夏曉亮 ，龔令平 ，魏榮灝 ，郁 蕾 ，徐 達(dá) ，陳佳兵

（1·寧波市杭州灣大橋發(fā)展有限公司，浙江 寧波 315336；2·浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310017；3·浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310017）

1 問題的提出

杭州灣跨海大橋北起嘉興市海鹽樞紐，南至寧波市庵東樞紐立交，線路全長(zhǎng)36.0 km，橋梁總長(zhǎng)35.7 km，橋面為雙向6車道高速公路，設(shè)計(jì)速度100 km/h[1]。大橋所處的杭州灣氣象復(fù)雜多變，臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)、雷暴及突發(fā)性小范圍災(zāi)害性天氣時(shí)有發(fā)生。同時(shí)杭州灣河口潮汐強(qiáng)、潮差大，懸沙與床沙的粒徑基本一致，導(dǎo)致河床泥沙沖淤?gòu)?fù)雜多變、海底槽溝發(fā)展變化較快、橋墩涉水結(jié)構(gòu)受到?jīng)_刷成為大橋安全運(yùn)行的潛在隱患。

橋梁涉水結(jié)構(gòu)的沖刷基本由3部分組成：自然沖刷、一般沖刷和局部沖刷。為了研究河勢(shì)變化和不同沖刷對(duì)大橋的影響，一般采用在橋梁上、下游布設(shè)不同間距的河勢(shì)斷面進(jìn)行觀測(cè)。當(dāng)前河勢(shì)斷面觀測(cè)一般采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分（RTK）技術(shù)結(jié)合單波束測(cè)深技術(shù)進(jìn)行RTK三維水深測(cè)量，該作業(yè)方式不受驗(yàn)潮站布設(shè)影響，適用于強(qiáng)潮河口區(qū)作業(yè)，但常規(guī)RTK基站的無(wú)線電信號(hào)僅能覆蓋10~15 km作業(yè)半徑，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大橋長(zhǎng)度。浙江省連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)（ZJCORS）的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在該區(qū)域應(yīng)用時(shí)，時(shí)常發(fā)生差分信號(hào)失鎖導(dǎo)致無(wú)法獲取高精度三維定位結(jié)果的問題；而無(wú)需數(shù)據(jù)鏈接的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）載波相位后處理（PPK）技術(shù)可較好地解決該問題，并已在水庫(kù)、河口及開闊海域得到應(yīng)用[2-6]。

本文主要討論P(yáng)PK技術(shù)在杭州灣跨海大橋河勢(shì)斷面觀測(cè)中的應(yīng)用，介紹載波相位差分的工作原理、PPK作業(yè)流程并分析PPK作業(yè)精度。驗(yàn)證結(jié)果表明，PPK獲取的垂向數(shù)據(jù)與潮位數(shù)據(jù)具有較好的一致性，能滿足RTK三維水深測(cè)量工作要求，并可大幅減少由于差分信號(hào)鏈接丟失而導(dǎo)致的復(fù)測(cè)現(xiàn)象，有效提升工作效率。

2 工作原理

載波相位差分技術(shù)原理是利用GNSS觀測(cè)誤差在時(shí)間和空間的強(qiáng)相關(guān)特性，通過對(duì)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的原始載波相位觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙差計(jì)算，消除接收機(jī)和衛(wèi)星時(shí)鐘的偏差、衛(wèi)星誤差以及大部分電離層、對(duì)流層延遲的影響，達(dá)到厘米級(jí)定位精度[7]。

GNSS接收機(jī)在鎖定某顆衛(wèi)星后，在L1和L2/L5（如果具備雙頻或多頻接收能力）上采用C/A碼和P（Y）碼進(jìn)行偽距測(cè)量的同時(shí)，根據(jù)L1和L2/L5載波上出現(xiàn)的多普勒頻移保持對(duì)運(yùn)行周數(shù)的統(tǒng)計(jì)。對(duì)于每個(gè)歷元，運(yùn)行周數(shù)可以從接收機(jī)獲取，即1個(gè)歷元期間，載波相位前進(jìn)（或后退）是通過對(duì)該歷元期間多普勒頻移（fD）的積分來(lái)測(cè)定，接收機(jī)在每個(gè)歷元結(jié)束時(shí)進(jìn)行小數(shù)相位測(cè)量。

雖然接收機(jī)可以精密地測(cè)量載波相位，但在總相位測(cè)量值中仍含有未知的載波周數(shù)，即載波相位整周模糊度N，求解出N后即可測(cè)定接收機(jī)與衛(wèi)星的距離。

從至少2個(gè)相隔某一固定距離（稱為基線）的GNSS接收機(jī)中獲得相似的測(cè)量值組合并形成線性組合（差分），就有可能消除2個(gè)接收機(jī)共有的誤差，這樣的1個(gè)組合稱為單差；對(duì)來(lái)自同一顆衛(wèi)星的2個(gè)單差測(cè)量值求差可得到雙差。利用雙差技術(shù)處理載波相位觀測(cè)值，可消除大部分誤差源[8]。

