廖正康

（福建省海陸勘測有限公司，福建 福州 350000）

0 引言

在外海海洋測繪中，測量區(qū)往往離陸地較遠且附近缺乏島礁，會出現(xiàn)無法接受岸上基站信息或手機等網(wǎng)絡信息無法送達的情況，外海高程傳輸通常采用雙潮位儀結合同步期平均海平面法來實現(xiàn)外海高程傳遞的功能。然而，在投放外海潮位儀時，很難避免潮位儀因受海況的影響而出現(xiàn)移動的現(xiàn)象，且過往船只或漁網(wǎng)也會對其造成破壞甚至使其丟失，導致無法得到正常高基準。利用EGM2008重力場模型和RTX全球精密星基差分方法為外海測量高程傳遞提供新的解決方法。RTX全球精密星基差可以得到準確的三維坐標，高程為大地高，這與工程需要的1985國家高程系統(tǒng)有差距，需要結合EGM2008重力模型將大地高轉換為正常高，以探討EGM2008和星基差分系統(tǒng)在外海水深測量中的應用。

1 EGM2008重力模型

EGM2008地球重力場模型是由美國國家地理空間情報局在充分利用最新數(shù)據(jù)的基礎上研究并在2008年4月推出的新型地球重力場模型（階次分別為2190、2159）。EGM2008地球重力場模型采用的基本格網(wǎng)分辨率為5′×5′。中國測繪科學研究院研究員章傳銀等人[1]曾使用我國各地共7788個GNSS高程點數(shù)據(jù)對EGM2008地球重力場模型展開了深入研究。結果表明，各地使用EGM2008地球重力場模型計算的高程異常值與中國GNSS水準高程異常值有一定差異，大約為20 cm，其中華東、華中地區(qū)為12 cm，華北地區(qū)為9cm，西部地區(qū)則為24 cm。

利用EGM2008重力場模型計算表面上任意點的高程異常，如公式（1）所示。

式中：φ、λ和ρ分別為P點的地心緯度、地心經度和地心向徑；α為參考橢球的長半軸；GM為地心引力常數(shù)與地球質量的乘積；rp為P點的正常重力值；Pnm（sinφ）為完全規(guī)格化 Legndra函數(shù)；Cnm、Snm為完全規(guī)格化位系數(shù)；n、N為重力場模型展開的最高階數(shù)[2]。

由于1985國家高程基準采用的似大地水準面與EGM2008重力模型不同，將大地水準面相互之間存在的差別記作Δξ，如公式（2）所示。

式中：n為水準點個數(shù)； ξ為1985國家高程異常值； ξM為EGM2008重力模型高程異常值。

EGM2008地球重力場模型是目前現(xiàn)有的清晰度最大、精確度最佳且階次變化最多的世界重力場建模，無論是精度還是分辨率都比EGM84、EGM96等模型高。

2 Trimble RTX 全球精密星基差分系統(tǒng)精度

RTX（Real-Time eXtended）實時差分系統(tǒng)技術是Trimble研發(fā)的一種定位技術，是把多種自主創(chuàng)新科技融合在一起，使用戶可以在不經過各種地面基礎站電臺或網(wǎng)絡參考站點鏈接的情況下，實現(xiàn)在地球表面任意區(qū)域厘米級定位的功能。這種新定位技術以L波段衛(wèi)星鏈路或互聯(lián)網(wǎng)在全球范圍生成和交付精確的衛(wèi)星改正數(shù)據(jù)（軌道、時鐘和系統(tǒng)偏差）為基礎。總體系統(tǒng)基本架構如圖1所示。

圖1 總體系統(tǒng)基本架構圖

Trimble RTX全球精確定位服務是利用Trimble在世界建立的120多個地面跟蹤站的 GNSS 觀測數(shù)據(jù)算出精確的衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差，然后利用衛(wèi)星和互聯(lián)網(wǎng)的方式將差分改正數(shù)據(jù)傳遞給單臺GNSS接收機，對其采集的相位和偽距觀測值進行差分位置解算，其定位精度見表1。

表1 定位精度

RTX差分改正支持美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、日本的QZSS及中國的北斗系統(tǒng)，現(xiàn)在RTX差分服務已經廣泛地在各個行業(yè)中使用，且RTX星站差分服務系統(tǒng)已經推出了各種即時差分改正業(yè)務。

