馮金濤,尤寶平,邊 剛,楊慶宇
(海軍大連艦艇學(xué)院海洋測繪系,遼寧 大連 116018)
一種新的沿海區(qū)域(似)大地水準(zhǔn)面測定方法
馮金濤,尤寶平,邊 剛,楊慶宇
(海軍大連艦艇學(xué)院海洋測繪系,遼寧 大連 116018)
在我國沿海區(qū)域,由于實(shí)測重力數(shù)據(jù)缺乏,衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)在這些區(qū)域的空白或質(zhì)量降低,使得依據(jù)目前的理論和技術(shù)手段所確定的大地水準(zhǔn)面在陸域和海域的邊界產(chǎn)生割裂現(xiàn)象,導(dǎo)致存在著所謂的陸地大地水準(zhǔn)面和海洋大地水準(zhǔn)面。本文針對(duì)實(shí)際中遇到的問題,提出并系統(tǒng)研究了聯(lián)合GPS RTK與瞬時(shí)水位推算技術(shù)確定沿海區(qū)域大地水準(zhǔn)面的方法,并通過試驗(yàn)計(jì)算證明了該方法的可行性。
大地水準(zhǔn)面;GPS;RTK;高斯濾波;卡爾曼濾波
大地水準(zhǔn)面是地球重力場的重要幾何特征。大地水準(zhǔn)面的確定有適合于陸地和海洋區(qū)域的常規(guī)重力測量方法、衛(wèi)星重力方法,適合于陸地區(qū)域的天文水準(zhǔn)方法和天文重力水準(zhǔn)方法,適合于海洋區(qū)域的衛(wèi)星測高法。在嚴(yán)格的理論意義上,由這些方法確定的大地水準(zhǔn)面應(yīng)是全球統(tǒng)一和連續(xù)的封閉曲面。然而,由于采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不同,以及方法手段上存在差異,特別是在我國沿岸近海區(qū)域,存在著所謂的陸地大地水準(zhǔn)面和海洋大地水準(zhǔn)面。人們只能通過有關(guān)的數(shù)學(xué)手段力求使二者統(tǒng)一和連續(xù)。
在陸地區(qū)域,GPS+水準(zhǔn)實(shí)測高程異常對(duì)(似)大地水準(zhǔn)面精化起著關(guān)鍵的控制作用,而在沿海區(qū)域,目前尚未推出大地水準(zhǔn)面的直接實(shí)測手段,缺乏對(duì)由重力方法和其他方法測定的大地水準(zhǔn)面的有效檢測和糾正,而這種需求是目前海洋大地水準(zhǔn)面研究急需解決的迫切任務(wù)。本文提出的聯(lián)合GPS RTK與瞬時(shí)水位推算技術(shù)推求沿海區(qū)域大地水準(zhǔn)面的方法,目的就是為了解決這一問題。方法通過對(duì)GPS RTK高精度動(dòng)態(tài)定位觀測數(shù)據(jù)和驗(yàn)潮站水位觀測數(shù)據(jù)的綜合處理,實(shí)現(xiàn)沿海區(qū)域大地水準(zhǔn)面的直接測定。
聯(lián)合GPS RTK與瞬時(shí)水位推算技術(shù)推求沿海區(qū)域大地水準(zhǔn)面的方法,其基本思想是利用GPS RTK測量獲取瞬時(shí)海面大地高,水位控制推算測點(diǎn)瞬時(shí)水位T1(x,y,t),計(jì)算地區(qū)海面地形ζ(x,y),最終解算大地水準(zhǔn)面高N(x,y),如圖1所示。
圖1 基準(zhǔn)面關(guān)系
計(jì)算流程如圖2所示。
圖2 計(jì)算流程
前文已介紹了此方法的基本思想,下面將結(jié)合實(shí)例論述該方法的可行性。
本文選擇了某海區(qū)內(nèi)航道、防浪堤外側(cè)的一個(gè)1.0 km×1.0 km的水域進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中,3臺(tái)Trimble 4700 GPS接收機(jī)主要用于RTK測量和PPK測量。其中1臺(tái)接收機(jī)用作基準(zhǔn)站,基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)采用RTK測量模式。同時(shí),基準(zhǔn)站的測量數(shù)據(jù)需要采用RTK Infill存儲(chǔ)在接收機(jī)。
為了使差分信號(hào)有足夠的輻射距離,基準(zhǔn)站的發(fā)射天線固定在基準(zhǔn)站旁邊的燈標(biāo)上,距地面高度約20 m。
船上架設(shè)1臺(tái)GPS接收機(jī),接收機(jī)天線固定在船艙上燈架的左側(cè),位置開闊,易于觀測且避免了多路徑效應(yīng)對(duì)海上GPS測量的影響。安裝在燈架左側(cè)的GPS天線主要用于RTK測量,中間位置的無線電鞭狀天線用于接收來自基準(zhǔn)站的無線電差分信號(hào)。
