采集,再根據(jù)似大地水準(zhǔn)面精化模型轉(zhuǎn)換為水準(zhǔn)高程,完成三維無驗(yàn)潮水深測量檢測,其精度受外界網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等影響較少,平面、高程精度可滿足水深測量檢測精度要求,可以省去驗(yàn)潮的工作步驟,減輕外業(yè)檢測的工作強(qiáng)度,提高工作效率,同時(shí)可以對生產(chǎn)單位驗(yàn)潮方式的成果,特別是潮位較難控制區(qū)域的成果進(jìn)行有效檢核。

1 星站差分

星站差分定位技術(shù)是把多種創(chuàng)新技術(shù)融合在一起,實(shí)現(xiàn)在地球表面的任何位置進(jìn)行厘米級實(shí)時(shí)定位,星站差分定位支持BEIDOU、GLONASS、GPS、QZSS和Galileo等全部星座的衛(wèi)星定位信號,從遍布全球的GNSS參考站得到的GNSS原始數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心,計(jì)算出用于全球任何位置GNSS差分改正的精確軌道、衛(wèi)星時(shí)鐘和系統(tǒng)模型誤差,差分改正信息經(jīng)由L波段衛(wèi)星鏈路或互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)接脩舳?基本架構(gòu)如圖1所示。

圖1 架構(gòu)圖

RTX星站差分目前提供的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)是水平精度 2 cm、垂直精度是 5 cm,與傳統(tǒng)RTK定位技術(shù)相比,RTX定位技術(shù)采用L波段衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,在無網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋或網(wǎng)絡(luò)信號不穩(wěn)定的近海水域更具有優(yōu)勢;由于采用的是全球參考框架下的穩(wěn)定的跟蹤站,保證了精度和基準(zhǔn)框架在全球高度統(tǒng)一,不會(huì)隨距離及不同時(shí)段的變化而變化,可全天候連續(xù)作業(yè)。

2 測試情況

2.1 星站差分與RTK比對測試

(1)概況

依托某無居民海島基礎(chǔ)調(diào)查(地形地貌)項(xiàng)目,采用星站差分、RTK分別在雞骨礁、情侶礁兩個(gè)測區(qū)海域進(jìn)行無驗(yàn)潮水深測量比對驗(yàn)證,采用中海達(dá)IRK2 GNSS接收機(jī)進(jìn)行1+1 RTK作業(yè),采用具有星站差分功能的天寶R10接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。測試實(shí)驗(yàn)結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行,專門制作了安裝2臺(tái)GNSS接收機(jī)的支架,2臺(tái)GNSS接收機(jī)設(shè)備安裝間距 0.288 m,支架設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。設(shè)備安裝在距船艏約三分之二處,以減小涌浪波動(dòng)誤差影響,實(shí)際安裝如圖3所示。

圖2 支架設(shè)計(jì)示意圖

圖3 GNSS接收機(jī)實(shí)際安裝圖

(2)測試結(jié)果

采用RTK、星站差分2臺(tái)GNSS接收機(jī)采集數(shù)據(jù),考慮RTK、星站差分的定位誤差以及數(shù)據(jù)采集距離間隔不一致(按等距方式采集數(shù)據(jù),RTX接收機(jī)設(shè)置為 2.5 m,RTK接收機(jī)設(shè)置為5 m)等因素,取距離小于等于 0.5 m為比對重合點(diǎn),計(jì)算改正至水面處的大地高較差,雞骨礁、情侶礁測區(qū)共比對重合點(diǎn) 3 718點(diǎn),大地高較差及中誤差統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 大地高較差及中誤差統(tǒng)計(jì)

雞骨礁、情侶礁測區(qū)比對點(diǎn)分布示意圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 雞骨礁測區(qū)比對點(diǎn)分布示意圖 圖5 情侶礁測區(qū)比對點(diǎn)分布示意圖

2.2 星站差分與驗(yàn)潮比對測試

(1)概況

依托某灘涂水下地形測量項(xiàng)目,在測量船上架設(shè)星站差分功能接收機(jī)(如圖6所示),在長江南支、北支水域進(jìn)行水面大地高的采集,采用海域似大地水準(zhǔn)面精化模型轉(zhuǎn)換得到水面處的水準(zhǔn)高程,并與驗(yàn)潮方式推算的水面高程進(jìn)行比對驗(yàn)證。

圖6 安裝星站差分接收機(jī)的測量船

(2)測試結(jié)果

按傳統(tǒng)潮位改正方式和星站差分無驗(yàn)潮方式處理數(shù)據(jù),分別求得測點(diǎn)的水面高程,計(jì)算兩種結(jié)果的水面高程較差,在長江南支、北支水域共比對 6 324點(diǎn),星站差分與驗(yàn)潮的水準(zhǔn)高程較差及中誤差統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 水準(zhǔn)高程較差及中誤差統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表1及表2,本次測試驗(yàn)潮與無驗(yàn)潮的中誤差之差在 10 cm左右,其誤差包含了驗(yàn)潮的水位控制、浪涌、RTK高程測量及高程轉(zhuǎn)換誤差等。無驗(yàn)潮水深測量由于無水位控制測量誤差、動(dòng)吃水誤差等影響,獲得實(shí)時(shí)水位,相較于驗(yàn)潮方式具有一定優(yōu)勢。

在長江南支、北支水域,星站差分與驗(yàn)潮方式的比對點(diǎn)分布如圖7所示。

圖7 比對點(diǎn)分布示意圖

3 結(jié) 語

通過在上海近海水域采用星站差分與驗(yàn)潮、RTK方式水深測量的比對測試,以及對測試數(shù)據(jù)結(jié)果的分析,有以下結(jié)論和展望:

(1)根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)結(jié)果分析,采用星站差分三維無驗(yàn)潮方式的水深測量精度可滿足現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范精度要求。

(2)與RTK方式相比,采用星站差分技術(shù)進(jìn)行三維無驗(yàn)潮模式的水深測量,可擴(kuò)展水深測量工作范圍,在無網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋水域更具有優(yōu)勢。

(3)與傳統(tǒng)驗(yàn)潮方式相比,采用星站差分進(jìn)行水深測量成果的生產(chǎn),可節(jié)省大量驗(yàn)潮工作量,簡化外業(yè)檢測的工作強(qiáng)度,在平面精度、工作效率等方面均有顯著的提高,對驗(yàn)潮方式水深測量成果的質(zhì)量控制提供了一種外業(yè)檢測驗(yàn)證手段。

(4)在相關(guān)部門的海域水準(zhǔn)面模型對外提供服務(wù)后,基于星站差分技術(shù)的水深測量成果生產(chǎn),在信號覆蓋范圍、時(shí)間成本控制等方面較傳統(tǒng)驗(yàn)潮、RTK等其他方式均有一定的優(yōu)勢,對類似項(xiàng)目可借鑒參考。