摘要：本文介紹了GPS RTK與GPS PPK在無驗潮水深測量中的測量原理，簡述了兩種方法分別在水深測量中的潮位控制情況，討論了將兩技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用于遠海水深測量中的潮位控制的可行性，并通過工程實例進行了精度分析。結(jié)果表明兩種技術(shù)可以實現(xiàn)互補，提高測量效率，彌補了傳統(tǒng)驗潮方法對于長距離潮位控制上的缺陷。

關(guān)鍵詞：RTK；PPK動態(tài)后處理；無驗潮水深測量；精度

1 引言

水深測量時，潮位的控制起著至關(guān)重要的作用。在以往的遠海航道測量中多采用在岸邊設(shè)立驗潮站進行人工驗潮，根據(jù)觀測比較擬合潮位模型推算得出遠海的潮位及其變化，或者在測區(qū)附近臨時拋投壓力式驗潮儀，再進行內(nèi)插計算。這種傳統(tǒng)的驗潮辦法不但繁瑣復(fù)雜，而且在一些潮位變化不規(guī)律的水域無法準確的反應(yīng)出實時的潮位變化，遠海測區(qū)拋投驗潮儀也常常遇到很多困難，而且因其容易丟失或移位而造成數(shù)據(jù)的資料的不準確性。

本文根據(jù)以上問題，就近年來GPS RTK與GPS PPK在水深測量中的應(yīng)用情況提出一種新的潮位測量方法。

2 GPS RTK潮位測量

2.1 GPS RTK工作原理

GPS RTK（Real Time Kinenatic）是利用載波相位觀測測量差分為根據(jù)的實現(xiàn)快速高精度定位技術(shù)。通過架設(shè)基準站，并用電臺實時傳輸數(shù)據(jù)給流動站，能夠?qū)崟r迅捷的解算出待測點的三維坐標，精度達到厘米級，有效距離可達15KM。它的工作原理是，基準站連續(xù)接收所有可視GPS衛(wèi)星訊息，并通過電臺將其接收的基準站W(wǎng)GS-84坐標、觀測值、衛(wèi)星的跟蹤狀態(tài)發(fā)送給流動站；流動站在于基準站同時接收至少4顆以上衛(wèi)星信號的同時接收基準站發(fā)送的無線電信號，通過解算載波相位整周模糊度，并根據(jù)相對定位原理，實時獲得流動站點的三維坐標。

2.2 GPS RTK潮位測量

RTK應(yīng)用到水深測量導(dǎo)航中即RTK三維水深測量時，是利用RTK測定測深儀換能器底的高程和測深儀測得的水深，來獲得海底高程的。RTK定位具有實時性，可以獲得每個歷元的高精度三維解，又可以清楚測量船的動吃水、涌浪等方面的影響，很適合實時潮位測量。但不足的是GPS RTK測量的作用距離受無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，一般作用距離只能達到20km，而且高程測量精度隨著距離的增加而降低，對于超長航道測量的潮位控制難以勝任。

3 GPS PPK潮位測量

3.1 GPS PPK工作原理

PPK技術(shù)（post processing kinetic）動態(tài)后處理技術(shù)，是利用載波相位進行事后差分的GPS定位技術(shù)。PPK的工作原理是：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)星的載波相位觀測量；事后在計算機中利用GPS處理軟件進行線性組合，形成虛擬的載波相位觀測量值，確定接收機之間厘米級的相對位置；然后進行坐標轉(zhuǎn)換得到流動站在地方坐標系中的坐標。

3.2 GPS PPK較GPS RTK在遠距離潮位控制中的優(yōu)勢

GPS PPK技術(shù)是動態(tài)測量后處理模式（又稱為半動態(tài)或準動態(tài)相對定位模式），它與RTK技術(shù)的主要區(qū)別在于：在基準站和流動站之間，不需建立實時的數(shù)據(jù)傳輸，只需同時進行數(shù)據(jù)采集后進行測后的聯(lián)合處理，通過基線解算精確的求得流動站在對應(yīng)時間上的三維坐標，精度同樣可達厘米級。因不需建立數(shù)據(jù)傳輸而避免了距離上的限制，較RTK有明顯的作業(yè)半徑大的特點，基本可以控制50km-80km的距離。雙頻GPS在PPK作業(yè)模式下，其平面定位精度可達±10mm+1ppm×D，高程定位精度可達±10mm+1ppm×D，D為基線長度。當D在80km范圍內(nèi)時，平面和高程定位精度均不超過±10cm，可以滿足水深測量中潮位控制的精度要求。

4 GPS RTK與GPS PPK聯(lián)合應(yīng)用方法的確定

兩種技術(shù)都有精度高，作業(yè)模式相同，并在作業(yè)前需初始化的共同點。PPK的初始化時間較長，在有6顆以上衛(wèi)星的情況下約需要8min，而RTK最小初始化時間約為10秒；RTK技術(shù)需要電臺傳輸實時數(shù)據(jù)，并可實時求得待測點的三維數(shù)據(jù)，PPK無需電臺的支持卻無法實時反應(yīng)測點坐標以及精度情況，需要進行后處理才可完成。

