1、高精度水深測量水位改正方法研究馮建軍 (中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院，上海200120)摘要：在分析水位觀測方法和潮位模型缺陷的根底上，給出了GPS實(shí)時(shí)潮位改正的測量方法?；贕PSRTK動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，水位改正對測深數(shù)據(jù)的影響進(jìn)行了分析，提出提高GPS-RTK實(shí)時(shí)潮位測量精度的方法。將這些研究成果應(yīng)用到連云港新建徐圩航道的回淤觀測工程中，觀測結(jié)果說明GPS無驗(yàn)潮測量方法相對傳統(tǒng)的潮位改正測量方法在實(shí)施的簡便性、精度等方面具有較大的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞：GPS RTK無驗(yàn)潮測量；姿態(tài)改正；垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換；動(dòng)態(tài)吃水概述對于航道回淤研究分析和岸灘沖淤分析，水深測量是一項(xiàng)有效的觀測手段，通過對測區(qū)不同時(shí)期的水深

2、變化來反映開挖航道的淤積和岸灘沖淤情況。而水深測量的水位改正的精度對于確保水深測量精度十分重要?，F(xiàn)有的水位改正主要分傳統(tǒng)的潮位站改正及GPS-RTK無驗(yàn)潮實(shí)時(shí)潮位改正。在傳統(tǒng)的海圖測量中，測量船處潮位通常是利用驗(yàn)潮站的觀測潮位通過潮位模型推算得到。在小比例尺海圖、狹長航道和錨地測量中，由于測量水域距岸邊潮位站的距離較遠(yuǎn)，一般通過在測區(qū)附近拋設(shè)驗(yàn)潮儀，再采取分帶內(nèi)插的方式獲得1-4。GPS-RTK載波相位差分測量技術(shù)已能在動(dòng)態(tài)情況下實(shí)時(shí)提供厘米級垂直定位。這為GPS RTK無驗(yàn)潮測量提供了可能。它能夠準(zhǔn)確地給出船位處實(shí)時(shí)潮位的真實(shí)變化，有效地克服了傳統(tǒng)方法的局限3，大大減少了潮位模型誤差對水下地

3、形測量的影響。由于原理上的完備性，GPS潮位測量的精度通常高于傳統(tǒng)潮位測量的精度，因而也受到廣闊海道測量部門的高度重視3。本文就海洋測量中水位的采集、水位改正方法、實(shí)際工程中的應(yīng)用情況、測深誤差來源及提高測深精度采取措施等方面進(jìn)行探討。水位觀測方法水深測的潮位改正需要收集施測作業(yè)當(dāng)時(shí)的潮位數(shù)據(jù)，現(xiàn)今的潮位資收集方式主要有：近岸潮位觀測、GPS驗(yàn)潮、外海潮位儀三種。2.1 近岸潮位觀測近岸潮位觀測站布設(shè)于測區(qū)鄰近港口或較受波影響的岸邊地區(qū)，要求水尺底部需低于最低低潮位面且穩(wěn)固，較長期的潮位觀測那么常需設(shè)測井采用自記水位計(jì)連續(xù)觀測，其優(yōu)點(diǎn)潮位觀測站的數(shù)據(jù)可靠，數(shù)據(jù)連續(xù)，基面關(guān)系清晰。2.2 GPS

4、驗(yàn)潮GPS驗(yàn)潮是基面GPS-RTK技術(shù)的開展，可以分為靜態(tài)與動(dòng)態(tài)驗(yàn)潮，較常用的是動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)潮位改正。用GPS 進(jìn)無驗(yàn)潮模式的水深測，潮位觀測步驟，減少野外工作；由于直接得到海底點(diǎn)高程，因而也減少內(nèi)業(yè)水深測數(shù)據(jù)潮位改正后處的工作，相對傳統(tǒng)作業(yè)方式，該方法可以說是一項(xiàng)很大的變革。但受海況條件的限制，以及GPS 訊號接收遮蔽問題及無線電傳輸徑等之限制，對于海上作業(yè)，無驗(yàn)潮模式的水下地形測要受電臺作業(yè)距離的限制，一般作用半徑不超過20公里。2.3 外海潮位儀外海潮位儀往往應(yīng)用于近岸潮位觀測站無法控制測量區(qū)域瞬時(shí)水位時(shí)，采用增設(shè)臨時(shí)水位站。在距離陸地較遠(yuǎn)的海上地區(qū)，潮位數(shù)據(jù)的收集主要采用自容式壓力式潮位儀