該項目使用Trimble Marine BX992 GNSS定位定向接收機，是天寶最新一代雙天線GNSS接收機，能夠提供精確的定位和定向。采用Trimble最新一代的Maxwell 7 芯片，衛(wèi)星達到 672 通道。可以接收GPS、GLONASS、Galileo、QZSS、SBAS、北斗等系統(tǒng)的單點定位（也稱為"絕對定位"）。并根據(jù)一臺采用10米基線的接收機觀測數(shù)據(jù)來確定接收機位置，主要用于導航定位，其遙感衛(wèi)星的分辨率可以達到亞米級的精度，定向精度為0.05°，訂購RTX 全球精密星基差分信號服務，定位精度為水平2 cm、高程5 cm。

3 同步時平均海平面

平均海平面（meansealevel）的主要計算方法是逐時法和平均法。平均海平面有日平均海平面、月平均海平面，年平均海平面和多年平均海平面等。由于潮水因月亮而引起，根據(jù)農歷閏月推算，其3年為一閏，5年為二閏，19年為七閏，因此通常將19年設為一個周期。在該工程項目中，一些驗潮站常用18.6年或19年里每小時的觀測值求出平均值，并將其作為該站的平均海平面，以確保平均海平面的計算精確度。

在外海水深測量中，采用同步期平均海面法傳遞高程是一種已被長期采用且簡單、精度高的方法，計算同步期平均海面常用的計算方法有24 h或25 h平均法、杜德森方法、魯斯特方法、陳宗鏞方法[3]。世界各地的平均海平面存在一定差別，不過差距很小，有調查資料指出100 km～200 km海區(qū)范圍內的平均海平面高程變化僅有幾厘米[4]。

同步期平均海平面法外業(yè)采用瑞士Keller DCX-25自容式潮位儀，它是根據(jù)中國海域海水的特點而研發(fā)的自容式潮位儀。它采用了高精度哈氏合金材質的壓力傳感器，在保證精度的前提下抗腐蝕性更強。同時，外殼采用工程塑料材質，克服了容易腐蝕生銹的缺點，更好地保障了內部電路及存儲器的安全性。Keller DCX-25自容式潮位儀采用獨立的溫度傳感器，保證了壓力的溫度補償效果。

Keller DCX-25自容式潮位儀自動記錄潮位數(shù)據(jù)，再結合人工潮位觀測資料將潮位數(shù)值歸算到85高程基準，有研究表明利用一天的觀測資料算出的平均海平面相對波動較大，連續(xù)觀測3 d的同步數(shù)值能夠保持一定精度的傳遞。在考慮較遠的海域時，為保證傳遞高程的準確性，需要有連續(xù)7 d的同步觀測數(shù)值。這樣高程傳遞精度也可滿足四等水準的要求。

同步時平均海平面應用在潮汐性質相似的海海區(qū)，根據(jù)潮汐周期又可分為半日潮型、全日潮型以及混合潮型。

半日潮型的特點是一個晝夜內發(fā)生兩次高潮和兩次低潮，每次的高潮和低潮的潮差基本相同，而漲潮到落潮時間及落潮到漲潮的時間也大體相等（大致為372 min）。中國沿海海域多數(shù)地區(qū)為半日潮型。福建沿海區(qū)域是典型的半日潮，可以使用同步期平均海平面?zhèn)鬟f高程法。

4 工程實例

該水深測量測區(qū)水深約為30 m～40 m，由于面積較大且測區(qū)遠離大陸，距福建沿海約40 km，測區(qū)內無島礁，無通信信號，因此無法布設測量控制點，該外海測量范圍大、時間緊，測量采用的多波束測深系統(tǒng)是目前世界上最先進的進行水下地形測量的設備，多波速具有測量范圍大、速度快、精度和效率高、記錄數(shù)字化以及能夠實時自動繪圖的優(yōu)點，可以將傳統(tǒng)的測深技術從單波束的點、線擴展到面，并發(fā)展到立體測深和自動成圖。它主要由主系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。其主系統(tǒng)主要包括發(fā)射接收陣、收發(fā)單元、海底檢測單元和操作控制單元四個部分，輔助系統(tǒng)主要包括定位系統(tǒng)、聲速剖面測量系統(tǒng)、電羅經和船姿傳感器，多波束測深系統(tǒng)通過聲波發(fā)射與接收換能器陣進行聲波廣角度定向發(fā)射、接收，在與航向垂直的垂面內形成條幅式高密度水深數(shù)據(jù)，能精確、快速地測出沿航線一定寬度條帶內水下目標的大小、形狀和高低變化，從而精確、可靠地描繪出海底地形地貌的精細特征。該定位系統(tǒng)采用Trimble Marine BX992 GNSS星站差分技術，可以準確獲取200O國家大地坐標系以及大地高，2000國家大地坐標系是我國當前最新的國家大地坐標系（英文名稱為China Geodetic Coordinate System 2000，英文縮寫CGCS2000），于2008年4月獲得國務院批準，自2008年7月1日起，中國將全面啟用2000國家大地坐標系，國家測繪局授權組織實施。

