杜銳

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GPS PPK技術(shù)在遠(yuǎn)海水下地形測(cè)量中的應(yīng)用

杜銳

(上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200434)

在遠(yuǎn)海區(qū)域進(jìn)行水下地形測(cè)量，水面高程的獲取成為技術(shù)難題，采用GPS PPK技術(shù)進(jìn)行水面高程傳遞能夠取得較高的精度，并且滿(mǎn)足工程項(xiàng)目的需求。

GPS PPK；遠(yuǎn)海；水下地形測(cè)量；高程傳遞

0 引 言

近年來(lái)海上風(fēng)電發(fā)展迅速，風(fēng)電場(chǎng)選址已從近海區(qū)域延伸至遠(yuǎn)海區(qū)域(離海岸線(xiàn)30 km以上)，為工程勘測(cè)中水下地形測(cè)量帶來(lái)了技術(shù)難題。

目前，水下地形測(cè)量技術(shù)方案主要有兩種，一種是傳統(tǒng)的潮位法[1](潮位觀測(cè)、潮位推算、潮位傳遞)，該方法在測(cè)區(qū)附近設(shè)置多個(gè)臨時(shí)潮位站進(jìn)行觀測(cè)或利用周邊有效距離內(nèi)驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)，從而獲得測(cè)區(qū)潮位進(jìn)行高程傳遞，再配合測(cè)深儀數(shù)據(jù)獲取水下地形點(diǎn)；另一種為RTK三維水深測(cè)量法，該方法利用GPS RTK技術(shù)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)獲取水面高程，與測(cè)深儀數(shù)據(jù)匹配或利用測(cè)深儀七參數(shù)模式直接獲取水下地形點(diǎn)。

上述兩種技術(shù)手段均有各自的局限性，潮位法精度沒(méi)有足夠保障，且周期長(zhǎng)成本高，在遠(yuǎn)海區(qū)域更是會(huì)將這種局限性放大；RTK三維水深測(cè)量法雖然精度高且實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，但受限于基準(zhǔn)站電臺(tái)信號(hào)的發(fā)射距離，流動(dòng)站通常只能在20 km范圍內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，無(wú)法在遠(yuǎn)海區(qū)域進(jìn)行水下地形測(cè)量。

為了解決技術(shù)難題，滿(mǎn)足工程需求，經(jīng)研究論證及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，GPS PPK技術(shù)可用于遠(yuǎn)海區(qū)域水下地形測(cè)量，并在實(shí)際工程項(xiàng)目上進(jìn)行了成功的應(yīng)用。

1 技術(shù)原理

動(dòng)態(tài)后處理差分技術(shù)(PPK)，在測(cè)量過(guò)程中，只需連續(xù)記錄基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，而無(wú)需在站間進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊。事后利用IGS 提供的精密星歷或廣播星歷、原始記錄數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)，計(jì)算出基準(zhǔn)站的相位改正數(shù)。根據(jù)GPS 定位原理，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站在一定距離范圍內(nèi)定位誤差具有較好的空間相關(guān)性，故可以利用基準(zhǔn)站的相位改正數(shù)對(duì)流動(dòng)站的相位觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，進(jìn)而獲得流動(dòng)站的精確三維坐標(biāo)[2]。

載波相位觀測(cè)的校正值Δs可描述為

(1)

將校正值帶入載波相位觀測(cè)方程，可得：

{[Xi(t)-Xr(t)]2+[Y(t)-Yr(t)]2+

(2)

從式(2)中未知數(shù)的個(gè)數(shù)可知，只要流動(dòng)站接收機(jī)和基準(zhǔn)站接收機(jī)均觀測(cè)了4～5 顆以上的在視GPS衛(wèi)星，利用最小二乘法即可算出在航GPS的三維位置。

2 精度分析

為了分析GPSPPK技術(shù)的定位精度能否在遠(yuǎn)海區(qū)域達(dá)到工程需求，本文從理論精度及實(shí)驗(yàn)精度兩個(gè)方面進(jìn)行了分析，且重點(diǎn)分析高程精度是否滿(mǎn)足需求。

2.1 理論精度

雙頻GPS在PPK作業(yè)模式下，其測(cè)量精度的計(jì)算公式為[1,3]

平面定位精度

M(x，y)=±10 mm+1 ppm×D,

(3)

高程定位精度

M(h)=±20 mm+1 ppm×D,

(4)

式中：D為基線(xiàn)長(zhǎng)度，單位是km.根據(jù)式(3)及式(4)，在基線(xiàn)長(zhǎng)80 km 范圍內(nèi)，平面和高程定位精度均≤±10 cm，在遠(yuǎn)海區(qū)域(離岸邊不超過(guò)80 km)可以滿(mǎn)足海上風(fēng)電工程水下地形測(cè)量對(duì)水面高程的精度要求。

2.2 實(shí)驗(yàn)精度

本文應(yīng)用PPK技術(shù)進(jìn)行了兩次實(shí)驗(yàn)，兩次實(shí)驗(yàn)的配置參數(shù)一致，采樣間隔均為1 s，流動(dòng)站初始化時(shí)間均為5 min.