5、。要確保儀器在惡海況下可以正常運(yùn)作，又要考慮是否會(huì)因?yàn)槿藶橐蛩厥沟脙x器的布放位置產(chǎn)生變化而無法回收或影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，所以外海儀器置放及維護(hù)的本錢較岸邊置放儀器為高。且外海布放儀器損耗較大，人員出海布放或檢視需視天候許可，維護(hù)困難，故外海潮位儀器的點(diǎn)位密與分布范圍無法與陸上與近海相比，也造成外海實(shí)時(shí)潮位資的缺乏。受臨時(shí)潮位站觀測時(shí)間段短等缺點(diǎn)，雖可采用同步改正法、潮差比法、最小二乘潮位法模式及方法來進(jìn)行鄰近測區(qū)長期驗(yàn)潮站測深基準(zhǔn)面之傳遞，以獲致較為精準(zhǔn)的臨時(shí)點(diǎn)基準(zhǔn)面資料，但難以滿足精度要求。水位改正方法比照3.1傳統(tǒng)的水位改正傳統(tǒng)的水深測量必須同時(shí)觀測潮高，并利用瞬時(shí)水面作為媒介，將岸測潮高引算至

6、測船施測位置，以進(jìn)行潮汐改正，進(jìn)而得到與岸測潮高位于同一高程基準(zhǔn)之水深值。但由于測船施測位置的潮高，會(huì)與岸測潮高間存有不一致，其將直接影響到水深測量成果的正確性。水位改正的方法較多，在水運(yùn)工程水深測量中，大局部采用分帶法。分帶方法一般可分3種：單站分帶水位改正；雙站分帶水位改正；三角(三站)分帶改正。水位分帶改正法是基于假定兩個(gè)水位站之間的水面是一個(gè)傾斜的水平面，這就有可能按直線內(nèi)插的方法，求取水深點(diǎn)的水位改正數(shù)，按照同樣的假定，還將這個(gè)方法延伸應(yīng)用于三站之間的分帶改正5。測區(qū)較大水域有必要采用加權(quán)系數(shù)平均值計(jì)算法確定測深點(diǎn)的水位改正值。加權(quán)系數(shù)平均值的計(jì)算理論依據(jù)是水深測點(diǎn)的瞬時(shí)水位與其測區(qū)

7、內(nèi)潮波同相的各水位站的水位是呈相關(guān)關(guān)系，即各站間潮時(shí)和潮高變化與距離成正比6。3.2 RTK-GPS實(shí)時(shí)潮位改正無驗(yàn)潮實(shí)時(shí)潮位改正的的其工作原理是在基準(zhǔn)站安置一臺GPS 接收機(jī)，對所有可用GPS 衛(wèi)星進(jìn)連續(xù)性觀測，并將其觀測數(shù)據(jù)通過無線電傳輸設(shè)備，實(shí)時(shí)地發(fā)送給流動(dòng)觀測站。在用戶端，GPS 接收機(jī)在接收GPS 衛(wèi)星信號的同時(shí)，通過無線電接收設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后根據(jù)相對定位的原，實(shí)時(shí)的計(jì)算并顯示用戶觀測站的三維坐標(biāo)。結(jié)合GPS天線在船體坐標(biāo)系VFS下的坐標(biāo)、海面相對VFS原點(diǎn)的垂直距離，獲得瞬時(shí)海面高程，最終獲得在實(shí)時(shí)潮位。水深測量誤差來源及提高精度的措施4.1水面高程傳遞誤差海洋測量

