楊海忠

摘 要：本文以RTK運(yùn)用于海洋測繪為研究對象，通過分析無驗(yàn)潮測深方法及其各種影響因素的產(chǎn)生機(jī)理，結(jié)合當(dāng)前常用的測深設(shè)備的性能指標(biāo)，模擬計(jì)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(jì)算結(jié)果的分析給出相應(yīng)的解決辦法，為開展海洋測深工作的外業(yè)實(shí)施提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：海洋測繪 RTK 精度

中圖分類號：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）03（c）-0003-02

高精度海洋測深是21世紀(jì)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(gè)方面的重要內(nèi)容，只有同時(shí)提高定位和測深的精度，才能提供高精度的海底地形信息數(shù)據(jù)。由于海洋測深通常在運(yùn)動(dòng)載體上完成，因此傳統(tǒng)的定位手段無法滿足實(shí)時(shí)定位的要求。隨著GPS測量技術(shù)的發(fā)展，GPS-RTK技術(shù)能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境下獲得厘米級甚至毫米級的水平定位精度和厘米級的高程定位精度。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(zhǔn)確測量換能器至海底泥面的距離。

因此，海洋測深中通常采用GPS-RTK進(jìn)行定位、單波束測深儀進(jìn)行測深。目前，國內(nèi)外廣泛開展了GPS-RTK無驗(yàn)潮測深方面的研究，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的影響。并且在海況復(fù)雜時(shí)，這種簡易的無驗(yàn)潮測深方法往往難以取得令人滿意的效果。為此，本文通過分析無驗(yàn)潮測深方法及其各種影響因素的產(chǎn)生機(jī)理，結(jié)合當(dāng)前常用的測深設(shè)備的性能指標(biāo)，模擬計(jì)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(jì)算結(jié)果的分析給出相應(yīng)的解決辦法，為開展海洋測深工作的外業(yè)實(shí)施提供參考和借鑒。

1 GPS RTK測深技術(shù)原理研究

隨著GPS全球定位技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量在實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位方面的應(yīng)用越來越廣泛。目前GPS定位中應(yīng)用較多的是DGPS技術(shù)，這是一種采用簡單的碼數(shù)據(jù)（波長300m）相位平滑的技術(shù)，定位精度在納米級，水下地形高程則需要通過驗(yàn)潮確定。對于大比例尺的水下地形測量或作業(yè)區(qū)遠(yuǎn)離陸域不便于驗(yàn)潮的地方，DGPS技術(shù)已難于滿足要求，而GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相位差分（RTK）是一種直接應(yīng)用L1和L2載波（波長分別為19cm和24cm）相位的GPS定位技術(shù)，它在三維坐標(biāo)上可以提供厘米級的精度，在水下地形測量中無需通過驗(yàn)潮確定泥面高程，這種方法稱為GPS無驗(yàn)潮測深。

假定參考站天線高為h1，參考站的正常高為h2，流動(dòng)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(dòng)站GPS天線相位中心的大地高和正常高分別為h6、h7，換能器的瞬間高程為h8，測點(diǎn)高程為h，如圖1所示。

h4=h1+h2

h7=h3+h8 （1）

根據(jù)GPS差分原理，參考站與流動(dòng)站間的距離小于30km，可認(rèn)為下式成立：

h5-h6=h4-h7

h7=h4-（h5-h6）

根據(jù)（1）式有：h3+h8=h1+h2-（h5-h6）

則換能器的瞬間高程h8=h1+h2-h3-（h5-h6）。換能器的瞬間高程確定后，所測的水底點(diǎn)的高程就很容易求出：h=h8-測深儀所測的深度。

這樣就實(shí)現(xiàn)了在水深測量中，無需通過驗(yàn)潮來確定泥面高程，這種方法稱為GPS無驗(yàn)潮測深。眾所周知，動(dòng)吃水發(fā)生在垂直方向，在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位時(shí)，該方向上的位移量可通過架設(shè)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(chǔ)上，因而說，船體的動(dòng)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(yàn)潮測深模式所特有的，也是相對傳統(tǒng)方法測量精度較高的原因所在。

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(dòng)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(shí)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1430～1550m/s（水溫每增加1°，聲速增加4.6m/s）。海水介質(zhì)顯著變化的溫、鹽特征必然導(dǎo)致聲速結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化。由于介質(zhì)聲速不僅受水團(tuán)運(yùn)動(dòng)而經(jīng)常發(fā)生復(fù)雜變化，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(xiàng)誤差改正中最重要也最復(fù)雜。只有精確確定海水中聲速在垂直方向上的變化數(shù)值，才能為測深儀、聲吶等水下聲學(xué)設(shè)備探測水下目標(biāo)提供準(zhǔn)確的聲速校正數(shù)據(jù)。

