于友帥，喻煥章

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290）

0 引言

隨著GNSS 技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)（RTK）以定位速度快、精度高的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各種測(cè)量中，而連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（CORS）則將RTK 技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將差分?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給用戶。隨著科技的發(fā)展，近些年來(lái)，以無(wú)人載具為載體，搭載多種測(cè)量?jī)x器的智能化測(cè)量系統(tǒng)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，而無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)就是一種將無(wú)人船船體、GNSS 定位設(shè)備、水深測(cè)量設(shè)備相結(jié)合的智能化水深測(cè)量系統(tǒng)。

本文通過(guò)介紹Ocean α SL40 全自動(dòng)無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)在香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)第三跑道填海工程（簡(jiǎn)稱香港三跑工程）中利用香港衛(wèi)星定位參考站網(wǎng)獲取網(wǎng)絡(luò)RTK 差分信號(hào)進(jìn)行無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量的應(yīng)用情況，展現(xiàn)了基于網(wǎng)絡(luò)RTK 的無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)水深測(cè)量的高精度性及在特殊水域環(huán)境下良好的適應(yīng)性，為城市填海工程水深測(cè)量方法提供了更加豐富的選擇。

1 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

香港三跑工程是一個(gè)超大型的填海造地工程，成陸面積達(dá)650 萬(wàn)m2。本項(xiàng)目采取非浚挖式回填施工工藝，為確保海床的穩(wěn)定性，回填施工設(shè)有嚴(yán)格的分層限制?；靥钍┕ぶ饕譃樯皦|層（原始海床以上2 m）、砂墊層～-1 mPD（香港高程基準(zhǔn)面）、-1～+2.5 mPD、+2.5 mPD～設(shè)計(jì)標(biāo)高4 個(gè)階段。在完成第二階段砂墊層～-1 mPD 的回填施工后，施工區(qū)內(nèi)大部分水域低潮時(shí)的平均水深已接近1 m，由于回填施工質(zhì)量控制存在一定的不確定性，施工區(qū)內(nèi)可能存在極淺點(diǎn)。若采取傳統(tǒng)的水深測(cè)量方法，該回填階段的水深測(cè)量工作必須趁潮進(jìn)行。由于本項(xiàng)目所處海域潮汐為不規(guī)則半日潮，高高潮在時(shí)間分布上存在夏秋季多出現(xiàn)在晝間，春冬季多出現(xiàn)在夜間的特點(diǎn)，測(cè)量工作的組織存在一定的不確定性。在項(xiàng)目的施工過(guò)程中，由于工程設(shè)計(jì)要求和施工組織安排等原因，施工區(qū)內(nèi)會(huì)形成一些半封閉、封閉水域。此類水域無(wú)傳統(tǒng)測(cè)量船只的進(jìn)出通道，為測(cè)量工作的實(shí)施增加了一定難度。

2 基于網(wǎng)絡(luò)RTK 的無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)的工作原理

鑒于上述工程特點(diǎn)及難點(diǎn)，加之香港地區(qū)已有成熟的、免費(fèi)對(duì)用戶開放的香港衛(wèi)星定位參考站網(wǎng)系統(tǒng)，采用基于網(wǎng)絡(luò)RTK 的Ocean α SL40無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)水域水深測(cè)量工作。

RTK 無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量模式的科學(xué)性和準(zhǔn)確性已經(jīng)得到業(yè)界的充分認(rèn)證和認(rèn)可[1-2]。常規(guī)的RTK無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量模式多是通過(guò)在已知點(diǎn)上架設(shè)基準(zhǔn)站，通過(guò)無(wú)線電通訊來(lái)獲取RTK 改正信號(hào)，存在信號(hào)覆蓋范圍小，定位誤差隨距離增加而增大的不足。而CORS 系統(tǒng)可以通過(guò)獲取用戶位置，自動(dòng)選擇最佳的一組固定參考站，整體改正GPS誤差，將高精度的差分信號(hào)發(fā)送給用戶，無(wú)需用戶自己架設(shè)參考站，極大提高了作業(yè)效率。通過(guò)與CORS 系統(tǒng)結(jié)合，使Ocean α SL40 無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)的測(cè)量作業(yè)更加精確、高效。

