李沖，張勝書，李見陽

(四川省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站，四川成都 610041)

1 引言

水深測量是海洋測量、內(nèi)陸湖泊及河道測量中一項常規(guī)的測量項目，影響水深測量成果質(zhì)量的關(guān)鍵因素是精密定位技術(shù)及測深精度。隨著工程建設(shè)、科學(xué)考察對水深測量成果精度和準確度要求的不斷提高，傳統(tǒng)的測量方法如羅盤和六分儀定位，測深繩、測深桿、測深鉛魚等已遠遠不能滿足測量精度要求。現(xiàn)階段主要使用GPS－RTK、DGPS技術(shù)結(jié)合回聲測深儀或激光測深儀測定水深。然而使用GPS－RTK、DGPS技術(shù)進行精確定位時，必須沿河(海)岸布設(shè)足夠多的基準站，且其作業(yè)距離受到限制，對于水深測量成果的質(zhì)量檢驗而言，采用此方法采集樣本點勢必費時費力。PPP(精密單點定位)技術(shù)可以在全球框架內(nèi)實現(xiàn)絕對定位，且其具有成本低、作業(yè)效率高、操作簡便等優(yōu)點，目前其精度已經(jīng)可以達到厘米級，完全能夠滿足水深測量成果的質(zhì)量檢驗需要。

2 利用PPP技術(shù)進行水深測量的基本原理及步驟

PPP技術(shù)的基本原理是利用IGS提供的精密軌道產(chǎn)品和鐘產(chǎn)品，采用單臺接收機的非差觀測值按照嚴格的單點定位的數(shù)學(xué)模型，進行精密單點定位以獲取測量點位的三維空間坐標。水深測量的關(guān)鍵技術(shù)是獲取動態(tài)測量瞬間的測量點位坐標及測量的水深數(shù)據(jù)。由此可見，利用PPP技術(shù)獲取的點位三維坐標，經(jīng)過投影和轉(zhuǎn)換，配合測深儀，可以滿足水深測量的需要。

PPP技術(shù)應(yīng)用于水深測量時，其設(shè)備主要應(yīng)由承載測船、動態(tài)GPS接收機、精密計時器、回聲測深儀、計算機及專用軟件等組成。其基本原理如圖1。

圖1 PPP水深測量原理圖

基本作業(yè)方法及步驟如下:

(1)測前準備

將GPS接收機與測深儀聯(lián)接在一起，并精確測定GPS天線相位中心至測深儀距離h，h的測量精度控制在3 mm。

(2)外業(yè)數(shù)據(jù)采集

測量水深前打開GPS接收機，并根據(jù)接收機的類型將其采樣間隔設(shè)置在 1 s或 0.1 s，開始測量前應(yīng)將GPS接收機處于靜止狀態(tài)觀測半小時以上。測量時控制好船速。根據(jù)測深點的密度要求，利用測深儀進行測量，并記錄測量瞬時的時刻ti。

(3)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

①利用水深儀自帶的數(shù)據(jù)處理軟件對水深測量數(shù)據(jù)進行處理，得到精確的測深成果hCi;

②利用PPP專用的數(shù)據(jù)處理軟件計算各個采樣歷元的定位坐標序列，根據(jù)水深測量的記錄時刻ti，采用高精度的內(nèi)插模型計算ti時刻的船位坐標，并轉(zhuǎn)換為基于WGS－84橢球的高斯平面坐標和大地高的形式(XWi，YWi，HWi);

③利用坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)將(XWi，YWi)轉(zhuǎn)換為工程用的獨立坐標(Xi，Yi)，利用大地水準面模型或高程異常擬合模型將HWi轉(zhuǎn)換為正常高Hi;

④根據(jù)上述成果可以計算水下地形特征點的高程

HS=Hi－h(huán)－h(huán)Ci;

⑤根據(jù)坐標和水下地形特征點高程序列(Xi，Yi)，便可生成所需要的測量成果，如水深圖或統(tǒng)計分析圖等。

3 利用PPP技術(shù)進行水深測量的精度分析及作業(yè)要求

利用PPP技術(shù)進行水深測量時，其精度關(guān)鍵是定位精度、時間記錄精度和大地高精度。

設(shè)測量時測船的速度為V，回聲測深儀的測量記錄時刻誤差為△t，PPP的測量誤差(不考慮內(nèi)插誤差和轉(zhuǎn)換參數(shù)誤差)為△P(△XP，△YP，△HP)，測船行駛方向與坐標橫軸的夾角為β，所使用的大地水準面模型誤差為△HD，則測量的定位誤差及測深誤差為:

精密單點定位的誤差△P可分為與衛(wèi)星有關(guān)的誤差(如衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星軌道誤差、天線相位中心偏差、相對論效應(yīng)等)、與信號傳播有關(guān)的誤差(如電離層延遲、對流層延遲、多路徑效應(yīng)等)以及與地面接收機有關(guān)的誤差(接收機鐘差、接收機天線相位偏差、固體潮改正、海潮改正等)三種，為了使其動態(tài)定位精度達到厘米級水平，必須做到以下要求:

