胡 凱

(遼寧白石水利水電建筑工程有限公司，遼寧 沈陽 110000)

SonTek DGPS是采用了一種高精度的、載波相位差分原理自行研制和生產(chǎn)的DGPS。當SBAS系統(tǒng)的差分信號可以被接收時[1]，其定位誤差會很小，完全可以達到亞米級的精度。由于在走航式M9/S5中的GPS主要是用來測定船只移動的速度，因此SonTek DGPS接收器采用了VTG的格式，利用測量多普勒位移和載波相位差分原理，可以很好地反映出船只的航行速度。采用VTG格式的好處在于DGPS接收器甚至于可以不需要接收SBAS系統(tǒng)的差分信號，這一點，對于在SBAS系統(tǒng)覆蓋范圍的邊緣地區(qū)尤為有用。有關(guān)這方面的應(yīng)用，美國USGS做了大量的試驗，并有一個專題的技術(shù)報告證明這個理論。在國內(nèi)，以下的試驗也同樣證明了這個理論。采用VTG的另一個好處是，可以不受多路徑誤差的影響，特別對于測量地點附近有橋梁、高大建筑物和樹木等物體存在時，更體現(xiàn)出其優(yōu)越性。

在M9/S5的應(yīng)用軟件-RiverSurveyor Live中，有2個圖標會顯示出儀器接收到差分信號的狀態(tài)。當“GGA圖標顯示綠色的DIF、VTG圖標顯示藍色的VTG”時，表示儀器處于GPS的差分信號鎖定狀態(tài)；也就是說，測量的地點處于MSAS系統(tǒng)的覆蓋范圍之內(nèi)。當“GGA圖標顯示黃色的GGA、VTG圖標顯示黃色的VTG”時，表示儀器處于GPS的差分信號沒有鎖定的狀態(tài)；或者說，測量的地點處于MSAS系統(tǒng)的覆蓋范圍之外。美國USGS的大量試驗，在加拿大和新西蘭的試驗以及遼寧等地的試驗結(jié)果表明，在河寬大于20m、船速不小于0.1m/s的情況下，甚至于在不滿足這些條件的工況下，即使儀器處于GPS的差分信號沒有鎖定的狀態(tài)，其流量測驗的成果仍然可以獲得與用RTK GPS的GGA作參考的成果相近的效果；儀器仍然可以達到亞米級的測量精度。

SonTek RTK GPS是一種由SonTek公司自行研制和生產(chǎn)的、簡單、性價比極高的實時動態(tài)RTK解決方案。SonTek RTK GPS自帶一個基站，采用普通的三腳架固定方式，但不需要精確地安置和固定，可隨意地在河岸選擇開闊的地方展開即可。它可以將接收到的RTK差分信號，通過專用的無線電臺傳輸給測量移動中的M9/S5主機，因此可以獲得高精度實時動態(tài)大地坐標位置。SonTek RTK GPS完全可以替代底跟蹤[2]，在洪水期間底跟蹤失效，或河床走底的情況下，仍然可以采集精確有效的數(shù)據(jù)，其測流精度達到0.03m。它比DGPS有更高的性能，包括300s典型的自鎖時間等功能，甚至在寬度僅為1m的小溪中測流，仍然可以保持足夠的測流精度。

SonTek RTK GPS的另一個特征是它不依賴于來自地球同步衛(wèi)星的差分信號[3]，就可以利用本身的固定位置不斷地修正獲得精確的大地坐標位置，然后以此作為標準給出每次GPS信號的修正數(shù)據(jù)，使M9/S5主機同樣可以得到RTK的測量精度。

1 GPS配置的實驗

為了進一步驗證SonTek DGPS和SonTek RTK GPS的性能[4]，在不同條件下，使用底部跟蹤作為參考，與分別采用DGPS和RTK GPS作參考時[5]，M9/S5軟件中顯示的直線距離(DMG)與實際距離之間的差距，以驗證測量的精度。

1.1 試驗1

第1次試驗是在遼寧中小河流上進行，時間是2021年5月20日?？紤]到本次試驗僅對測量顯示的距離與數(shù)據(jù)距離的誤差感興趣，而不作流量誤差的考核；所以，試驗是沿著小河的岸邊拖曳M9進行。采用的是M9主機，加上DGPS的配置。在試驗的地點可以收到MSAS系統(tǒng)發(fā)出的差分信號。表現(xiàn)出來的是GPS質(zhì)量為2，見表1。

表1 工況試驗數(shù)據(jù)成果

從以上的試驗情況分析，采用VTG做參考時，測量的精度更高一些。雖然，從平均值來看，表面上GGA測量的距離更接近20m；但是，可以看到150033那次測量的數(shù)值偏小很多，卻把平均值拉平了。從理論上來說，在沒有受到干擾等因素的影響時，GGA作參考的精度會比較高，但是，如果受到多路反射的影響時，其測量精度有時反而會不如VTG參考的數(shù)據(jù)。這次試驗的結(jié)果表明：采用VTG作參考測量船速，其精度是可以達到亞米級的。

