孟昌 ,曾柏瑞

（1.長(zhǎng)江宜昌航道局，湖北 宜昌 443000；2.長(zhǎng)江武漢航道工程局，湖北 武漢 430014）

在長(zhǎng)江干流江面上進(jìn)行航道水深測(cè)量受到多方面的影響，船舶吃水、波浪、潮汐、大風(fēng)等因素會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成影響。常規(guī)的水深測(cè)量是某一區(qū)域的深度基準(zhǔn)面上通過(guò)換算得到水深數(shù)據(jù)從而為船舶航行提供安全保證。而水下測(cè)量與傳統(tǒng)的水面水深測(cè)量不同，水下的水深測(cè)量由于沒(méi)有良好的同時(shí)條件，測(cè)量時(shí)候會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)突變值。通過(guò)傳統(tǒng)方法測(cè)量出來(lái)的水深數(shù)據(jù)精度不高，難以應(yīng)用到需要精準(zhǔn)水深數(shù)據(jù)的領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）的空基定位技術(shù)正在逐步成為重要的測(cè)量定位技術(shù)。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分（RTK）技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)提供高精度三維坐標(biāo)，從而在水深測(cè)量方面應(yīng)用得非常廣泛。RTK 技術(shù)傳輸差分?jǐn)?shù)據(jù)是通過(guò)無(wú)線電建立起來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)摹鹘y(tǒng)的單機(jī)RTK 測(cè)量不僅工作量大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且效率較低?；诰W(wǎng)絡(luò)的RTK 的水深測(cè)量技術(shù)，不需用水尺觀測(cè)水位，可以節(jié)約成本。不受白天晚上因素影響，可24 小時(shí)全天候測(cè)量作業(yè)，從而大大提升測(cè)量作業(yè)的效率。還能有效地消除波浪上下及船舶吃等因素影響。對(duì)水位潮汐變化產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正，從而可以測(cè)得實(shí)時(shí)水位。

1 RTK 水深測(cè)量技術(shù)

RTK 技術(shù)是實(shí)時(shí)載波相位差分技術(shù)（Real Time Kinematic）的簡(jiǎn)稱。常規(guī)RTK 的工作原理是由參考站和流動(dòng)站共同組成的，參考站由一臺(tái)固定的接收機(jī)構(gòu)成。流動(dòng)站需要一臺(tái)或幾臺(tái)進(jìn)行同步觀測(cè)。參考站通過(guò)數(shù)據(jù)通信鏈實(shí)將差分信息傳輸給在其附近工作的流動(dòng)站用戶。這樣可以有助于流動(dòng)站建立起動(dòng)態(tài)地、較為精準(zhǔn)的點(diǎn)位數(shù)據(jù)坐標(biāo)。常規(guī)RTK 實(shí)時(shí)獲得厘米級(jí)精度定位結(jié)果。

常規(guī)RTK技術(shù)雖然能夠?qū)崟r(shí)提供動(dòng)態(tài)高精度定位，但是有兩個(gè)缺陷，即受到距離及傳輸方式的制約，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中受到一些影響。GNSS-RTK 技術(shù)的出現(xiàn)，較好地解決這些問(wèn)題。應(yīng)運(yùn)而生。GNSS-RTK 是一種高新定位技術(shù)，它隨著信息技術(shù)的提升而不斷完善。它能夠獲取所需定位點(diǎn)的準(zhǔn)確位置、速度和時(shí)間等信息。

網(wǎng)絡(luò)RTK 是能實(shí)時(shí)高精度差分定位技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)RTK 可實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)的GPS 天線的三維坐標(biāo)，則可直接確定泥面的標(biāo)高而無(wú)需驗(yàn)潮數(shù)據(jù)。相較于常規(guī)RTK，網(wǎng)絡(luò)RTK 具有服務(wù)范圍擴(kuò)大、使用方便、可靠性增強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2 水下地形測(cè)量系統(tǒng)組成

