余春梅

( 惠州市水利水電工程質(zhì)量檢測站，廣東 惠州 516001)

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GPS-RTK技術(shù)在水下測量中應(yīng)用原理及誤差研究

余春梅

( 惠州市水利水電工程質(zhì)量檢測站，廣東 惠州 516001)

摘要：水下測量是水下工程作業(yè)的基礎(chǔ)工作，它對(duì)工程的進(jìn)度、質(zhì)量及安全性十分關(guān)鍵。首先，對(duì)GPS-RTK技術(shù)在水下測量中應(yīng)用原理進(jìn)行了闡述，對(duì)地下高程的計(jì)算公式進(jìn)行了圖例說明。接著，對(duì)GPS-RTK技術(shù)在水下測量中誤差的影響因素從傳輸時(shí)間延遲、水面變化、聲速剖面、潮位周期以及高程異常等方面進(jìn)行了分析。最后，對(duì)如何有效控制GPS-RTK水下測量誤差進(jìn)行來探討，認(rèn)為可以從設(shè)置水文觀測站擴(kuò)大水文數(shù)據(jù)的截面、控制時(shí)間延遲導(dǎo)致的測量誤差、消除波浪對(duì)平面數(shù)據(jù)造成的誤差以及消除波浪對(duì)L數(shù)據(jù)的影響等方面進(jìn)行思考。

關(guān)鍵詞：水下工程；水下測量；GPS-RTK技術(shù)；測量優(yōu)化；測量誤差

隨著人類工程技術(shù)的不斷發(fā)展，水下測量的難度越來越?。辉谒鹿こ虦y量實(shí)踐中，相關(guān)的測量理論和測量技術(shù)也不斷得以改進(jìn)，其中，較為成熟的就包括GPS-RTK技術(shù)。事實(shí)上，GPS-RTK技術(shù)是計(jì)算技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、測繪技術(shù)以及自動(dòng)化技術(shù)綜合產(chǎn)生的結(jié)果，它能夠被用來對(duì)水下的地形、高程等進(jìn)行實(shí)時(shí)測量并傳輸回地面控制中心。接下來，本文將對(duì)水下測量中GPS-RTK技術(shù)的原理進(jìn)行分析，并對(duì)測量中誤差的形成因素、誤差的控制措施進(jìn)行研究[1]。在此，筆者希望相關(guān)分析和研究能夠?qū)Ω倪M(jìn)GPS-RTK技術(shù)，并促進(jìn)該技術(shù)在水下測量中更加成熟地運(yùn)用有積極作用。

1水下測量中GPS-RTK技術(shù)的基本原理

為了對(duì)水下地形以及高程等參數(shù)進(jìn)行測量，GPS-RTK技術(shù)充分運(yùn)用了高精度的測探儀以及RTK三維坐標(biāo)，它能夠?qū)⑺聹y得數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回控制中心[2]。如圖1所示，如果將測量儀器放置在船舶中，并記船舶的靜態(tài)吃水深度為d，水面與RTK坐標(biāo)天線的垂直距離為L，水面與當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)面之間的垂直深度為T，RTK天線與WGS參考橢球面的垂直距離為H，WGS參考橢球面與當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)面之間的距離為§，船底換能器至海底泥面之間的距離為S，當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)面至海底泥面之間的距離為h。

圖1　GPS-RTK三維水下地形測量的基本原理圖

計(jì)算公式為：

H85=H-§，h=S+d+L-H85

(1)

式中：h為反映水下地形的指標(biāo)；S可以被測探儀器實(shí)時(shí)獲?。?d+L)可以由鋼卷尺丈量獲取，它是一個(gè)固定值；H85為85高程，它是RTK實(shí)時(shí)獲取。

2GPS-RTK技術(shù)在水下測量中誤差的影響因素

盡管GPS-RTK技術(shù)已經(jīng)比較成熟，然而在水下測量中的精度仍然存在一定誤差。導(dǎo)致測量誤差產(chǎn)生的原因包括設(shè)備精度、作業(yè)環(huán)境以及測量人員業(yè)務(wù)水平等。