1.2 試驗2

第2次試驗是在遼寧某廣場內(nèi)進行。時間是2021年5月22日。分4種不同配置、不同工況的條件。第一種是采用DGPS配置進行試驗；先用卷尺測量2點之間的距離，在接收到差分信號的情況下，將帶有DGPS的主機以步行的速度(0.5～1.0m/s)走完全程，比較分別以GGA、VTG作參考時的直線距離(DMG)的數(shù)值。第2種試驗與前一次相同的方法，只是在沒有差分信號的條件下進行，也同樣對GGA、VTG與DMG距離進行比較。第3種試驗是在廣場的水池中進行，同樣采用DGPS配置進行試驗，用卷尺測量2點之間的距離，用繩子拖曳三體船通過水池(速度約0.11m/s)，然后比較分別以底跟蹤、GGA、VTG作參考時的直線距離(DMG)的數(shù)值。第4種試驗與第3種的試驗條件相同，只是改成RTK GPS的配置進行試驗，見表2。

表2 第1種和第2種工況的試驗

上述表格中的前面8組數(shù)據(jù)是第1種工況(收到差分信號)，最后2組數(shù)據(jù)是第2種工況，即沒有接收到差分信號(從GPS質(zhì)量=1，可以判斷，這時沒有收到差分信號)，而試驗的成果表明，不論是在有差分信號和沒有差分信號的不同情況下，用VTG做參考測試的距離與實際距離之間的誤差很小，測量距離按照SonTek的建議(大于20m)，可以看到，儀器能夠達到亞米級的精度。

第3種工況試驗見表3，結(jié)果表明，在水中實際測量時，其效果與在岸上試驗的效果很接近。這次試驗是突破了SonTek對河寬要求的限制。但從實際數(shù)據(jù)來看，仍然可以滿足亞米級的精度要求。

表3 第3種工況的試驗

第4種工況試驗見表4，結(jié)果表明，當采用RTK GPS配置時，對于窄小的河道中進行測量，仍然可以達到如同底跟蹤一樣的精度。從數(shù)據(jù)分析，其測量的誤差明顯小于采用DGPS配置的測驗誤差。因此，RTK GPS配置特別適用于小型渠道或窄小河道、在走底的情況下或底跟蹤失效的情況下，進行流量的測驗。

表4 第4種工況的試驗

1.3 試驗3

第3次試驗也是在遼寧某廣場內(nèi)進行，時間是2021年5月24日，只采用DGPS配置進行試驗。其目的是：在不滿足SonTek提出的大于20m河寬、大于0.1m/s船速的情況下，M9是否可以達到亞m級的精度。分5種工況條件進行試驗。第1種是定點試驗；M9靜止不動10min，觀察偏移的距離。第2種試驗是以小于0.1m/s的速度移動20m，對GGA、VTG與DMG距離進行比較。第3種試驗是以大于0.1m/s的速度移動10m，對GGA、VTG與DMG距離進行比較。第4種試驗是以大于0.1m/s的速度移動5m，對GGA、VTG與DMG距離進行比較。第五種試驗是以小于0.1m/s的速度移動5m，對GGA、VTG與DMG距離進行比較，見表5。

表5 工況試驗結(jié)果

在第1種工況，靜止10min的測試中，在第1min的時段內(nèi)，GPS質(zhì)量=1，也就是如果沒有差分信號[6]，采用VTG做參考，這時偏移的距離僅0.14m。在以后的9min中，都已經(jīng)收到了差分信號，最后的偏移為0.5m；或者說，隨著時間的推移，累計的偏移量會有所增加。但不論是什么情況，仍然可以達到亞米級的精度。后面的幾種工況，則是對小于20m河寬、或小于0.1m/s的船速，甚至于既小于20m河寬、船速又小于0.1m/s的不同條件進行測試。從試驗的成果來看，已經(jīng)突破了SonTek公司所建議的測量條件的限制，可以看到在不同情況下還是可以達到亞米級的精度。

1.4 試驗4

第四次試驗是在遼寧某廣場內(nèi)內(nèi)進行。時間是2021年5月26日。分2種不同配置、不同工況條件的岸上測試方法。第1種是采用DGPS配置進行試驗；第2種是采用RTK GPS配置進行試驗。其目的是：在不滿足SonTek提出的大于20m河寬、大于0.1m/s船速的情況下，M9是否可以達到亞m級和0.03m的精度。分別用尺測量11、12m和6、5m等情況試驗。其中：最后2次是采用RTK GPS配置的試驗數(shù)據(jù)，見表6。