水下測(cè)量與陸地測(cè)量原理基本一致，但在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中有很大不同。水下水深測(cè)量不同于陸地上測(cè)量是用一臺(tái)儀器測(cè)量的，水下測(cè)量的平面位置和高程位置是用不同的儀器分開(kāi)測(cè)量的。水下測(cè)量不同于陸上那樣可以重復(fù)觀測(cè)，水下測(cè)量的通視條件不好，影響測(cè)量，不能像陸地那樣重復(fù)測(cè)量。水下地形點(diǎn)高程是通過(guò)由水面高程減去相應(yīng)的水深這樣間接的方式獲取的。

航道水深測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)集成系統(tǒng)，主要由三大部分構(gòu)成：探頭、處理單元、操作站。還有一些輔助的設(shè)施儀器，主要是用來(lái)獲取一些數(shù)據(jù)比如定位數(shù)據(jù)、船體姿態(tài)數(shù)據(jù)、聲速剖面數(shù)據(jù)等。

測(cè)深系統(tǒng)主要包括兩個(gè)系統(tǒng)，分別為多波束測(cè)深系統(tǒng)和單波束測(cè)深系統(tǒng)，多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理跟單波束測(cè)深系統(tǒng)一樣，都是利用聲波在水下傳播的特性進(jìn)行測(cè)量。水下地形測(cè)量系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：GNSS 接收機(jī)、導(dǎo)航軟件、計(jì)算機(jī)、同步定標(biāo)器、導(dǎo)航顯示器和測(cè)深儀組成。水下地形測(cè)量系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 水下地形測(cè)量系統(tǒng)示意圖

PPK 技術(shù)可通過(guò)后處理得到厘米級(jí)的測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，高程數(shù)據(jù)一般是 CGCS2000 的大地高數(shù)據(jù)，處理時(shí)需要將大地高程轉(zhuǎn)換至目標(biāo)基準(zhǔn)的高程數(shù)據(jù)，原理如圖2 所示。

水底相對(duì)于目標(biāo)基面的高程可表示為：

式中：H 為海底到目標(biāo)基面距離；H水深為經(jīng)過(guò)改正過(guò)的水深測(cè)量值；H大地為該點(diǎn)到水準(zhǔn)面的距離；ξ 為高程異常值。

該測(cè)量水深系統(tǒng)最主要的是如何準(zhǔn)確獲得高程的異常數(shù)據(jù)。在大范圍則可以使用區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化進(jìn)行，小范圍的測(cè)量中可采用七參數(shù)來(lái)進(jìn)行高程轉(zhuǎn)換。

3 水深測(cè)量精度影響因素分析

測(cè)深設(shè)備、運(yùn)動(dòng)載體、天氣及高程測(cè)量等因素均對(duì)RTK 水深測(cè)量精度有影響。

3.1 測(cè)深設(shè)備對(duì)水下測(cè)量的影響

水下測(cè)量系統(tǒng)由多個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。主要有GNSS 接收機(jī)、導(dǎo)航軟件、計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航顯示器、同步定標(biāo)器和測(cè)深儀等幾部分組成。RTK 系統(tǒng)結(jié)合測(cè)深儀對(duì)水下測(cè)量的誤差可以分為平面定位誤差、水深測(cè)量誤差等兩部分。影響水下測(cè)量精度的要素有很多，僅僅考慮這兩類誤差不能全面地反映水下目標(biāo)底物的準(zhǔn)確形狀。如：換能器安裝對(duì)測(cè)深的影響、聲速對(duì)測(cè)深的影響、延遲效應(yīng)的影響、高程異常校正的影響等，另外測(cè)量船只的船速、船姿、船型以及天氣因素也會(huì)對(duì)測(cè)深產(chǎn)生影響，尤其是在無(wú)驗(yàn)潮測(cè)量模式下，在理論模型上消除潮汐誤差是可行的，但在實(shí)際中要顧及 GNSS 接收機(jī)和測(cè)深儀時(shí)間的同步性。