聲速剖面正是描述隨深度的增加聲速不均勻變化的二維斷面圖形，反映了海水中聲速隨深度變化的規(guī)律。根據(jù)《海道測量規(guī)范》的要求，對于0～20m水深，需要用校對法直接求測深儀總改正數(shù)；對于20～200m的水深，需要采用水文資料進(jìn)行聲速改正；對于大于200m水深的聲速改正數(shù)，使用《回聲測深改正數(shù)表》，或者使用擬合公式進(jìn)行改正。海水介質(zhì)聲速結(jié)構(gòu)可以分解為4種類型：等速的均勻?qū)咏Y(jié)構(gòu)、隨深度增加聲速線性增加的遞增型結(jié)構(gòu)、隨深度增加聲速線性減小的遞減性結(jié)構(gòu)、兩個(gè)不等速均勻?qū)酉嗷クB置的躍層結(jié)構(gòu)。

在不進(jìn)行聲速剖面測量的情況下，通常使用檢查板進(jìn)行測深儀改正數(shù)的校對，并且盡量選擇在海況好，風(fēng)、流速小的區(qū)域進(jìn)行。進(jìn)行聲速改正的方法是在不同水深值聲速改正數(shù)時(shí)，從換能器吃水深度起（換能器吃水1.2m），不同聲速水層一直到水深值深度的各水層聲速改正數(shù)的總和。

聲速改正的公式如下：

ΔZV=（Ci-CO-1）Zi （2）

式（2）中，ΔZV為聲速改正數(shù)，C為測深儀實(shí)測聲速，C0為測深儀設(shè)計(jì)聲速，Zi為各水層厚度。在水深12m處，用檢查板校對了某測深儀聲速調(diào)整后的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果不進(jìn)行聲速校正，隨著水深值的增加，水深改正數(shù)呈線性增加的趨勢，20m的水深可以引起0.5m左右的測深誤差。如果進(jìn)行聲速校正，各水層和水深值改正數(shù)的精度均可以提高一個(gè)數(shù)量級以上。因此在近岸水深不大的地方進(jìn)行測深時(shí)，如果沒有進(jìn)行聲速剖面測量，必須利用檢查板進(jìn)行聲速的校正。

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(shù)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(shù)也被廣泛用于地震形變監(jiān)測等方法，顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢。目前GPS-RTK定位的采樣率也可達(dá)到10Hz甚至更高。另外，單波束測深儀的采樣率也可達(dá)到25Hz。由于定位和測深是兩套分別獨(dú)立的系統(tǒng)，那么定位和測深的時(shí)刻就難以準(zhǔn)確對齊，并且這種時(shí)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(shí)刻進(jìn)行配準(zhǔn)。

若定位和測深采用相同的采樣率f，定位和測深時(shí)刻之間存在的時(shí)間偏差為δtl，則：

0≤δtl≤1/f

若定位采樣率為f1，測深采樣率為f2，定位和測深時(shí)刻之間的時(shí)間偏差0<<δt2≤|1/f1-1/f2|。

由此分析，若船速為5km，且定位和測深的采樣率均為10Hz，則一個(gè)歷元可能引起最大5cm的平面定位誤差，若均采用25Hz的采樣率時(shí)，一個(gè)歷元將會最大引起2cm的定位誤差。當(dāng)定位采用25Hz采樣率，測深采用10Hz采樣率時(shí)，一個(gè)歷元將會引起最大2cm的定位誤差。由于采樣時(shí)刻無法準(zhǔn)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(shí)，同時(shí)提高定位和測深的采樣率有助于降低單個(gè)歷元平面定位誤差。在采樣率不同的情況下，應(yīng)盡量使兩者的采樣率接近。由于時(shí)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(shí)進(jìn)行定位和測深信號的對齊。這種誤差可通過對硬件進(jìn)行同步配置或者作業(yè)時(shí)記錄參數(shù)、作業(yè)后進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理的方式進(jìn)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(fēng)浪影響將產(chǎn)生晃動(dòng)。這種晃動(dòng)可以分解為橫搖和縱搖兩種運(yùn)動(dòng)。橫搖和縱搖的中心與測量船的重心以及測深儀的安裝位置有關(guān)，測量船的晃動(dòng)會給測深和定位帶來巨大影響，現(xiàn)在從平面和垂直兩個(gè)方向來分析這種誤差的影響。

在進(jìn)行測深時(shí)，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(shí)增加羅經(jīng)、姿態(tài)儀、涌浪補(bǔ)償儀等，只有利用姿態(tài)數(shù)據(jù)對測深數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)或后處理，測深的精度才能滿足要求。

3 結(jié)語

海洋測深的主要工作載體是船舶，由于海水受風(fēng)浪、海流以及潮汐等作用的影響，海面及船舶的運(yùn)動(dòng)必然是動(dòng)態(tài)且無序，因此，海洋測深的精度必然受到較大的影響。另外，為了降低成本，海洋測深時(shí)定位和測深必須同時(shí)進(jìn)行，同時(shí)測深數(shù)據(jù)的精度直接依賴于定位數(shù)據(jù)質(zhì)量，即使測深精度再高，測深的位置偏差將直接導(dǎo)致測深數(shù)據(jù)質(zhì)量的下降，因此必須同時(shí)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(dāng)前在各種航道和近岸水下工程中，單波束測深數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)的測量數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確性和精度的要求越來越高。本文結(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，希望能為測深外業(yè)工作的開展提供有益的參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)

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