按照設計工作需求，該測量成果平面坐標系為2000國家大地坐標系、1985國家高程基準。一種可以得到相應的高程基準的方法是采用雙潮位結合同步期平均海平面得到項目所需的正常高，另一種方法是采用Trimble Marine BX992 GNSS星站差分系統(tǒng)和EGM2008重力模型來計算各區(qū)域的高程異常值，從而將大地高轉換成正常高。

4.1 驗潮模式

分別在大陸岸邊及外海測量范圍內布設自動KELLERDCX25型壓力式潮位儀，將驗潮儀記錄時間間隔設置為10min。在陸地岸邊站架設水尺驗潮，通過四等水準將高程傳遞至水尺頂。在短期內定時人工觀測水尺，同時記錄岸邊站潮位儀的數(shù)值，并計算岸邊站驗潮儀的零點高程；在測區(qū)內布設壓力式驗潮儀作為臨時推算站，岸邊短期潮位站采用同步期平均海面法傳遞高程，獲得臨時推算站驗潮儀的零點高程，其中同步期平均海平面的計算方法是逐時潮位求平均法。岸邊與測區(qū)同步水位觀測數(shù)據(jù)如圖2所示，由圖2可以發(fā)現(xiàn)，測區(qū)驗潮站與岸邊驗潮站的海域潮汐性質相同，為規(guī)則半日潮，從數(shù)值記錄角度看，數(shù)值連續(xù)且具有較好的穩(wěn)定性，又因為兩處相距較遠，所以兩處的最大潮差超過了20cm，平均潮時差不足10 min且水位曲線重合率較好。

圖2 岸邊與測區(qū)同步水位觀測示意圖

根據(jù)驗潮儀8天的同步水位觀測數(shù)據(jù)，人工驗潮結合自動潮位儀計算出岸邊驗潮站平均海平面在85國家高程基準面上25cm，以平均海平面在同步期相等的原則，將驗潮數(shù)值導入多波速處理軟件中輸出水下正常高值。

4.2 EGM2008地球重力場模型計算正常高

RTX全球精密星基差分得到的三維坐標與工程需要的1985國家高程系統(tǒng)有差距。該文在實際工程項目中分別采用了RTX全球精密星基差分系統(tǒng)和EGM2008重力模型進行高程轉換。筆者收集了測區(qū)沿海周邊水準控制點，通過計算比較和綜合分析，最終選擇似大地水準面之間存在差異為Δξ=0.20m。經過基準面差異改正后的最終85高程如公式（3）所示。

式中：H85為1985國家高程值；H84為大地高；ξEGM為EGM2008重力模型高程異常值。

利用EGM2008地球重力場模型和星基差分系統(tǒng)得到水面正常高系統(tǒng)，將數(shù)值與多波速水深值結合，得到水下正常高值。采用Trimble Marine BX992 GNSS星站差分和EGM2008重力模型來計算各區(qū)域水下的85高程值，并將其與同步期平均海平面的驗潮模式計算的高程值進行比較。選取測區(qū)平均分布的區(qū)域進行比較，較差與精度見表2。

表2 EGM2008重力模型與驗潮模式下高程較差（單位：m）

從表2中可以看出，測區(qū)不同區(qū)域采用兩種方法計算得到的高程的最大值為12 cm，精度較好，驗證EGM2008地球重力場模型和星基差分系統(tǒng)可以在外海大比例尺水深測量中應用。

5 結語

通過采用雙潮位儀結合平均海平面法實現(xiàn)高程傳遞的方法已經成熟應用于外海測量中，該方案在海洋工程中的應用較簡單，可以很好地解決外海高程傳遞的問題。根據(jù)國際標準要求和有關研究可以得出，平均海平面的傳遞精度隨著同步驗潮時長的增大會明顯提高，15 d～30 d的同步驗潮數(shù)據(jù)得到的平均海面最大誤差范圍大約為1 cm～2 cm。但采用該方法仍有一些局限，該方法適合潮汐性質一致的外海，并且在放置外海潮位儀時，要要保證其牢固且不被損壞。同時，潮位儀數(shù)據(jù)要覆蓋整個測量時段。

采用Trimble Marine BX992 GNSS星站差分和EGM2008重力模型來進行高程傳遞，通過分析比較結果可知，經過基準面差異改正后得到的精度也可以滿足外海水深工程測量的要求，該方法可作為外海測量求取正常高的新方法。