3.2 運(yùn)動(dòng)載體對(duì)水深測(cè)量的影響

水深數(shù)據(jù)采集過(guò)程中有動(dòng)態(tài)更新、實(shí)時(shí)性等幾個(gè)特點(diǎn)。由于水體與運(yùn)動(dòng)載體是相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在測(cè)量過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)誤差。采用合理的測(cè)量步驟建立起來(lái)的數(shù)學(xué)模型，其運(yùn)動(dòng)載體對(duì)測(cè)量的誤差有重要影響。特別是在長(zhǎng)江干流流速較大的情況下進(jìn)行水下數(shù)據(jù)采集時(shí)，測(cè)量船的測(cè)量姿態(tài)、船舶形狀及船舶航行速度等對(duì)船體的實(shí)時(shí)測(cè)量都有著很重要的影響。

3.2.1 船速測(cè)深影響因素分析

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江干流某段水深的實(shí)際測(cè)量，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析得知，測(cè)量船的速度對(duì)水深測(cè)量數(shù)據(jù)影響較大。影響最主要的是當(dāng)船速過(guò)快時(shí)候，安裝在船體的測(cè)深儀發(fā)出的波束通過(guò)江底面出現(xiàn)困難。從而形成所謂的“假水深”。在理論上，航道測(cè)量船在進(jìn)行實(shí)際測(cè)量作業(yè)時(shí)，船速肯定不是一直保持不變的，存在船體晃動(dòng)、船體吃水、測(cè)深延遲等效應(yīng)，船體姿態(tài)以及航線等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果均有影響。

通過(guò)對(duì)實(shí)際的測(cè)量誤差數(shù)據(jù)的分析，測(cè)量船速不是對(duì)測(cè)量水深影響的唯一因素。是多個(gè)方面共同作用下的影響。為了減少其影響，需要在測(cè)量過(guò)程中提前到達(dá)某一速度，并保持平穩(wěn)，速度偏差控制在0 到0.5 節(jié)。當(dāng)測(cè)量船出現(xiàn)偏離原定計(jì)劃航線時(shí)，需要慢慢地改變船體航偏角，應(yīng)當(dāng)使船體的航偏角盡量控制在3°以內(nèi)。

3.2.2 船體姿態(tài)影響因素分析

在江面上進(jìn)行水深測(cè)量時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法保證測(cè)量船舶是在非常平穩(wěn)狀態(tài)下進(jìn)行水深測(cè)量數(shù)據(jù)的采集。傳統(tǒng)測(cè)量方法在測(cè)量船工作時(shí)，會(huì)受到風(fēng)浪等因素的影響，船體姿態(tài)的不穩(wěn)會(huì)使得船舶發(fā)生橫滾和縱滾兩個(gè)方向的偏差。這些偏差在實(shí)際操作中很難消除，為了獲取更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，需要對(duì)測(cè)量船舶的姿態(tài)進(jìn)行修正和校驗(yàn)。

在長(zhǎng)江干流量某段進(jìn)行水深測(cè)量時(shí)，采用了JSCORS 技術(shù)對(duì)水下地形測(cè)量，獲得了較高的精度，該技術(shù)的成熟為解決船體姿態(tài)誤差測(cè)定提供了有效的方法。利用GPS 實(shí)時(shí)測(cè)定船體姿態(tài)，利用控制中心能實(shí)時(shí)變換換能器的姿態(tài)，這樣能有效消除傳統(tǒng)的測(cè)量方法解決不了的船體姿態(tài)誤差問(wèn)題。長(zhǎng)江干流大多有通航航行需求，需要經(jīng)常進(jìn)行水深測(cè)量，在測(cè)量過(guò)程中需要穿過(guò)航道、還要兼顧漁網(wǎng)、水下建筑物等，為了提高工作效率，必須要合理選擇合適的船型。