2.1水面變化影響到鋼尺測量的精確性

在進(jìn)行水下測量作業(yè)時(shí)，風(fēng)的大小難以被控制，會(huì)導(dǎo)致水面呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，這就導(dǎo)致難以確定一個(gè)精確的靜態(tài)水面。此時(shí)，用鋼尺測量所獲取的船舶吃水深度、RTK到水面的距離等指標(biāo)數(shù)據(jù)精確度就會(huì)受到影響。

2.2傳輸時(shí)間延遲產(chǎn)生定位誤差

在水下測量時(shí)，船舶不可能處于絕對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這就導(dǎo)致RTK輸出的數(shù)據(jù)在傳回控制中心時(shí)與初始定位存在誤差。假設(shè)RTK以10 組/s的頻率發(fā)出坐標(biāo)，而船舶的航速為5kn，坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳回存在的延遲時(shí)間為0.1 s，那么會(huì)發(fā)生的定位誤差為0.257 m，這就不難理解為什么會(huì)產(chǎn)生測量誤差了。

2.3操作不規(guī)范所造成的誤差

在使用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行水下測量時(shí)，需要嚴(yán)格同步所有設(shè)備的時(shí)間。然而，由于操作不規(guī)范的原因，如果GPS-RTK與計(jì)算機(jī)時(shí)間沒有同步，而又選擇采用UTC時(shí)間，那么定位坐標(biāo)、GGA、測探數(shù)據(jù)等在計(jì)算機(jī)中被處理時(shí)將按照UTC時(shí)間操作。如此一來，在UTC時(shí)間與電腦時(shí)間存在差異的情形將導(dǎo)致三位信息混亂，從而使得測量數(shù)據(jù)不可靠[3]。

2.4聲速剖面引起的誤差

聲音在水中的傳播速度不是恒定的，它會(huì)受到水質(zhì)、含鹽量、水深、溫度以及硬度的影響。尤其對(duì)于時(shí)間跨度長、水面跨度大的水下工程，季節(jié)變化以及水下基槽的變化也會(huì)引起聲速的變化。假設(shè)ODOM測探儀器發(fā)射時(shí)的聲速為1 500 m/s，發(fā)射頻率為1～20 次/s，水深度為40m，一個(gè)地形回報(bào)信號(hào)的時(shí)間為0.053s；如果在其他參數(shù)不變的情況下，水溫變化導(dǎo)致聲速變化為1 510 m/s，那么距離測量結(jié)果將會(huì)發(fā)生0.53 m的誤差。

2.5潮位周期引起的誤差

在水下測量作業(yè)的過程中，船舶總是會(huì)受到水波浪的影響。尤其是在測量船長度及寬度較小時(shí)，波浪波長對(duì)船舶對(duì)影響更大。此時(shí)，船舶靜態(tài)水面到當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)面之間的距離T就會(huì)受到較大的影響。隨著波浪影響的持續(xù)，這種影響會(huì)被累積起來，從而影響到地形數(shù)據(jù)h的精確性，所測得的水下地形三維數(shù)據(jù)也會(huì)產(chǎn)生較大誤差。

2.6高程異常引起的誤差

重力場以及橢球曲率半徑測量發(fā)生差異的可能性較大，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致參考橢球面與模擬大地水準(zhǔn)面存在重合偏差。加之RTK基站在隨時(shí)發(fā)生變化，這種偏差會(huì)表現(xiàn)得更加明顯，并進(jìn)一步導(dǎo)致高程異常。比如，在對(duì)狹長區(qū)域進(jìn)行水下測量時(shí)，上述偏差隨著RTK基準(zhǔn)站的變化較明顯，85高程與h的精度都會(huì)受到影響。

3有效控制GPS-RTK水下測量誤差的策略

GPS-RTK水下測量誤差會(huì)對(duì)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算精度產(chǎn)生重要影響，并會(huì)對(duì)工程質(zhì)量起到不可忽略的作用。因此，需要在測量作業(yè)中采取多種策略來對(duì)GPS-RTK水下測量誤差進(jìn)行控制。