8、海底的高程獲得是依靠水面進(jìn)行傳遞。在高程傳遞的過程中，需進(jìn)行潮位站水尺零點(diǎn)的測定、潮位觀測、潮位改正過程。以下逐一展開討論：1潮位站水尺零點(diǎn)的測定誤差潮位站水尺零點(diǎn)的精度直接關(guān)系潮汐觀測的準(zhǔn)確度，其測定是通過水準(zhǔn)測量的方法測定。在水準(zhǔn)測量過程中基準(zhǔn)點(diǎn)、儀器、水準(zhǔn)尺、觀測過程、標(biāo)石下沉因素會(huì)帶來誤差，從而給水尺零點(diǎn)高程式帶來誤差。2潮位觀測誤差潮位觀測方法主要有水尺觀測法、驗(yàn)潮井觀測法和傳感器式水位計(jì)觀測法。本次抄錄長期觀測站的潮位資料是采用驗(yàn)潮井觀測法觀測的。它是在特制的豎井中引入海水，保持井內(nèi)外水壓平衡，在井中設(shè)置浮子，由浮子帶動(dòng)記錄滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)從而記錄水面高程變化。在井與海水連通環(huán)節(jié)上設(shè)置了阻

9、尼設(shè)備，這樣在一定程度上消除了波浪的影響，提高了水位判讀精度，同時(shí)也會(huì)引起水位的滯后和壓縮。3 潮位改正誤差由于潮位改正數(shù)學(xué)模型是將驗(yàn)潮站之間的海面及潮位基準(zhǔn)面作為直線來處理，僅適用于潮差均勻變化且測點(diǎn)恰好位于兩驗(yàn)潮站連線上的情況，局部水域潮位的變化規(guī)律與潮位站間水位的變化規(guī)律不一致且實(shí)際情況是海面為不規(guī)那么的曲面采用此方法，會(huì)帶來潮位內(nèi)插的誤差。4.2 GPS-RTK實(shí)時(shí)潮位誤差來源GPS-RTK實(shí)時(shí)潮位的誤差與GPS技術(shù)的誤差一致，主要與衛(wèi)星有關(guān)的誤差衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、相對論效應(yīng)；與傳播途徑有關(guān)的誤差電離層延遲、對流層延遲、多路徑效應(yīng) ；以及與接收設(shè)備有關(guān)的誤差接收機(jī)天線相位中心的偏

10、差和變化、接收機(jī)鐘差、接收機(jī)內(nèi)部噪聲等有關(guān)。除受上述因素影響外，RTK測高精度主要與以下因素有關(guān)。1 適用范圍。本文4.2中提到WGS84大地高向正高的轉(zhuǎn)化中必須按經(jīng)典的布爾莎七參數(shù)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)不準(zhǔn)確可影響到23cm左右RTK測量誤差。模型的建立應(yīng)根據(jù)測量目的、要求精度、衛(wèi)星狀況、接收機(jī)類型、測區(qū)已有控制點(diǎn)情況及作業(yè)效率等因素綜合考慮，按照優(yōu)化設(shè)計(jì)原那么對測區(qū)進(jìn)行控制?？刂凭W(wǎng)要求控制整個(gè)測量區(qū)域，對于外海區(qū)水深測量，受控制點(diǎn)限制往往采用陸地上范圍跨度較大的控制網(wǎng)鏡像到測量區(qū)域，以到達(dá)GPS測高的精度要求。2 受制于基準(zhǔn)站的影響。由上述原理可知，水位確實(shí)定是由GPS通過RTK方式獲