測量中,2臺(tái)GPS接收機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)間隔均設(shè)置為1 s,RTK定位間隔設(shè)置為1 s。
然后同時(shí)提取RTK定位數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)。TSS姿態(tài)傳感器安置在近乎船艙的中央位置,該位置即近似為測量船的重心位置。TSS的采樣頻率設(shè)置為1 Hz。
測量期間,嚴(yán)格監(jiān)視Trimble 4700的工作狀態(tài),確保GPS RTK始終處于整周模糊度固定狀態(tài)。期間,潮位站數(shù)據(jù)連續(xù)記錄。
海上試驗(yàn)期間船載各傳感器的位置始終未發(fā)生變化。在海上試驗(yàn)結(jié)束后,利用全站儀測量船載各傳感器在船體坐標(biāo)系VFS下的坐標(biāo)。測量期間,進(jìn)行了重復(fù)測線測量,計(jì)算了時(shí)延、MRU安裝偏差等參數(shù)。
為證明方法的可行性并提高計(jì)算精度,本文將試驗(yàn)過程分為兩步:①分別以高斯濾波、卡爾曼濾波處理的瞬時(shí)海面大地高為基礎(chǔ),聯(lián)合當(dāng)?shù)厮桓恼龜?shù)據(jù)及海面地形,解算該區(qū)域大地水準(zhǔn)面高,再通過主副測線交叉點(diǎn)不符值中誤差評(píng)估計(jì)算質(zhì)量;②比較這兩種方法的優(yōu)劣及各自適用條件。
該測區(qū)測線相對(duì)位置關(guān)系如圖3所示。
(1) 應(yīng)用高斯濾波法處理數(shù)據(jù)的質(zhì)量評(píng)估分析
鑒于該測區(qū)范圍不大,海面地形變化浮動(dòng)很小,故以常數(shù)ξ=-0.02 m代替;高斯公式中的濾波寬度n取81。則大地水準(zhǔn)面高N為
N=HRTK-Δzattitude-h天線-Δh水面-Δh水位-ξ
(1)
式中,HRTK為GPS模式下測得的天線相位中心的瞬時(shí)大地高;Δzattitude為姿態(tài)改正值;h天線為天線高;Δh水面為姿態(tài)傳感器中心至海面高度;Δh水位是瞬時(shí)水位改正值;ξ為海面地形。
圖3 測區(qū)測線相對(duì)位置關(guān)系
上述各分量的數(shù)值或直接給出,或測量計(jì)算得到。在將大地水準(zhǔn)面高改化到瞬時(shí)海平面時(shí)再進(jìn)行高斯濾波,順序不能改變,之后再進(jìn)行水位改正及海面地形的剔除,最后得到大地水準(zhǔn)面高N。
聯(lián)合瞬時(shí)大地高及瞬時(shí)水位的交叉點(diǎn)不符值信息見表1。
表1 交叉點(diǎn)不符值
由表1可知:由于使用高斯濾波后每一條測線兩端的數(shù)據(jù)有部分損失,使得每一條處理后的測線相對(duì)變短,因此損失了部分交叉點(diǎn)信息。求得測線交叉點(diǎn)處的不符值以后,大地水準(zhǔn)面測量采用以下公式進(jìn)行精度估算
(2)
式中,Δhij表示交叉點(diǎn)大地水準(zhǔn)面高不符值;N表示主副測線實(shí)際相交點(diǎn)總個(gè)數(shù)。計(jì)算可得M1=±2.7 cm。
(2) 應(yīng)用卡爾曼濾波法處理數(shù)據(jù)的質(zhì)量評(píng)估分析
相對(duì)于高斯濾波,經(jīng)卡爾曼濾波后的測線數(shù)據(jù)沒有損失,保持了改正前后相同的數(shù)據(jù)長度,對(duì)于同一批主副測線可以得到較多的交叉點(diǎn)不符值信息,見表2。
表2 交叉點(diǎn)不符值
經(jīng)計(jì)算可得M2=±5.1 cm。
綜上,可以比較得出M1
綜上,高斯濾波、卡爾曼濾波處理數(shù)據(jù)雖然各有優(yōu)劣,但從兩種方法的結(jié)果看來,無論哪種方法,聯(lián)合GPS RTK與瞬時(shí)水位推算技術(shù)推求沿海區(qū)域大地水準(zhǔn)面的方法都是可行的,并可達(dá)到較好的精度要求。
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2016-04-11
海軍大連艦艇學(xué)院科研發(fā)展基金(DJYKYKT 2015-21);國家自然科學(xué)基金(41374108;41476087;41576015)
馮金濤(1982—),男,碩士,研究方向?yàn)楹Q鬁y繪教學(xué)研究。E-mail:whitefjt@163.com