3 作業(yè)流程

基于PPK的無(wú)驗(yàn)潮技術(shù)工作流程見圖1。

圖1 基于PPK技術(shù)的無(wú)驗(yàn)潮技術(shù)工作流程圖

3.1 施測(cè)準(zhǔn)備

使用GNSS設(shè)備和單波束測(cè)深儀進(jìn)行河勢(shì)斷面測(cè)量。由于GNSS設(shè)備直接觀測(cè)得到的結(jié)果為大地高，采用七參數(shù)轉(zhuǎn)換的方法將大地高轉(zhuǎn)換至目標(biāo)高程系統(tǒng)前，需要驗(yàn)證測(cè)量設(shè)備和轉(zhuǎn)換參數(shù)的精度，因此施測(cè)前在已知控制點(diǎn)對(duì)GNSS基站和流動(dòng)站進(jìn)行比測(cè)。另外，對(duì)單頻測(cè)深儀進(jìn)行穩(wěn)定性和一致性測(cè)試，保證設(shè)備滿足水下地形測(cè)量需要。

3.2 數(shù)據(jù)獲取

每天測(cè)量前在GNSS控制點(diǎn)上架設(shè)基準(zhǔn)站記錄數(shù)據(jù)。測(cè)船開始作業(yè)前，先用聲速計(jì)在測(cè)區(qū)測(cè)量聲速并輸入測(cè)深儀進(jìn)行聲速改正，然后將測(cè)深儀輸出接口、GNSS流動(dòng)站接收機(jī)定位輸出接口同時(shí)與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)定位、測(cè)深同步，GNSS流動(dòng)站接收機(jī)同時(shí)記錄原始觀測(cè)數(shù)據(jù)。采用海洋測(cè)量軟件導(dǎo)航，并記錄實(shí)時(shí)測(cè)量點(diǎn)的平面位置、瞬時(shí)水深和瞬時(shí)潮位高程，實(shí)現(xiàn)三維水下地形測(cè)量。測(cè)量結(jié)束后下載GNSS基準(zhǔn)站與流動(dòng)站的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要包括3部分，分別是定位數(shù)據(jù)的預(yù)處理、測(cè)深數(shù)據(jù)的預(yù)處理、定位數(shù)據(jù)和測(cè)深數(shù)據(jù)的融合。

第一部分是采用PPK技術(shù)處理GNSS三維定位數(shù)據(jù)，本研究主要使用Trimble Business Center（TBC）軟件。分別從Trimble的GNSS基準(zhǔn)站和流動(dòng)站上以T02的格式下載原始觀測(cè)數(shù)據(jù)并導(dǎo)入TBC軟件中，選擇正確的天線型號(hào)并輸入天線高后，選擇截止觀測(cè)角為15°，對(duì)所有的觀測(cè)衛(wèi)星使用后動(dòng)態(tài)差分模式進(jìn)行后處理，將解算結(jié)果以1 Hz頻率輸出。

第二部分中，河勢(shì)斷面一般采用8 m或16 m間隔記錄，人工檢查測(cè)量過程中是否漏記局部最深點(diǎn)和最淺點(diǎn)，并根據(jù)記錄的聲圖文件對(duì)錯(cuò)誤的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

第三部分的流程見圖2。PPK計(jì)算得到的結(jié)果是頻率為1 Hz的觀測(cè)序列，而水深數(shù)據(jù)根據(jù)測(cè)量間隔記錄，因此需要通過時(shí)間戳將兩者融合。首先采用自主編程將測(cè)深數(shù)據(jù)與定位數(shù)據(jù)自動(dòng)匹配，然后通過七參數(shù)轉(zhuǎn)換的方式將CGCS2000經(jīng)緯度、大地高的成果轉(zhuǎn)換到目標(biāo)坐標(biāo)系統(tǒng)，最后輸出河勢(shì)斷面觀測(cè)成果。

圖2 定位數(shù)據(jù)和測(cè)深數(shù)據(jù)的處理流程圖

4 精度分析

野外測(cè)量共獲取9 966個(gè)定位數(shù)據(jù)，RTK定位數(shù)據(jù)（含單點(diǎn)解與浮動(dòng)解）、PPK定位數(shù)據(jù)的定位較差見表1，部分RTK定位垂向分量、PPK定位垂向分量與潮位數(shù)據(jù)比較見圖3。

由表1可見，RTK與PPK定位結(jié)果的中位數(shù)基本處于厘米級(jí)，可以反映兩者的定位結(jié)果基本一致；兩者在北向、東向和垂向較差的最大、最小值都超過1 m，主要原因是實(shí)時(shí)記錄的三維位置數(shù)據(jù)在丟失差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈接時(shí)，定位精度衰減較為嚴(yán)重，導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)精度明顯偏低。由圖3可見，RTK定位的垂向數(shù)據(jù)與驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)存在較大偏差，而PPK解算的垂向數(shù)據(jù)與驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)的一致性較好，能滿足RTK三維水深測(cè)量需要。

表1 RTK與PPK定位結(jié)果較差表 單位：m

圖3 RTK、PPK與驗(yàn)潮站潮位對(duì)比圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文主要研究PPK技術(shù)在杭州灣跨海大橋河勢(shì)斷面觀測(cè)中的應(yīng)用。文中介紹了載波相位差分的工作原理、PPK水深測(cè)量的作業(yè)過程，并通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)精度進(jìn)行分析。結(jié)果表明，PPK技術(shù)在寬闊河口區(qū)域能較好解決RTK差分信號(hào)數(shù)據(jù)鏈接丟失問題，可應(yīng)用于杭州灣跨海大橋斷面監(jiān)測(cè)工作中。