綜上分析，在長距離無驗潮水深測量中采用兩種方法相結(jié)合的辦法施測必能起到更有效、更便捷的作用。

5 工程實例

5.1 工程背景

遼東灣某港區(qū)航道長約43公里，港區(qū)附近無太高的建筑物，現(xiàn)航道進行拓寬挖深工程，在工程期間要求我部進行全程的水深監(jiān)測。測量坐標系為1954北京坐標系，高程基準為當?shù)乩碚撋疃然鶞拭?。為有效控制整個航道的潮位變化，我們考慮采用GPS RTK與GPS PPK聯(lián)合作業(yè)的方法完成該項目。

5.2 影響GPS潮位測量的幾點因素

我們知道無論是RTK或是PPK技術(shù)測量所得的都是測點的實時高程，要將此高程轉(zhuǎn)化為潮位受以下幾項因素影響。

5.2.1 船舶的姿態(tài)改正

測量船舶在航行時，由于風(fēng)浪的影響會產(chǎn)生橫搖和縱搖以及船體的上下起伏變化。為了獲得瞬時海面高程必須首先進行船舶的姿態(tài)改正。

5.2.2 船舶動態(tài)吃水改正

船舶在行進過程中其吃水會隨著行進速度的變化而發(fā)生變化，即動態(tài)吃水。因動態(tài)吃水發(fā)生在垂直方向上，對高程有較大的影響。動態(tài)吃水與船舶的速度、船型等因素有關(guān)，可以通過霍密爾動態(tài)吃水經(jīng)驗?zāi)Ｐ痛_定，消除動態(tài)吃水對瞬時潮位的影響。

5.2.3 涌浪因素的影響

因GPS所得高程為瞬時高程，其受瞬時潮位和瞬時涌浪綜合的作用所影響，故想得到瞬時潮位首先要消除瞬時涌浪的影響。潮位變化為長波周期，周期約為幾個小時；而涌浪變化為短波周期，周期約10-60s，采用低通濾波器對綜合信號中的中長周期項進行提取，就可消除涌浪影響。

5.3 潮位控制實施

5.3.1 內(nèi)業(yè)準備

RTK與PPK的測前準備工作基本相同。首先利用測區(qū)四周的控制點（4個以上為最佳）求得該測區(qū)的轉(zhuǎn)換參數(shù)（WGS-84坐標系轉(zhuǎn)到1954北京坐標系）。確定參數(shù)后，通過多種點的匹配方案，校準轉(zhuǎn)換參數(shù)的正確性，確定參數(shù)準確后，將參數(shù)輸入觀測手薄中，這樣就完成了內(nèi)業(yè)準備工作。

5.3.2 外業(yè)準備

首先在確定的已知控制點上架設(shè)基準站，準確量取天線高度，啟動并配置基準站和流動站，利用RTK模式到附近（不超過10km）已知控制點進行比測，進一步校準轉(zhuǎn)換參數(shù)。

5.3.3 外業(yè)施測

在預(yù)測航道進行施測。GPS天線固定在船艙上方開闊區(qū)域，有利于接收衛(wèi)星信號同時避免了多路徑效應(yīng)對海上GPS測量的影響。基準站與流動站的接收數(shù)據(jù)間隔設(shè)置相同可均設(shè)為5s。利用全站儀精確測量船上GPS天線在船體坐標系下的坐標。姿態(tài)傳感器安置在近乎船艙的中心位置，該位置最為接近測量船舶的重心。傳感器的采樣率設(shè)置為1Hz。其姿態(tài)參數(shù)通過軟件自動采集和存儲。

施測過程中同時記錄碼頭驗潮站水位數(shù)據(jù)。航道分兩段施測，15km以內(nèi)分別利用RTK和PPK技術(shù)采集數(shù)據(jù)；15km以外只應(yīng)用PPK技術(shù)進行外業(yè)采集，整個測量期間，PPK均實現(xiàn)了連續(xù)跟蹤，整周模糊度固定，保持了數(shù)據(jù)的連續(xù)性。外業(yè)結(jié)束后再次用全站儀測量船上GPS天線在船體坐標系下的坐標，以確保數(shù)據(jù)的準確。

6 精度分析

從外業(yè)測量數(shù)據(jù)的瞬時海面高程中反算出瞬時潮位，并與驗潮站潮位模型模擬的航道上潮位進行比較分析。兩者之間最大潮位偏差為6.5cm，最小偏差為0.8cm。這表明在利用GPS進行潮位觀測時其精度滿足規(guī)范要求。

7 結(jié)語

利用GPS RTK與GPS PPK技術(shù)進行無驗潮水深測量，潮位控制效果顯著，精度較高（可達到厘米級），各項技術(shù)指標均滿足相關(guān)規(guī)范的標準要求?？偹苤?，RTK的作業(yè)效率很高，但是距離的影響使其的作業(yè)半徑較短，而PPK技術(shù)基本不受基準站和流動站之間距離的限制，作業(yè)半徑大，方式靈活，效率高，可有效的彌補RTK的缺點不足。而在短距離范圍內(nèi)，RTK可以實時反應(yīng)測點三維坐標的優(yōu)點尤為明顯。兩者聯(lián)合使用正是相得益彰，能夠更好的提高工作效率和質(zhì)量。

參考文獻：

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