RTK運用于海洋測繪中精度分析研究

1、rtk運用于海洋測繪中精度分析研究摘要：該文以rtk運用于海洋測繪為研究對象，通過分析無驗 潮測深方法及其各種影響因素的產(chǎn)生機理，結(jié)合當前常用的測深設備 的性能指標，模擬計算這些因素在各種海況下引起的定位和測深的誤 差量級，然后通過對計算結(jié)果的分析給出相應的解決辦法，為開展海 洋測深工作的外業(yè)實施提供參考和借鑒。 關鍵詞：海洋測繪rtk 精度中圖分類號:p228文獻標識碼：a文章編號：1672-3791 (2017) 07 (a) -0069-02高精度海洋測深是21世紀海洋測量發(fā)展的主要方向之一。海洋 測深包含定位和測深兩個方面的重要內(nèi)容，只有同時提高定位和測深 的精度，才能提供高精度的海底

2、地形信息數(shù)據(jù)。由于海洋測深通常在 運動載體上完成，因此傳統(tǒng)的定位手段無法滿足實時定位的要求。隨 著gps測量技術的發(fā)展，gps-rtk技術能夠在動態(tài)環(huán)境下獲得cm 級甚至mm級的水平定位精度和cm級的高程定位精度。在測深方面, 單波束測深儀通過水下?lián)Q能器發(fā)射和接收測深脈沖信號，可準確測量 換能器至海底泥面的距離。海洋測深中通常采用gps-rtk進行定位、單波束測深儀進行測 深。口前，國內(nèi)外廣泛開展了 gps-rtk無驗潮測深方血的研究，雖 然該方法可從理論上消除潮汐模型誤差的影響，但都沒有綜合考慮聲 速校正、gps和測深儀信號不同步、測深儀信號延遲、測量船測量瞬 間姿態(tài)誤差等因素給測深精度帶來

3、的影響。在海況復雜時，這種簡易的無驗潮測深方法往往難以取得令人滿 意的效果。為此，該文通過分析無驗潮測深方法及其各種影響因素的 產(chǎn)生機理，結(jié)合當前常用的測深設備的性能指標，模擬計算這些因素 在各種海況下引起的定位和測深的誤差量級，然后通過對計算結(jié)果的 分析給出相應的解決辦法，為開展海洋測深丁作的外業(yè)實施提供參考 和借鑒。1 gpsrtk測深技術原理研究隨著gps全球定位技術的不斷發(fā)展，gps實時動態(tài)測量在實時 導航定位方面的應用越來越廣泛。目前gps定位中應用較多的是 dgps技術，這是一種采用簡單的碼數(shù)據(jù)（波長300 m）相位平滑的 技術，定位精度在rnn級，水下地形高程則需要通過驗潮確定。

4、對于 大比例尺的水下地形測量或作業(yè)區(qū)遠離陸域不便于驗潮的地方， dgps技術已難以滿足要求，而gps實時動態(tài)相位差分（rtk）是一 種直接應用l1和l2載波（波長分別為19 cm和24 cm）相位的gps 定位技術，它在三維坐標上可以提供cm級的精度，在水下地形測量 中無需通過驗潮確定泥而高程，這種方法稱為gps無驗潮測深。假定參考站天線高為hl,參考站的正常咼為h2,流動站的天線 高為h3,參考站gps天線處的正常高和大地高分別為h4、h5,流動 站gps天線相位中心的人地高和正常高分別為h6、h7,換能器的瞬 間高程為h8,測點高程為h。由圖1中可以看出：h4=h1+h2h7=h3+h8(

5、1)根gps差分原理，參考站與流動站間的距離小于30 km,可認為 下式成立：h5-h6=h4-h7h7=m- (h5-h6)根據(jù)(1)式有:h3+h8=hl+h2- (h5-h6),則換能器的瞬間高程 h8=hl+h2-h3- (h5h6)。換能器的嶙間高程確定后，所測的水底點的 高程就很容易求出：h=h8測深儀所測的深度。這樣就實現(xiàn)了在水深測量屮，無需通過驗潮來確定泥面高程，這 種方法稱為gps無驗潮測深。眾所周知，動吃水發(fā)生在垂直方向， 在實吋動態(tài)定位吋，該方向上的位移量可通過架設在船體中心上方的 gps天線相位中心的瞬間高程信息獲得，該高程減去gps天線到換 能器的垂距，便是換能器發(fā)射

6、面的瞬間高程，而換能器測量的深度正 是建立在該高程的基礎上，因此，船體的動態(tài)吃水不用專門去測定， 換能器的瞬間高程已經(jīng)包含了該信息。這是無驗潮測深模式所特有的, 也是相對傳統(tǒng)方法測量精度較髙的原因所在。2測深誤差影響因素分析2.1測量誤差對測深精度的影響海水是一種高度流動的介質(zhì)，其溫度、鹽度特征不僅受徑流淡水 和洋流高鹽水入侵的影響，同時還受到氣溫、季節(jié)、海流等因素的共 同影響。一般而言，海水中聲速大致在1 4301 550 m/s (水溫每增 加1° ,聲速增加4.6 m/s)o海水介質(zhì)顯著變化的溫、鹽特征必然導致聲速結(jié)構(gòu)的時空變化。 由于介質(zhì)聲速不僅受水團運動而經(jīng)常發(fā)生復雜變化，