11、得的，因而基準(zhǔn)站點(diǎn)位的準(zhǔn)確與否對水位確實(shí)定有著直接的影響。其次差分GPS技術(shù)在20Km內(nèi)，根本可以消除各種衛(wèi)星誤差，但隨著距離的增加，垂直誤差顯著增大，所以差分GPS應(yīng)在相應(yīng)的作用范圍內(nèi)進(jìn)行作業(yè)。3 受制于地理環(huán)境的影響。采用RTK工作方式時(shí)，差分信號起著至關(guān)重要的作用。由于地理因素的作用，如高山的遮擋、河流的轉(zhuǎn)彎等，差分信號往往強(qiáng)度減弱或被中斷，致使GPS接收機(jī)難以進(jìn)入RTK工作模式。其次海平面作為信號反射物會(huì)增加多路徑效應(yīng)的干擾。4 其他因素的影響。接收機(jī)的性能、軟件解算誤差、不同時(shí)刻衛(wèi)星狀態(tài)和觀測條件引起的誤差等因素也制約著GPS測高的推廣應(yīng)用。4.3船舶姿態(tài)變化產(chǎn)生的誤差測深系統(tǒng)工作載

12、體是測量船舶，在測量過程中，由于船舶姿態(tài)的變化，必然會(huì)引起船上的GPS天線和換能器產(chǎn)生相應(yīng)的變化，引起平面定位和測深誤差。1船舶橫向、縱向搖擺帶來的測深誤差船舶橫向、縱向搖擺造成換能器姿態(tài)的變化，使發(fā)射波束相對船舶四周方向發(fā)射，偏離垂直方向從而引起誤差，如圖1、圖2。設(shè)為測船橫搖角，設(shè)為測船縱搖角，兩者綜合對測深有以下關(guān)系：d=Sm*cos*cos式中Sm為實(shí)測水深值。2船舶橫向、縱向搖擺帶來的平面位置誤差在測深系統(tǒng)安裝時(shí)，盡管GPS天線同測深儀的換能器布置在同一鉛垂線上，然而在實(shí)際測量過程中，由于船舶載體姿態(tài)的變化縱搖和橫搖，造成GPS天線和換能器的中心偏差，此偏差在載體坐標(biāo)系中分別表現(xiàn)在沿

13、縱軸和橫軸方向的偏差，如圖3?？紤]到縱搖和橫搖對平面的影響類似，其偏差為：D=(H + L)* sin。式中：為載體縱搖和橫搖時(shí)的角度，為測深儀實(shí)測深度，為天線至水面的高度。從公式可以看出，船舶姿態(tài)的變化造成的縱搖和橫搖對平面位置的影響顯著，而且同測區(qū)的水深有很大關(guān)系，實(shí)測越深，平面定位誤差越大。3船舶動(dòng)吃水產(chǎn)生的測深誤差船體動(dòng)態(tài)吃水發(fā)生在垂直方向，對在航潮位確實(shí)定有著比擬大的影響，因此必須考慮。動(dòng)態(tài)吃水與船速、船型和水深等因素相關(guān)，可以通過霍密爾動(dòng)態(tài)吃水經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛_定9。徐圩航道水深測量圖4 工程區(qū)域及潮位站分布圖5.1系統(tǒng)設(shè)備配置水深測量作業(yè)系統(tǒng)主要包括法國Z-MAX雙頻GPS接收機(jī)系統(tǒng)按R

14、TK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位；無錫海鷹HY1600測深儀測深；英國TSS HS-50升沉傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；Hypack導(dǎo)航軟件同步采集觀測數(shù)據(jù)。為了使差分信號有足夠的輻射距離，基準(zhǔn)站站位選擇在測區(qū)附近的地勢較高的徐圩海洋站。船上GPS接收機(jī)天線固定在船艙上方開闊位置，易于觀測且防止了多路徑效應(yīng)對海上GPS測量的影響。測量中， GPS接收機(jī)輸出定位數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔設(shè)置為1s。GPS天線相位中心、TSS姿態(tài)傳感器與測深儀換能器保持在同一垂線上。TSS的采樣頻率設(shè)置為5 Hz。測量期間，GPS的定位信息、TSS姿態(tài)傳感器的heave和測深儀測量深度均被Hypack讀取和存儲(chǔ)。外業(yè)包括數(shù)據(jù)采集、導(dǎo)航航跡斷面等顯示