實(shí)驗(yàn)1是PPK成果與靜態(tài)成果進(jìn)行對(duì)比，在已經(jīng)做了靜態(tài)測(cè)量的控制網(wǎng)上選取一已知點(diǎn)架設(shè)PPK基準(zhǔn)站，流動(dòng)站分別到不同距離的已知點(diǎn)上以地形點(diǎn)的方式采集數(shù)據(jù)，PPK采集的數(shù)據(jù)與靜態(tài)網(wǎng)無(wú)約束平差成果比較如表1所示。由表1數(shù)據(jù)表明采用PPK技術(shù)所測(cè)成果與靜態(tài)成果高程差值均在5 cm以?xún)?nèi)。

表1 PPK成果與靜態(tài)成果比較

實(shí)驗(yàn)2是PPK成果與RTK成果進(jìn)行比較，在汽車(chē)頂部固定兩臺(tái)GPS流動(dòng)站，兩者天線(xiàn)高一致，其中一臺(tái)設(shè)置為RTK流動(dòng)站，按1秒采樣率采集連續(xù)地形；另外一臺(tái)設(shè)置為PPK流動(dòng)站，同樣按1 s采樣率采集連續(xù)地形。RTK基準(zhǔn)站架設(shè)在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地附近的已知點(diǎn)上，PPK基準(zhǔn)值架設(shè)在約30 km以外的已知點(diǎn)上，汽車(chē)以23.7 m/s的速度在平整的路面緩慢行駛，圖1示出了兩臺(tái)流動(dòng)站的高程曲線(xiàn)，由該曲線(xiàn)圖可知兩者成果非常接近。

圖2示出了兩臺(tái)流動(dòng)站的高程差值曲線(xiàn)，由圖可知RTK與PPK成果高程差值絕大部分在5 cm以?xún)?nèi)，少數(shù)歷元超過(guò)5 cm且不超過(guò)8 cm.

3 工程實(shí)例

本次應(yīng)用的工程案例為沿海某風(fēng)電場(chǎng)水下地形測(cè)量，該風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址中心距離岸線(xiàn)約30 km，面積約70 km2，場(chǎng)址范圍海底等深線(xiàn)為11到22 m.測(cè)量時(shí)采用PPK技術(shù)按一秒采樣率采集水面高程，用測(cè)深儀采集水下地形，二者通過(guò)UTC時(shí)間進(jìn)行匹[5]，再加以姿態(tài)改正、聲速改正，最終獲得水下地形點(diǎn)，圖3示出了最終地形測(cè)量成果，通過(guò)收集的第三方資料可知，測(cè)區(qū)附近驗(yàn)潮站的水準(zhǔn)點(diǎn)高程異常值為12.009 m，本工程采用PPK解算該水準(zhǔn)點(diǎn)高程異常值為11.980 m，差值為0.029 m，表明成果數(shù)據(jù)精度可靠[4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了遠(yuǎn)海區(qū)域海上風(fēng)電項(xiàng)目水下地形測(cè)量的技術(shù)難點(diǎn)，分析各種測(cè)量技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出以GPS PPK技術(shù)進(jìn)行水面高程的傳遞，通過(guò)理論分析及實(shí)驗(yàn)研究證明該技術(shù)定位精度滿(mǎn)足工程需求，并在沿海某海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目得到了成功的應(yīng)用，對(duì)同類(lèi)工程項(xiàng)目具有一定的參考意義。

[1] 李素江，王華原.GPS PPK潮位測(cè)量技術(shù)在疏浚測(cè)量中的應(yīng)用[J].水道港口,2012,32(2)：178-184.

[2] 趙建虎，王勝平，張紅梅,等.基于GPS PPK/PPP的長(zhǎng)距離潮位測(cè)量[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2008,33(9)：910-913.

[3] 諶業(yè)良,姜曉暉.雙頻GPS PPK技術(shù)在西藏公路線(xiàn)路測(cè)量中的應(yīng)用[J].水道港,2002,23(2)：97-99.

[4] 李鳳斌,柳光魁,王曉麗等.長(zhǎng)距離跨海高程基準(zhǔn)傳遞方法及精度[J].現(xiàn)代測(cè)繪, 2007,30(2):7-8,16.

[5] 美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì).NEMA-0183協(xié)議[EB/OL]. http://wenku.baidu.com/

GPS PPK Technology Application in Offshore Underwater Topographic Survey

DU Rui

(ShanghaiInvestigationDesignandResearchInstituteLtd,Shanghai200434,China)

In the offshore area of underwater topographic survey, access of surface elevation become a technical problem , GPS PPK technology for the surface elevation transmission can achieve higher precision, meet the requirements of the project.

GPS PPK； offshore； underwater topography survey； height transmission

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.023

2016-07-11

P228.4

A

1008-9268(2017)01-0111-03

杜銳 (1986-)，男，碩士生，主要從事測(cè)量數(shù)據(jù)處理工作。

聯(lián)系人： 杜銳E-mail:tjduruiboy@163.com