7、而且不同的聲速 結(jié)構(gòu)又將直接影響波束射線的傳播路徑，因此聲速改正在各項誤差改 正屮最重要也最復雜。只有精確確定海水屮聲速在垂直方向上的變化 數(shù)值，才能為測深儀、聲納等水下聲學設備探測水下目標提供準確的 聲速校正數(shù)據(jù)。聲速剖面的差異會通過聲速彎曲直接影響海底探測精度，導致海 底形變的畸變。因此，為了降低海水水溫變化對聲速的影響，應盡量 縮短測深作業(yè)的時間，且聲速剖面測量應選擇在作業(yè)屮間時刻進行。 此外，為了降低水團運動及海水鹽度和密度對聲速的影響，聲速剖面 測量也應選擇在測區(qū)中部位置進行。聲速剖面測量完成后，應用測量結(jié)果實時校正測深儀聲速參數(shù), 或記錄剖面數(shù)據(jù)用于測深數(shù)據(jù)的后處理改止。近岸的航道

8、測量中，對 于020 m水深區(qū)，在不進行聲速剖面測量的情況下，通常使用檢查 板進行測深儀改正數(shù)的校對，并且盡量選擇在海況好，風、流速小的 區(qū)域進行。進行聲速改正的方法是在不同水深值聲速改正數(shù)時，從換 能器吃水深度起（換能器吃水l2m）,不同聲速水層一直到水深值深 度的各水層聲速改止數(shù)的總和。2.2定位和測深不同步引起平面位置誤差近年來隨著gps硬件技術和數(shù)據(jù)處理方法的快速發(fā)展，gps硬 件的采樣率越來越高，并且高頻gps技術也被廣泛用于地震形變監(jiān) 測等方法，顯示出其獨特的優(yōu)勢。目前gps-rtk定位的采樣率也叮達到10 hz甚至更高。另外，單波束測深儀的采樣率也可達到25 hzo 由于定位和測

9、深是兩套分別獨立的系統(tǒng)，那么定位和測深的時刻就難 以準確對齊，并且這種時間偏差會逐漸積累形成系統(tǒng)誤差，因此必須 定期對定位和測深的時刻進行配準。若定位和測深采用相同的采樣率f,定位和測深時刻之間存在的時間偏差為，貝0w lwl/f若定位采樣率為fl,測深采樣率為f2,定位和測深時刻之間的 時間偏差為：0v6t2w | 1/fl -l/f2 |由此分析，若船速為5 km,且定位和測深的采樣率均為10 hz, 則一個歷元可能引起最大5 cm的平面定位誤差，若均采用25 hz的 采樣率時，一個歷元將會最大引起2 cm的定位誤差。當定位采用25 hz采樣率，測深采用10 hz釆樣率時，一個歷元將會引起

10、最大2 cm 的定位誤差。由于采樣時刻無法準確對齊，則隨著歷元數(shù)的增加，定 位誤差也將呈線性增加。由此可見，采樣率相同時，同時提高定位和 測深的采樣率有助于降低單個歷元平面定位誤差。在采樣率不同的情 況下，應盡量使兩者的采樣率接近。市于時間偏差會隨歷元數(shù)增加而 逐漸積累，因此不管定位和測深采用何種采樣率，都需要定期及時進 行定位和測深信號的對齊。這種誤差可通過對硬件進行同步配置或者 作業(yè)時記錄參數(shù)、作業(yè)后進行數(shù)據(jù)后處理的方式進行減小和消除。2.3測量船橫/縱搖引起平面位置和測深誤差由于測深儀安裝在測量船上，測量船受風浪影響將產(chǎn)生晃動。這 種晃動可以分解為橫搖和縱搖兩種運動。橫搖和縱搖的中心與測

11、量船 的重心以及測深儀的安裝位置有關，測量船的晃動會給測深和定位帶 來巨大影響，現(xiàn)在從平面和垂直兩個方向來分析這種誤差的影響。在進行測深時，需要盡量選擇好的海況條件，將橫搖角控制在 10°以內(nèi)。如果海況惡劣，則必須要在測深的同時增加羅經(jīng)、姿態(tài)儀、 涌浪補償儀等，只有利用姿態(tài)數(shù)據(jù)對測深數(shù)據(jù)進行實吋或后處理，測 深的精度才能滿足耍求。3結(jié)語海洋測深的主要工作載體是船舶，由于海水受風浪、海流以及潮 汐等作用的影響，海面及船舶的運動必然是動態(tài)且無序，因此海洋測 深的精度必然受到較大的影響。另一方面，為了降低成木，海洋測深 時定位和測深必須同時進行，同時測深數(shù)據(jù)的精度直接依賴于定位數(shù) 據(jù)質(zhì)量，叩使?y深精度再高，測深的位置偏差將直接導致測深數(shù)據(jù) 質(zhì)量的下降，因此必須同時考慮定位和測深精度，才能保證海洋測深 數(shù)據(jù)成果的有效。當前在各種航道和近岸水下工程中，單波朿測深數(shù) 據(jù)作為基礎的測量數(shù)據(jù)，其準確性和精度的要求越來越高。隨著 gps-rtk測量技術的發(fā)展,近年來出現(xiàn)了無驗潮gps-rtk測深方法, 由于該方法原理簡單，外業(yè)測量易于實施，因此受到了航道、海洋等 工程單位的重視并逐步得到應用，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。該 文結(jié)合航道測量規(guī)范，分別從定量和定性的角度分析了各種影響單波 束測深儀定位和測深數(shù)據(jù)精度的因素，并給出了減小和降低這些誤差 的操作措施和建議，希望能為測深外