3.3 天氣因素對(duì)水深測(cè)量的影響

天氣因素是水深測(cè)量的重要因素之一。無(wú)風(fēng)和微風(fēng)狀態(tài)是最佳的水深測(cè)量天氣，但是在大多數(shù)情況下，達(dá)不到這樣條件。長(zhǎng)江干流多山區(qū)，天氣復(fù)雜多變，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量天氣條件的要求。在船舶在行駛過(guò)程當(dāng)中，會(huì)受到來(lái)自不同方位和不同力度的波浪的影響。為適用波浪影響船體船舶形態(tài)也要不斷地調(diào)整。當(dāng)船舶行駛路線垂直于風(fēng)向時(shí)，施工船舶就會(huì)出現(xiàn)稍微的傾斜。這種狀態(tài)下，安裝在船舶上的換能器發(fā)出的波束會(huì)發(fā)生變化，將不再垂直于河床方向，就會(huì)出現(xiàn)一定的角度。當(dāng)外部測(cè)量環(huán)境非常不好時(shí)，測(cè)量船當(dāng)受到風(fēng)速和波浪的影響時(shí)，可以采取增加姿態(tài)儀、涌浪補(bǔ)償儀等設(shè)備，使船舶姿態(tài)變化情況得到修正。

4 實(shí)例應(yīng)用

航道的水深測(cè)量是水上定位測(cè)量和測(cè)深兩種作業(yè)方式的組合。目前應(yīng)用比較多的是利用測(cè)量船在航道內(nèi)邊航行邊進(jìn)行水深測(cè)量，測(cè)量船沿著事先規(guī)定好的路線進(jìn)行行駛，在指定的間隔時(shí)間收集水深和位置數(shù)據(jù)信息。本文利用長(zhǎng)江宜昌段的水深和定位測(cè)量，驗(yàn)證了RTK水深測(cè)量方式的可行性與準(zhǔn)確度。

測(cè)區(qū)位于長(zhǎng)江宜昌段附近，宜昌段位于三峽大壩下游，宜昌至大通主河道長(zhǎng)度約1180m，分為砂卵石河段和沙質(zhì)河段兩部分，其中大部分為沙質(zhì)河段。該航道河勢(shì)變化受到支流匯入、上游徑流等兩個(gè)方面的影響，有河流流速急，主河床寬而淺的特點(diǎn)。由于該航道存在河床寬淺、潮強(qiáng)流急，漲落潮流路不同等特點(diǎn)，采取傳統(tǒng)水深測(cè)量方法精度無(wú)法保證，采用RTK 方式作業(yè)方式進(jìn)行長(zhǎng)江航道水深測(cè)量工作。

利用該方法測(cè)得的真實(shí)水深等于實(shí)際測(cè)量的原始值減去測(cè)時(shí)水深。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)分析得知，測(cè)量結(jié)果的誤差在相對(duì)可控范圍內(nèi)，最大的誤差為0.03m，最小的誤差在0.00m。測(cè)量結(jié)果充分說(shuō)明RTK 水深測(cè)量系統(tǒng)能夠降低原始水深測(cè)量的誤差，精度高。能滿足水深測(cè)量實(shí)際的需要。

5 結(jié)論

本文所開(kāi)展的基于RTK 水深測(cè)量技術(shù)，介紹了對(duì)水下地形測(cè)量系統(tǒng)組成，分析了水深測(cè)量精度影響因素。對(duì)測(cè)量方法進(jìn)行了精度和穩(wěn)定性測(cè)試后，在長(zhǎng)江宜昌段進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，動(dòng)態(tài)比測(cè)結(jié)果表明，RTK 測(cè)量精度較好，平面與三維定位結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差都處于厘米量級(jí)。滿足管理部門(mén)及相關(guān)規(guī)范的要求，對(duì)深水環(huán)境測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展具有較高的實(shí)用和參考價(jià)值。