15、、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、設(shè)備監(jiān)控、格式轉(zhuǎn)換，后處理包括潮位改正、姿態(tài)改正、外業(yè)數(shù)據(jù)編輯、等深線圖等。5.2質(zhì)量措施為了提高監(jiān)測的精度，在工程實(shí)施中著重做好GPS高程的轉(zhuǎn)換。GPS高程是確定潮位的重要參數(shù)，其精度直接影響著最終潮位測量成果的精度，因此，在確定潮位之前，需要在的控制點(diǎn)上校核，對GPS平面及高程進(jìn)行質(zhì)量控制。其次在監(jiān)測過程中必須監(jiān)控定位系統(tǒng)的定位模式，一旦失鎖，必須重新初始化，確保RTK的模式為固定解。由于風(fēng)浪的作用船體會(huì)發(fā)生橫搖roll、縱搖pitch以及起伏heave變化。這些變化改變了GPS天線在理想船體坐標(biāo)系VFS下的坐標(biāo)，為了獲得瞬時(shí)海面高程，必須進(jìn)行姿態(tài)改正7。姿態(tài)改正的主要作用：一

16、是根據(jù)GPS天線處的瞬時(shí)測量高程獲取瞬時(shí)海面高程；二是補(bǔ)償船體姿態(tài)變化給潮位測量帶來的影響。GPS測量基于WGS84橢球面的大地高，而潮位多用基于理論深度基準(zhǔn)面的海圖高程表示。因此需把大地高轉(zhuǎn)換為海圖高。因此，要實(shí)現(xiàn)WGS84橢球面與海圖理論深度基準(zhǔn)面之間的轉(zhuǎn)換需要通過兩步來實(shí)現(xiàn)8。第一步是高程基準(zhǔn)面從橢球面到似大地水準(zhǔn)面之間的轉(zhuǎn)換，即大地高向正常高轉(zhuǎn)換；第二步是高程基準(zhǔn)面從似大地水準(zhǔn)面向理論深度深度基準(zhǔn)面的轉(zhuǎn)換，即正常高向海圖高的轉(zhuǎn)換。5.3觀測成果以某測次徐圩航道中心線觀測資料為例，實(shí)施現(xiàn)場觀測條件較為理想，觀測時(shí)通過海洋站同步觀測波浪資料，最大浪高28cm, 平均波高為11cm。根據(jù)GP

17、S RTK數(shù)據(jù)獲得的瞬時(shí)海面高程按1分鐘的平均值作為實(shí)時(shí)潮位，并與用供油站、徐圩海洋站、車牛山潮位站改正得到的潮位進(jìn)行比擬，潮位站及RTK基準(zhǔn)站站位圖如圖4，比擬結(jié)果如圖5。假設(shè)以潮位模型內(nèi)插潮位為參考，那么GPSRTK潮位的最大偏差為018 m，最小為0m，均方根為0.09m。這些參數(shù)說明，在18 km航槽范圍內(nèi)GPS RTK潮位和潮位站內(nèi)插潮位具有很好的一致性。圖5有驗(yàn)潮潮位模型改正與GPS-RTK實(shí)時(shí)潮位修正值比擬該先導(dǎo)試挖徐圩航道浚挖至-8m工程于2023年5月30日交工驗(yàn)收，交工后長達(dá)4個(gè)月的對徐圩航道回淤觀測里，采用無驗(yàn)潮和有驗(yàn)潮多站改正的測量方法進(jìn)行了3次大規(guī)模的徐圩航道水下地形