2.1 系統(tǒng)組成

Ocean α SL40 無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)由無(wú)人測(cè)量船和岸基控制兩大子系統(tǒng)組成，每個(gè)子系統(tǒng)又由若干模塊組成。

無(wú)人測(cè)量船子系統(tǒng)由避障模塊、導(dǎo)航定位模塊、測(cè)深模塊和船體模塊4 個(gè)模塊組成；岸基控制子系統(tǒng)由終端模塊、無(wú)線基站模塊和遙控器模塊3 個(gè)模塊組成。每個(gè)模塊都擁有不同的功能，具體情況如圖1、圖2 所示。

圖1 Ocean α SL40 無(wú)人測(cè)量船的系統(tǒng)組成Fig.1 System composition of Ocean α SL40 unmanned survey boat

圖2 無(wú)人船子系統(tǒng)Fig.2 Unmanned boat subsystem

2.2 技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)

Ocean α SL40 無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 Ocean α SL40 無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)表Table 1 Ocean α SL40 unmanned survey boat system technical parameters

Ocean α SL40 無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)測(cè)深探頭使用主機(jī)與換能器一體化集成的SDE-18S 高精度測(cè)深傳感器，搭配測(cè)量軟件能夠?qū)崟r(shí)獲取水深數(shù)據(jù)。

2.3 網(wǎng)絡(luò)RTK 無(wú)驗(yàn)潮測(cè)量原理

香港衛(wèi)星定位參考站網(wǎng)是一套非常成熟的CORS 系統(tǒng)[3]，由18 個(gè)平均分布于全港各處的連續(xù)運(yùn)行的參考站組成，每天24 h 為用戶提供免費(fèi)的高精度定位服務(wù)，用戶只需要向地政署申請(qǐng)通道賬號(hào)，連接互聯(lián)網(wǎng)，便可獲得網(wǎng)絡(luò)RTK 改正信號(hào)。

Ocean α SL40 無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)搭載了一臺(tái)高精度的GNSS 接收機(jī)，可以通過(guò)插入SIM 卡，設(shè)置好通道數(shù)據(jù)鏈便能夠接收香港衛(wèi)星定位參考站網(wǎng)發(fā)出的網(wǎng)絡(luò)RTK 差分信號(hào)，便可以進(jìn)行無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量。無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量避免了潮位觀測(cè)帶來(lái)的限制和誤差，也減少了動(dòng)吃水和涌浪對(duì)測(cè)量精度的影響[4]。無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)RTK 差分信號(hào)進(jìn)行無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量的原理如圖3 所示。

圖3 無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)RTK 測(cè)量原理圖Fig.3 Survey schematic diagram of unmanned survey boat system based on network RTK

GNSS 接收機(jī)通過(guò)接收網(wǎng)絡(luò)RTK 信號(hào)來(lái)獲得某一時(shí)刻的瞬時(shí)位置，包括平面位置和大地高H0。該時(shí)刻換能器至水底面的距離S 按公式（1）計(jì)算：

式中：t 為在對(duì)應(yīng)的時(shí)刻測(cè)深儀通過(guò)計(jì)算發(fā)射波束和接受波束的時(shí)間間隔，s；v 為聲波在水中的傳播速度，m/s。

如果GNSS 接收機(jī)獲取的定位數(shù)據(jù)和測(cè)深儀獲取的水深數(shù)據(jù)之間的時(shí)間延遲足夠小[5]，那么此時(shí)水底面相對(duì)于似大地水準(zhǔn)面的高程H 按公式（2）計(jì)算：

式中：h 為已知的GNSS 接收機(jī)相位中心至換能器的距離，m；H0為大地高，m；ξ 為高程異常值，m。

由于GNSS 接收機(jī)能夠以一定的頻率實(shí)時(shí)獲取包含高程異常值改正ξ 的高程數(shù)據(jù)，那么所測(cè)海底面的高程也可以實(shí)時(shí)獲得。

3 無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)在香港三跑工程中的應(yīng)用情況

3.1 應(yīng)用流程

Ocean α SL40 無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)在香港三跑工程的應(yīng)用流程包括測(cè)區(qū)分析、計(jì)劃測(cè)線布設(shè)、測(cè)量實(shí)施、測(cè)量成果獲取，應(yīng)用流程圖如圖4 所示。