3.1消除波浪對(duì)L的影響

如圖1所示，d+L為RTK天線到船底換能器之間的距離，它是一個(gè)固定值。因此，可以用鋼尺將d和L兩個(gè)分值的測量合二為一，即，直接測量RTK到船底換能器的距離，并將其記為N。船舶吃水深度d也可以被改正為一個(gè)固定值，那么RTK天線到靜態(tài)水面之間的距離L也可以被視為一個(gè)固定值，其計(jì)算方法為L=N-d。以上改變并不會(huì)影響h的計(jì)算方法，從而可以提升水下地形測量的精度。

3.2消除波浪對(duì)平面數(shù)據(jù)造成的誤差

在測量作業(yè)的過程中，需要保持船舶縱軸垂直于波浪，即船舶應(yīng)該垂直于波浪移動(dòng)。在這種情形下，如圖1所示，H與S測量中的誤差就可以相互抵消，從而可以對(duì)見效最后的測量誤差有積極作用。船舶垂直過程中，波浪對(duì)船舶對(duì)橫向晃動(dòng)會(huì)相對(duì)縮小，對(duì)于仍然存在誤差的參數(shù)S，可以通過采用運(yùn)動(dòng)傳感器來消除或者有效減弱[4]。

3.3控制時(shí)間延遲導(dǎo)致的測量誤差

1)需要將GPS時(shí)間、計(jì)算機(jī)時(shí)間及其他設(shè)備的時(shí)間進(jìn)行精確同步，防止時(shí)間混亂導(dǎo)致測量結(jié)果的失真。

2)需要精確計(jì)算聲速的變化，并根據(jù)實(shí)時(shí)變化情況作出改正，尤其是要在內(nèi)業(yè)處理時(shí)采用確實(shí)的聲速，從而提升地下三維RTK測量的精度。

3.4設(shè)置水文觀測站擴(kuò)大水文數(shù)據(jù)的截面

在對(duì)水下地形進(jìn)行測量后，會(huì)通過內(nèi)業(yè)處理來對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。由于短時(shí)間內(nèi)獲取的流向、流速、鹽度、溫度、浮標(biāo)海浪等數(shù)據(jù)難以精確反映真實(shí)情況。因此，需要通過設(shè)置水文觀測站對(duì)相關(guān)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行長時(shí)間統(tǒng)計(jì)，從而通過更大截面的數(shù)據(jù)來獲取更加精確的調(diào)整值。比如，通過較大數(shù)據(jù)，可以將RTK潮位設(shè)置為大截面波浪半周期數(shù)據(jù)的整數(shù)倍值。如此一來，船舶靜態(tài)水面與當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)面之間距離值T的誤差就可以得到有效減弱，從而有助于提升地下RTK測量的精確度。

4結(jié)語

在進(jìn)行水上石油平臺(tái)、跨河/海橋梁、跨河隧道、河道或者海岸整治等工程建設(shè)時(shí)，需要對(duì)水下地形等進(jìn)行精確測量，從而在確保建筑質(zhì)量的同時(shí)提升建筑后續(xù)使用的安全性。然而，由于水文情況不斷變化，現(xiàn)有的GPS-RTK測量技術(shù)存在或大或小的誤差。因此，需要熟悉GPS-RTK測量技術(shù)的應(yīng)用原理，并在測量實(shí)踐中不斷探索其應(yīng)用精度改善的途徑。尤其是要對(duì)產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行分析，根據(jù)這些原因，從計(jì)算技術(shù)、操作方法以及指標(biāo)設(shè)置等角度進(jìn)行誤差控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃珍雄.單波束水下地形測量精度的改進(jìn)方法研究[D].上海：東華理工大學(xué),2013.

[2]張英俊.GPS定位技術(shù)在長輸管線工程中的應(yīng)用研究[D].青島：山東科技大學(xué),2006.

[3]王守彬,王新洲,劉曉東,GPS-RTK與數(shù)字測深集成技術(shù)在水下地形測量中的應(yīng)用[J].測繪信息與工程,2004(06):30-31.

[4]鄭偉,李煒.GPS-RTK三維水下地形測量的應(yīng)用與誤差分析[J].中國港灣建設(shè),2015(07):42-45.

文章編號(hào)：1007-7596(2016)02-0039-02

[收稿日期]2015-11-28

[作者簡介]余春梅(1982-)，女，廣東惠州人，工程師，從事水利檢測工作。

中圖分類號(hào)：TV221.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B