田雨，楊俊凱，顏惠慶，王長永

（中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120）

長江口12.5 m深水航道治理工程作為長江流域一項(xiàng)重大工程，上起江蘇省瀏河口，下至長江口引水船外，全部工程于2011年5月18日順利通過國家竣工驗(yàn)收，現(xiàn)已進(jìn)入航道養(yǎng)護(hù)階段。長江口三級(jí)分汊、四口入海，潮流動(dòng)力強(qiáng)、徑流量巨大，水沙運(yùn)動(dòng)復(fù)雜、河床沖淤多變，加之河口人類活動(dòng)的影響，河口河勢(shì)變化復(fù)雜。為了及時(shí)掌握長江口各汊道河床沖淤變化情況，預(yù)測發(fā)展趨勢(shì)并積累資料和經(jīng)驗(yàn)，為長江口航道維護(hù)和科研等提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和資料，需開展長江口水域水下地形測量工作。

傳統(tǒng)的水下地形測繪主要依靠潮位站獲取瞬時(shí)水面高，進(jìn)而結(jié)合水深數(shù)據(jù)計(jì)算海底高程。潮位獲取的方法主要有設(shè)置長期或臨時(shí)驗(yàn)潮站、定點(diǎn)拋投潮位儀、潮位模型推算方法[1]。但傳統(tǒng)的潮位改正方法存在潮位站位置的水面情況無法完全代表整個(gè)測區(qū)水面情況等問題，且在測區(qū)面積大、特別是長距離的帶狀水面進(jìn)行水深測量時(shí)，需沿線布設(shè)較多的潮位站，實(shí)施成本較高。近年來，隨著全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）的發(fā)展，逐步形成了以RTK、PPK、PPP為主的無驗(yàn)潮三維水深測量方法，并且在長江口取得了一些應(yīng)用成果[2]。無驗(yàn)潮三維水深測量方法相較于傳統(tǒng)的潮位改正方法優(yōu)勢(shì)明顯，可消除波浪引起的上下起伏誤差、測船動(dòng)吃水誤差、水位橫向比降誤差，大幅提高水深測量的精度和工作效率。其中GNSS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（real-time kinematic，RTK）無驗(yàn)潮三維水深測量技術(shù)具有定位速度快、精度高的特點(diǎn)[3-4]，但易受無線電傳輸距離影響，有效距離一般不超過15 km，需沿長江口南北槽沿線布設(shè)多個(gè)基準(zhǔn)站，實(shí)施及維護(hù)成本較高。而GNSS動(dòng)態(tài)后處理（postprocessed kinematic，PPK）三維水深測量方法無需數(shù)傳電臺(tái)，且在80 km范圍內(nèi)仍能保持較高的精度和可靠性[5]，可有效解決RTK技術(shù)中電臺(tái)傳輸距離不足的問題，缺點(diǎn)是需架設(shè)基準(zhǔn)站，且無法對(duì)定位定高數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。精密單點(diǎn)定位（precise point positioning，PPP）方法無需架設(shè)基準(zhǔn)站，利用單臺(tái)GNSS接收機(jī)的載波相位和偽距觀測值，結(jié)合高精度的衛(wèi)星軌道和鐘差實(shí)現(xiàn)高精度的定位[6]，在已有應(yīng)用案例中[7]，可提供分米級(jí)的事后動(dòng)態(tài)定位服務(wù)，但與RTK瞬時(shí)厘米級(jí)定位相比，PPP需要花費(fèi)較長時(shí)間初始化，同時(shí)衛(wèi)星信號(hào)中斷之后的重新初始化和首次開機(jī)初始化一樣的時(shí)間，制約了PPP在實(shí)際工程中應(yīng)用[8]。2005年，PPP-RTK概念被首次提出[9]，PPP-RTK融合了PPP和RTK兩者的優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前最前沿的精密定位技術(shù)[10]。

1 PPP-RTK無驗(yàn)潮水深測量原理

PPK-RTK技術(shù)通過對(duì)基站數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合估計(jì)和建模，重新生成包含軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、區(qū)域電離層等誤差改正信息，并通過衛(wèi)星、網(wǎng)絡(luò)等方式實(shí)時(shí)播發(fā)給用戶使用，實(shí)現(xiàn)了基于PPP模式的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，具有無限大的用戶容量。

無驗(yàn)潮三維水深測量的基本原理是利用GNSS接收機(jī)測得的GNSS天線精確的三維坐標(biāo)（X，Y，H），其中X、Y確定水深點(diǎn)的平面位置，GNSS高程（H）結(jié)合由測深儀同步測得的水深換算出同一平面位置上的水下泥面的高程或水深值，從而獲得水下地形數(shù)據(jù)。