18、及固定斷面測量。通過成果比照結(jié)論：總體比照來說，兩種測量方法水深互差平均值為0.07米，第1次和第3次互差均小于15cm，具有較好的比照性。5.4提高測深精度的措施根據(jù)上述水深測量誤差的來源，可以提高測深及定位等精度的措施來提高測深精度。下面著重討論提高RTK測高精度的措施。1 RTK 的作用距離 RTK 技術(shù)當(dāng)前的測量精度RMS平面 10mm+2ppm；高程 20mm+2ppm。受 RTK 數(shù)據(jù)鏈的傳播限制和定位精度要求，RTK 測量一般不超過 10km。在GPS 接收機(jī)的性能要求方面必須選擇RTK 型雙頻接收機(jī)；其次選擇電臺性能要好，傳送距離要遠(yuǎn)，能正確無誤的將基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)發(fā)送到流動(dòng)站。

19、在滿足精度的前提下，可以采用中繼站進(jìn)行中轉(zhuǎn)差分信號。2基準(zhǔn)站架設(shè)為了保證RTK測高的精度，必須嚴(yán)格選擇性能優(yōu)的基準(zhǔn)站。因?yàn)榛鶞?zhǔn)站接收機(jī)每次衛(wèi)星信號失鎖將會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有流動(dòng)站的正常工作。 其次選擇基準(zhǔn)站的站位也十分重要，選擇視野開闊，截止高度角應(yīng)超過 15；周圍無信號反射物；盡量設(shè)置于相對制高點(diǎn)上，以方便播發(fā)差分改正信號；遠(yuǎn)離微波塔、通信塔等大型電磁發(fā)射源 200 米外，要遠(yuǎn)離高壓輸電線路、通訊線路50米外。 3流動(dòng)站測量為了檢驗(yàn)當(dāng)前站 RTK 作業(yè)的正確性，必須檢查一點(diǎn)以上的控制點(diǎn)，當(dāng)檢核在設(shè)計(jì)限差要求范圍內(nèi)時(shí)，方可開始RTK測量。在 RTK 測量水下地形時(shí)，利用確定的動(dòng)態(tài)吃水與船速的關(guān)系，

20、為了保持?jǐn)?shù)據(jù)鏈的連續(xù)，應(yīng)盡量保持穩(wěn)定的姿態(tài)測量船勻速，不出現(xiàn)顯著的加速度。4觀測條件船姿對測深及平面定位精度的影響較大，必須盡量防止在風(fēng)浪中進(jìn)行測量，特別是深水作業(yè)時(shí)特別注意船舶姿態(tài)對測量的影響。另一方面，開發(fā)研制對測量船航行時(shí)姿態(tài)的實(shí)時(shí)同步記錄系統(tǒng)如在各個(gè)航跡點(diǎn)的船舶縱向、橫向搖擺變化通過建立模型，對所測量的深度、平面位置軌跡進(jìn)行修正。結(jié)語本文結(jié)合水位的觀測方法及其改正對水深測量的影響進(jìn)行了分析，通過對水位改正這一重要環(huán)節(jié)的討論提出有助提高水深測量的精度的措施。通過工程實(shí)例連云港徐圩航道回淤研究水下地形監(jiān)測中采用無驗(yàn)潮與有驗(yàn)潮相結(jié)合的方法，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，提高對測深的精度，滿足回淤觀測研究的需要。有驗(yàn)潮水位改正的優(yōu)點(diǎn)表達(dá)在固定長期驗(yàn)潮站水尺零點(diǎn)固定，基面關(guān)系清晰，潮高資料具有很好的連續(xù)性。無驗(yàn)潮水位改正的優(yōu)點(diǎn)表達(dá)在速度快、動(dòng)態(tài)水位能夠消除船體上下起伏帶來的測深誤差，大大提高水深測量精度。相對傳統(tǒng)的測量方法，該法具有方便、快捷和簡單等特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的可操作性和可行性。PAGE PAGE 6參考文獻(xiàn)：1趙建虎，劉經(jīng)南，周豐年GPS測定船體姿態(tài)方法研究J武漢測繪科技大學(xué)學(xué)報(bào)，200