表6 工況試驗結(jié)果

該廣場位于遼寧的中部，是在MSAS系統(tǒng)地球靜止衛(wèi)星的覆蓋范圍之外，試驗的數(shù)據(jù)也表明：在昆明是沒有差分信號的。在這種情況下，可以看到，在不同的距離和不同的船速時，采用VTG輸出格式處理的數(shù)據(jù)，仍然可以達到亞米級的精度。

1.5 試驗5

第5次試驗是在遼寧某廣場內(nèi)內(nèi)進行。時間是2021年5月28日。采用M9的儀器進行試驗。全部試驗是在用戶的嚴格監(jiān)督和直接參與下進行。同樣分2種不同配置、不同工況條件的岸上測試方法。第1種是采用DGPS配置進行試驗；第2種是采用RTK GPS配置進行試驗。其目的是與在昆明的試驗相同，以及想在用戶的監(jiān)督下進行試驗。

前3次是用DGPS配置進行試驗。用卷尺在地面上測量40m，儀器沿著卷尺行走。第1次直接走了40m，然后停下，在計算機是讀出VTG的測量距離。第2次，分別在10、20、30、40m處停下，在計算機上讀出VTG的距離，分別是9.99、19.98、29.95、39.90m。第3次，分別在5、10、20、30、40m處停下，再一次分別在計算機上讀出VTG的距離，這些數(shù)據(jù)是4.96、10.05、19.92、29.91、39.91m。

然后采用DGPS配置在固定不動，靜止的狀態(tài)下，用VTG讀出的距離，以測試其漂移的程度。在靜止1min后，讀出漂移了0.10m，在靜止5min后，漂移了0.70m，以后，基本在0.70m附近晃動。

最后，用戶要求用RTK GPS配置的M9進行測試。其結(jié)果如下的第4次和第5次。其中：第4次是移動20m，并在5、10、20m處停下讀數(shù)，它們分別是5.02、10.02、20.02m。第5次則采用固定，靜止的方式，也是靜止5min，而最后的漂移距離僅為0.02m，見表7。

表7 工況試驗結(jié)果

該廣場位于遼寧的西北部，同樣也處于MSAS系統(tǒng)地球靜止衛(wèi)星的覆蓋范圍之外[7]，接收不到差分信號。在這種情況下，以上的試驗數(shù)據(jù)表明：在配置了SonTek公司自制的DGPS部件，在用M9系統(tǒng)測量時，采用VTG輸出格式處理的數(shù)據(jù)，是可以達到亞米級的精度[8-10]。而如果采用了RTK GPS配置，則測量的精度會提高到0.03m。

2 結(jié)語

由于我國地域?qū)拸V，接收位于日本上空MSAS系統(tǒng)靜止衛(wèi)星的差分信號的情況也有所區(qū)別。SonTek RTK GPS自設(shè)基站，不依賴于MSAS系統(tǒng)的DGPS差分信號，所以，這種結(jié)構(gòu)的配置原則上適用于世界上任何地區(qū)。由于SonTek RTK GPS的測量精度非常高，通常，特別適用于窄小的河道中測流。

SonTek DGPS可以接收SBAS系統(tǒng)下任何一個系統(tǒng)的差分信號，在我國的部分地區(qū)可以接收MSAB系統(tǒng)的差分信號。為了適應(yīng)不同地區(qū)、不同條件的測流需要，SonTek DGPS有2種不同的參考方式輸出，一種是GGA格式，另一種是VTG格式。GGA格式可以提供船只的當前位置，再計算出船速，由于這種格式是利用差分信號不斷地進行修正，所以，測流的精度較高，滿足亞米級的測流精度。但是，使用GGA會受到多路反射的影響(例如周圍的更大建筑物、樹木、橋梁的反射)，造成GPS信號的漂移，最終影響到測量的精度。而VTG格式只是接收天空中移動的24顆衛(wèi)星中的部分衛(wèi)星，計算動態(tài)物體的多普勒位移，直接提供船只的移動速度，同樣不依賴于MSAS系統(tǒng)的DGPS差分信號，因此也可以適用于世界上任何地區(qū)的測流。但是比起RTK GPS來說，SonTek公司提出測量條件的2個建議：河寬應(yīng)大于20m，船速應(yīng)大于0.1m/s。在滿足上述條件的情況下，軟件上顯示的GGA、VTG圖標不論是藍色，還是黃色，無論是采用GGA，還是采用VTG作為測量的參考，都可以獲得很好的流量測量效果，和相似的測流精度。而在中國的試驗結(jié)果表明：即使在不滿足以上2個條件的情況下，在沒有DGPS差分信號的地域，如果有很好的衛(wèi)星接收質(zhì)量，包括較多的可視衛(wèi)星數(shù)和較低的HDOP(水平萬州精度)，仍然可以達到亞米級的測量精度。