2 應(yīng)用試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

長江口區(qū)域水面開闊，遠(yuǎn)離陸地，工程區(qū)域最遠(yuǎn)端距離陸地近40 km，來自陸地的通訊基站信號(hào)無法對(duì)長江口全部區(qū)域有效覆蓋，因此需要在長江口沿線設(shè)置較多數(shù)量的基準(zhǔn)站?，F(xiàn)有的長江口沿線RTK基準(zhǔn)站主要分布在石洞口、橫沙以及北槽北導(dǎo)堤，距離長江口南槽區(qū)域距離均較遠(yuǎn)。同時(shí)移動(dòng)端難以連接互聯(lián)網(wǎng)，使得采用基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的VRS-RTK方案也無法在該區(qū)域?qū)嵤?。為此，?duì)于無電臺(tái)信號(hào)覆蓋的長江口區(qū)域通常采用傳統(tǒng)的潮位改正或者PPK三維水深測量方法，而PPP-RTK技術(shù)在長江口區(qū)域水深測量未見應(yīng)用案例。為驗(yàn)證PPP-RTK技術(shù)在長江口水深測量中的應(yīng)用具有可行性，選定長江口橫沙通道作為試驗(yàn)區(qū)，如圖1所示。試驗(yàn)區(qū)附近有長期基準(zhǔn)站1座，可實(shí)時(shí)傳輸數(shù)傳電臺(tái)差分信號(hào)，便于PPP-RTK與RTK數(shù)據(jù)的采集和對(duì)比分析。

圖1 試驗(yàn)區(qū)位置圖及動(dòng)態(tài)測深軌跡線Fig.1 Location of test area and Dynamic sounding trajectory

2.2 數(shù)據(jù)采集

1）設(shè)備安裝

根據(jù)試驗(yàn)方案，定位分別采用千尋星矩S6 pro GNSS接收機(jī)，接收星站差分信號(hào)，采用Trimble SPS855 GNSS接收機(jī)接收橫沙基準(zhǔn)站差分信號(hào)，測前在控制點(diǎn)上對(duì)GNSS接收機(jī)進(jìn)行校驗(yàn)，保證2臺(tái)GNSS接收機(jī)工作正常。

控制點(diǎn)比對(duì)精度滿足規(guī)范要求后，2艘測量船舶分別安裝1套移動(dòng)GNSS接收機(jī)和單波束測深儀。船臺(tái)安裝時(shí)保證GNSS天線中心與測深儀的換能器位置在同一垂線上，以消除位置偏心誤差。安裝完成后，精確量取GNSS接收機(jī)相位中心至水面高度及測深儀換能器吃水值并輸入到導(dǎo)航測量軟件中。采集過程中對(duì)衛(wèi)星數(shù)、高度截止角、圖形因子（HDOP）、定位模式等進(jìn)行監(jiān)控。

2）測量船舶停泊時(shí)數(shù)據(jù)采集

為比較測量船舶在相對(duì)靜止（停泊）情況下，PPP-RTK與RTK同一時(shí)刻瞬時(shí)水位的差異。試驗(yàn)當(dāng)天風(fēng)浪小，通航測量船舶少，江面平靜，待測量船舶拋錨，船身穩(wěn)定后，采用千尋星矩S6 pro GNSS接收機(jī)接收星站差分信號(hào)，并等待初始化完成后開始采集數(shù)據(jù)，同時(shí)Trimble SPS855 GNSS接收機(jī)選擇接收地面基準(zhǔn)站差分信號(hào)，設(shè)置GNSS數(shù)據(jù)輸出速率為1 min，同步采集測量船舶在相對(duì)靜止時(shí)PPP-RTK與RTK的瞬時(shí)水位。

3）測量船舶航行時(shí)數(shù)據(jù)采集

為測試測量船舶航行時(shí)PPP-RTK在水深測量的適用性，2艘測量船舶分別搭載同型號(hào)單波束測深儀進(jìn)行同步水深測量，因試驗(yàn)區(qū)水域較為狹窄，故分別沿水道中心線進(jìn)行往返水深測量，測深軌跡線見圖1。測量實(shí)施前使用聲速儀測量水體聲速并將平均聲速輸入測深儀系統(tǒng)設(shè)置中，測量開始及結(jié)束前，還應(yīng)選擇在水下地形平坦的區(qū)域，對(duì)各測船測深儀相互進(jìn)行比對(duì)。比對(duì)采用檢查板，選擇水面平靜、流速較小處，在10 m深度范圍內(nèi)對(duì)水進(jìn)行校核，并在測深紙上做好記錄。