圖4 應(yīng)用流程圖Fig.4 Flow chart of application

3.2 精度檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)Ocean α SL40 無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)在香港三跑工程中利用香港衛(wèi)星定位參考站網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)RTK 無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量的精度情況，現(xiàn)通過(guò)Reason T50-P 多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行了外符合的精度檢驗(yàn)[6]。

具體實(shí)施過(guò)程為：首先選擇一處水面平靜、無(wú)明顯外界因素影響的水域，選取其中約100 m×100 m 的區(qū)域作為測(cè)區(qū)，繪制測(cè)線，先后使用多波束（測(cè)量前已按規(guī)范安裝姿態(tài)校準(zhǔn)改正[7]）和無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)RTK 模式下對(duì)該區(qū)域進(jìn)行無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量，獲取水深數(shù)據(jù)后使用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，獲得改正后的水深數(shù)據(jù)，由于兩次水深測(cè)量是在相同環(huán)境下連續(xù)進(jìn)行的，已在最大程度上減少了環(huán)境誤差的影響，提高檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理完成后，使用數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)2 份水深數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，設(shè)置數(shù)據(jù)重疊模糊度為0.2 m，即視2 份水深數(shù)據(jù)中平面距離小于0.2 m的水深點(diǎn)為同一水深點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，分析結(jié)果見(jiàn)表2。比對(duì)結(jié)果顯示水深中誤差為0.083 m，完全滿足工程精度要求。

表2 誤差分析表Table 2 Error analysis table

3.3 測(cè)區(qū)分析

明確測(cè)量任務(wù)后，需要對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行測(cè)前踏勘，以熟悉測(cè)區(qū)狀況。根據(jù)已有測(cè)量水深、施工進(jìn)度圖等資料，了解測(cè)區(qū)位置、測(cè)區(qū)面積、測(cè)區(qū)周邊施工情況，選擇合適的架設(shè)岸基控制系統(tǒng)位置。Ocean α SL40 無(wú)人測(cè)量船岸基控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊距離為2 km，岸基控制系統(tǒng)的布置應(yīng)盡量保證最大化的覆蓋測(cè)區(qū)，減少架設(shè)次數(shù)。

通過(guò)了解測(cè)區(qū)大致水深情況，是否存在極淺點(diǎn)以及極淺點(diǎn)的位置等信息，盡可能規(guī)避無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)作業(yè)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，為后續(xù)計(jì)劃測(cè)線的布設(shè)和測(cè)量的順利實(shí)施奠定基礎(chǔ)。

3.4 計(jì)劃測(cè)線布設(shè)及測(cè)量實(shí)施

Ocean α SL40 無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)在香港三跑工程中的應(yīng)用主要為砂墊層～-1 mPD 回填階段的水深測(cè)量及特殊水域的水深測(cè)量。

測(cè)量實(shí)施前需布設(shè)計(jì)劃測(cè)線。計(jì)劃測(cè)線布設(shè)時(shí)應(yīng)充分結(jié)合測(cè)區(qū)情況，主測(cè)線的方向應(yīng)垂直于等深線的方向，測(cè)線間隔需視出圖比例而定，原則上[8]為圖上距離的1～2 cm，可根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行加密或者抽稀。還需布設(shè)一定數(shù)量的檢查線，方向盡可能與主測(cè)線垂直，均勻分布，能普遍檢查主測(cè)線，其總長(zhǎng)度不得短于主測(cè)線總長(zhǎng)度的5%。對(duì)于測(cè)區(qū)中已明確的可能影響無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)作業(yè)的因素需要在計(jì)劃測(cè)線布設(shè)時(shí)進(jìn)行避讓。