(1)采用厘米級精度水平的衛(wèi)星精密星歷;

(2)衛(wèi)星鐘差改正精度需達到亞納秒量級;

(3)精密單點定位解算時需考慮電離層延遲、對流層延遲、固體潮、海潮、天線相位中心偏差等的精確改正模型;

(4)利用抑制天線、相控陣列天線等技術(shù)減小多路徑效應(yīng)的影響。

對于水深測量成果，《水運工程測量規(guī)范》(JTJ 203－2001)中要求，測深定位點點位中誤差在 1∶500比例尺測圖時其限值為 1 m，比例尺越小，精度要求越低，一般測船的速度控制在 3 m/s～5 m/s，則測量記錄時刻的精度應(yīng)達到 0.1 s。

對于測深誤差而言，《水運工程測量規(guī)范》(JTJ 203－2001)中要求，當水深H＜20 m時，深度誤差限值為±0.2 m，H＞20 m時，深度誤差限值為 ±0.01H，采用PPP技術(shù)進行水深測量時，△hC可以忽略不計，大地水準面的精度△HD應(yīng)達到厘米級，△HP的精度一般是位置精度的2倍，因此其可靠性問題是備受關(guān)注的問題。在作業(yè)之前可以在淺水區(qū)，利用測深桿或測深錘獲取一定數(shù)量的較高精度的水深數(shù)據(jù)與使用PPP測量的水深進行比較，使用修正的方法來提高測深點的測深精度。具體做法如下:

設(shè)測得的修正點為m個，利用PPP技術(shù)測定的水深為HPi，i=1……m，利用測深桿或測深錘測定的水深為HGi，以此m個點的△Hi和平面坐標(差)作為起算數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型進行擬合，其數(shù)學(xué)模型可表示為:F=AX+△，A為由平面坐標(差)所構(gòu)建的系數(shù)矩陣，F(xiàn)為高程修正值，根據(jù)最小二乘原理求解待定參數(shù)X，從而求解出待修正點的△H，并利用△H對PPP測得的測深數(shù)據(jù)進行修正。由于△H中的主要誤差為PPP在高程方向的解算誤差，其在一定區(qū)域范圍內(nèi)具有系統(tǒng)性和規(guī)律性，當測量區(qū)域較大時，應(yīng)注意修正點的分布應(yīng)基本能覆蓋測量區(qū)域。

為了確保測量精度和可靠性，還應(yīng)利用采集的數(shù)據(jù)繪制高程曲線。根據(jù)曲線的平滑程度來分析PPP高程有沒有產(chǎn)生個別或部分點出現(xiàn)異常的情況，然后利用相鄰的測深點數(shù)據(jù)對其進行平滑和修正。

4 利用PPP技術(shù)進行水深測量成果質(zhì)量檢驗的優(yōu)點

水深測量成果的一般形式為水深圖，其主要由一定間隔的水下高程注記點和等深線構(gòu)成，在對其成果進行質(zhì)量評價時，測深精度是最重要的評價指標。一般采用實地采集一定數(shù)量的測深點與其成果進行比較統(tǒng)計的方式評價其精度。然而，水深測量成果往往是沿內(nèi)河或海岸測制，成帶狀，其成果精度不均勻，為確保檢驗結(jié)論的可靠性，樣本點一般需要基本覆蓋成果范圍。采用常規(guī)的水下地形測量方法進行檢測時，其結(jié)果受潮汐觀測誤差、定位誤差、測深延遲、波浪效應(yīng)等多種因素的影響，精度較低。采用GPS－RTK無驗潮測量技術(shù)雖然能消除以上大部分誤差的影響，但是其測量范圍受到與基準站距離的限制，當樣本點分布范圍較大時，往往需要布設(shè)多個基準站，成本較大，而且效率低下。

利用PPP技術(shù)進行水深測量成果精度檢測時，只需在開測前進行靜態(tài)觀測半小時左右，之后便可以去任何測量區(qū)域進行檢測數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)采集時只需記錄回聲測深儀的數(shù)據(jù)和采集瞬時時刻便可，其檢測方式靈活、外業(yè)操作簡便，利用該技術(shù)進行水深測量成果的精度檢測，可以極大縮短外業(yè)工期，提高檢驗效率。

5 結(jié)語

隨著PPP技術(shù)的不斷發(fā)展，其動態(tài)定位精度已可以達到厘米級，而且憑借其靈活高效的作業(yè)模式，應(yīng)用范圍越來越廣，本文探討了其在水深測量成果質(zhì)量檢測中的應(yīng)用可行性，給出了具體的原理和數(shù)學(xué)模型，并從多個方面分析了誤差來源，給出了相應(yīng)的作業(yè)要求，然而，應(yīng)用該項技術(shù)的關(guān)鍵是精密的時間同步技術(shù)，因此，開發(fā)高精度的GPS－數(shù)字測深儀一體化系統(tǒng)，配置高精度的計時器，將在水深測量領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。

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