測量過程中定期地對(duì)測深儀進(jìn)行聲速、轉(zhuǎn)速、電壓等項(xiàng)目檢驗(yàn)，并每隔0.5 h將電腦中記錄的水深與測深紙上模擬信號(hào)記錄的水深進(jìn)行比對(duì)，以確保水深測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠。GNSS定位數(shù)據(jù)、水深數(shù)據(jù)采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集貯存。

2.3 數(shù)據(jù)分析

1）測量船舶停泊時(shí)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)采集了測量船舶停泊時(shí)段19:00—次日3:40的GNSS定位數(shù)據(jù)，該時(shí)段通航測量船舶較少，水面平靜。試驗(yàn)分別提取了以10 min為間隔的PPP-RTK和RTK瞬時(shí)水位數(shù)據(jù)。同一時(shí)刻瞬時(shí)水位差異如圖2所示。

圖2 PPP-RTK與RTK同一時(shí)刻瞬時(shí)水位差異圖Fig.2 Difference of instantaneous water levels measured by PPP-RTK and RTK at the same time

由圖2可知，PPP-RTK與RTK同一時(shí)刻瞬時(shí)水位具有較強(qiáng)的相關(guān)性，在瞬時(shí)水位穩(wěn)定性方面，RTK瞬時(shí)水位相較于PPP-RTK更為穩(wěn)定。其次，根據(jù)兩者瞬時(shí)水位數(shù)值對(duì)比，PPP-RTK與RTK瞬時(shí)水位數(shù)值最大誤差為0.08 m。對(duì)比結(jié)果表明PPP-RTK所測水位在測量船舶停泊時(shí)能達(dá)到與RTK相當(dāng)?shù)膶?shí)施效果。

2）測量船舶航行時(shí)數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)分別采集了2艘測量船舶往返（順?biāo)?、逆水）?dòng)態(tài)水深測量數(shù)據(jù)，并將往返動(dòng)態(tài)水深測量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了斷面圖對(duì)比，如圖3所示。

圖3 PPP-RTK與RTK無驗(yàn)潮水深斷面比對(duì)圖Fig.3 Comparison of water levels measured by PPP-RTK and RTK without tide observation

由圖3可知，斷面圖中除個(gè)別水深點(diǎn)由于平面位置差異而略有不同外，PPP-RTK與RTK兩種無驗(yàn)潮水深測量方法所測水深基本保持一致，PPP-RTK與RTK方法的水深測量精度相近。

為進(jìn)一步分析PPP-RTK無驗(yàn)潮水深測量方法的測量精度，試驗(yàn)以RTK水深測量數(shù)據(jù)為真值，以PPP-RTK水深數(shù)據(jù)為參考值，將PPP-RTK與RTK方法所測的相鄰水深進(jìn)行了比較。試驗(yàn)將2種測量方式所測相鄰2 m范圍內(nèi)的水深進(jìn)行了對(duì)比統(tǒng)計(jì)。對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 PPP-RTK與RTK水深比對(duì)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Comparison of water depths based on PPP-RTK and RTK technology

根據(jù)表1互差比對(duì)結(jié)果可知，2種方法所測相鄰水深對(duì)比差值在10 cm之內(nèi)的水深點(diǎn)占92%，差值在20 cm之內(nèi)的點(diǎn)占99%，對(duì)比結(jié)果表明PPP-RTK無驗(yàn)潮三維水深測量方法在長江口區(qū)域的水深測量精度可靠。

3 結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)潮位改正、RTK、PPK、PPP方法在長江口水深測量的應(yīng)用均存在一定局限性，本文提出可采用PPP-RTK無驗(yàn)潮水深測量作業(yè)方法，并首次在長江口區(qū)域進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)，試驗(yàn)分別在測量船舶停泊時(shí)采集了PPP-RTK與RTK同一時(shí)刻瞬時(shí)水位以及測量船舶航行下的動(dòng)態(tài)實(shí)測水深值，并進(jìn)行了比對(duì)和分析。主要結(jié)論如下：

1）通過PPP-RTK與RTK同一時(shí)刻瞬時(shí)水位以及動(dòng)態(tài)水深值對(duì)比可知，PPP-RTK無驗(yàn)潮三維水深測量方法可實(shí)現(xiàn)與RTK相當(dāng)?shù)膶?shí)施效果，PPP-RTK無驗(yàn)潮水深測量作業(yè)方法是可靠的。

2）PPP-RTK技術(shù)具有收斂速度快（＜2 min），作業(yè)覆蓋范圍廣，無需網(wǎng)絡(luò)且不需架設(shè)基準(zhǔn)站，可提高作業(yè)效率，降低作業(yè)成本，在長江口等無通訊信號(hào)覆蓋的區(qū)域具有廣闊的應(yīng)用前景。