3.4.1 淺水水深測(cè)量

利用Ocean α SL40 無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)進(jìn)行淺水水深測(cè)量時(shí)，首先在預(yù)定位置架設(shè)岸基控制系統(tǒng)，岸基控制系統(tǒng)應(yīng)盡量架設(shè)在高處，以保障數(shù)據(jù)通訊暢通。然后配置GNSS 接收機(jī)，連接至香港衛(wèi)星參考站網(wǎng)，獲取網(wǎng)絡(luò)RTK 改正信號(hào)。之后通過(guò)移動(dòng)終端里的測(cè)量軟件選定初始測(cè)線，啟動(dòng)無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)量模式，自動(dòng)測(cè)量模式下無(wú)人測(cè)量船會(huì)以2.5 m/s 的工作航速?gòu)脑O(shè)定的初始測(cè)線開始，自動(dòng)完成相鄰測(cè)線間的串聯(lián)，按序依次完成所有測(cè)線的測(cè)量。

在無(wú)人測(cè)量船收集數(shù)據(jù)的同時(shí)，測(cè)量人員需通過(guò)移動(dòng)終端觀察數(shù)據(jù)質(zhì)量，對(duì)于存在明顯數(shù)據(jù)異常的區(qū)域應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)測(cè)或重測(cè)。若測(cè)區(qū)中存在無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量模式無(wú)法覆蓋的復(fù)雜區(qū)域，如近岸區(qū)域或障礙物較多的區(qū)域等，最終需由測(cè)量人員通過(guò)遙控器手動(dòng)控制無(wú)人測(cè)量船完成補(bǔ)測(cè)。

以2020年7月某次對(duì)C3、C6、C7、D3 區(qū)砂墊層～-1 mPD 施工后的水深測(cè)量為例。測(cè)量面積約為36 萬(wàn)m2，測(cè)線間隔為10 m，測(cè)線總長(zhǎng)度超過(guò)35 km，總測(cè)量時(shí)間約為5 h，所測(cè)得最淺點(diǎn)為0.35 mPD，測(cè)線及岸基控制系統(tǒng)布設(shè)情況如圖5所示。

圖5 測(cè)線及岸基控制系統(tǒng)布設(shè)示意圖Fig.5 Layout diagram of runline and shore-based control system

3.4.2 特殊水域測(cè)量

香港三跑工程施工區(qū)與現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)之間留有一條狹長(zhǎng)的水道，為現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)排水所用，且無(wú)傳統(tǒng)載人測(cè)量船舶進(jìn)出通道。受回填施工影響，該排水通道存在淤塞的風(fēng)險(xiǎn)，按照要求需每月對(duì)其進(jìn)行水深監(jiān)測(cè)，以保證排水通暢。

該水域分為東西兩部分，西側(cè)長(zhǎng)約1800 m，為半封閉水域；東側(cè)長(zhǎng)約1900 m，為封閉水域。南北寬在高潮時(shí)約為30 m，低潮時(shí)約為20 m，形狀狹長(zhǎng)，水域內(nèi)無(wú)明顯障礙物，適合無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)自動(dòng)模式測(cè)量。

該水域應(yīng)用Ocean α SL40 無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，沿水道伸展方向布設(shè)主測(cè)線，主測(cè)線間隔為5 m，同樣在主測(cè)線的垂直方向布設(shè)一定數(shù)量的檢查測(cè)線。由于測(cè)區(qū)東西跨度過(guò)大，分別在西側(cè)、東側(cè)架設(shè)岸基控制單元以使通訊信號(hào)覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)。測(cè)量作業(yè)實(shí)施過(guò)程與淺水水深測(cè)量基本相同，單次測(cè)量時(shí)間約為3 h。截至2020年12月，共對(duì)該水域進(jìn)行了8 次水深監(jiān)測(cè)，有效地對(duì)排水通道的水深情況進(jìn)行了監(jiān)控，確保了排水暢通，為機(jī)場(chǎng)排水系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供了保障。

4 結(jié)語(yǔ)

在香港三跑工程中通過(guò)將無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)與香港衛(wèi)星定位參考站網(wǎng)的結(jié)合，充分發(fā)揮出無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)測(cè)量精度高、設(shè)備吃水小、作業(yè)靈活的特點(diǎn)，有效地解決了淺水水域和特殊水域環(huán)境下的水深測(cè)量難題，為工程的順利實(shí)施提供了保障。隨著內(nèi)地各城市CORS 系統(tǒng)的逐漸完善，本文也為其他類似填海工程的水深測(cè)量作業(yè)提供了更加豐富的選擇，具有較好參考意義。