RTK技術在水下地形測量中的應用

1、RTK技術在水下地形測量中的應用廣東正方圓咨詢公司 張子林摘要：簡要介紹了利用GPS RTK技術測定水下地形的基本原理和工作流程以及影響測量精度的關鍵因素。關鍵詞：GPS RTK 航道測量 水下地形測量1 引言GPS技術的出現(xiàn)，帶來了測量方法的革新,在大地控制測量、精密工程測量及變形監(jiān)測等應用中形成了具有很大優(yōu)勢的實用化方案。尤其是GPS RTK技術能夠在野外實時得到厘米級定位精度，為工程放樣、地形測圖、地籍及房地產(chǎn)測量、水下地形測量等帶來了新的作業(yè)方法，極大地提高了野外作業(yè)效率，是GPS應用的里程碑。特別是利用RTK技術進行水下地形測量，效率提高更明顯。2 RTK技術的基本原理RTK技術始于

2、20世紀90年代初,是基于載波相位觀測值基礎上的實時動態(tài)定位技術。如圖1所示，RTK技術的工作模式是在已知點上架設基準站，接受機借助電臺將其觀測值及坐標信息，發(fā)送給流動站接收機，流動站接收機通過電臺（數(shù)據(jù)鏈）接受來自基準站的數(shù)據(jù)，同時還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內形成載波相位差分觀測方程,采用卡爾曼濾波技術,在運動中初始化求出整周模糊度。并進行實時處理，求得其三維坐標（X，Y，Z），精度可達厘米級。3 水下地形測量原理水下地形測量包括兩部分:定位和水深測量。就目前的水下地形測量的主流技術而言,定位采用的是GPS 差分定位模式，而水深測量采用的是回聲測深儀的方法。這樣就可以確定水底點的高程：

3、（1）式中，為水底點高程，為水面高程，為測量水深，為換能器的靜吃水。在觀測條件比較好的情況下，考慮RTK具備比較高的高程確定精度，同時嚴格考慮船姿的影響，無驗潮模式下的水底點高程可通過下式確定： （2）式中，為GPS相位中心的高程（通過RTK直接確定），為GPS接收機天線相位中心距換能器面的垂距，為姿態(tài)引起的深度改正。4 水深測量的基本作業(yè)步驟水深測量的作業(yè)系統(tǒng)主要由GPS接收機、數(shù)字化測深儀、數(shù)據(jù)通信鏈和便攜式計算機及相關軟件等組成。測量作業(yè)分三步來進行,即測前的準備、外業(yè)的數(shù)據(jù)采集測量作業(yè)和數(shù)據(jù)的后處理形成成果輸出。4.1 測前的準備a.求轉換參數(shù)將GPS基準站架設在已知點A上,設置好參考

4、坐標系、投影參數(shù)、差分電文數(shù)據(jù)格式、發(fā)射間隔及最大衛(wèi)星使用數(shù),關閉轉換參數(shù)和7參數(shù),輸入基準站坐標(該點的單點84坐標)后設置為基準站。將GPS移動站架設在已知點B上,設置好參考坐標系、投影參數(shù)、差分電文數(shù)據(jù)格式、接收間隔,關閉轉換參數(shù)和7參數(shù)后,求得該點的固定解(84坐標)。通過A、B兩點的84坐標及當?shù)刈鴺?求得轉換參數(shù)。b.建立任務設置好坐標系、投影、一級變換及圖定義。c.作計劃線如果已經(jīng)有了測量斷面就不需要重新布設,但可以根據(jù)需要進行加密。4.2 外業(yè)的數(shù)據(jù)采集架設基準站在求轉換參數(shù)時架設的基準點上,且坐標不變。將GPS接收機、數(shù)字化測深儀和便攜機等連接好后,打開電源。設置好記錄設置、

5、定位儀和測深儀接口、接收機數(shù)據(jù)格式、測深儀配置、天線偏差改正及延遲校正后,就可以進行測量工作了。4.3 數(shù)據(jù)的后處理數(shù)據(jù)后處理是指利用相應配套的數(shù)據(jù)處理軟件對測量數(shù)據(jù)進行后期處理,形成所需要的測量成果水深圖及其統(tǒng)計分析報告等,所有測量成果可以通過打印機或繪圖機輸出。5 影響水深測量精度的幾種因素及相應對策在實際使用無驗潮方式進行水深測量時,測量結果精度會由于船體的搖擺、采樣速率、同步時差及RTK高程的可靠性等因素造成的誤差的影響,這些誤差遠遠大于RTK定位誤差,從而成為無驗潮方式水深測量精度提高的瓶頸因素。5.1 船體搖擺姿態(tài)的修正船的姿態(tài)可用電磁式姿態(tài)儀進行修正,修正包括位置的修正和高程的修

6、正。姿態(tài)儀可輸出船的航向、橫擺、縱擺等參數(shù),通過專用的測量軟件接入進行修正。5.2 采樣速率和延遲造成的誤差GPS定位輸出的更新率將直接影響到瞬時采集的精度和密度,現(xiàn)在大多數(shù)RTK方式下GPS輸出率都可以高達20HZ ,而測深儀的輸出速度各種品牌差別很大,數(shù)據(jù)輸出的延遲也各不相同。因此,定位數(shù)據(jù)的定位時刻和水深數(shù)據(jù)的測量時刻的時間差造成定位延遲。對于這項誤差可以在延遲校正中加以修正,修正量可在斜坡上往返測量結果計算得到,也可以采用以往的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。5.3 RTK高程可靠性的問題RTK高程用于測量水深,其可信度問題是倍受關注的問題。在作業(yè)之前可以把使用RTK測量的水位與人工觀測的水位進行比較,判斷

7、其可靠性,實踐證明RTK高程是可靠的。為了確保作業(yè)無誤,可從采集的數(shù)據(jù)中提取高程信息繪制水位曲線(由專用軟件自動完成) 。根據(jù)曲線的圓滑程度來分析RTK高程有沒有產(chǎn)生個別跳點,然后使用圓滑修正的方法來改善個別錯誤的點。6 作業(yè)時應該注意的若干問題6.1 有關基準站的問題a.因為RTK技術的關鍵在于數(shù)據(jù)處理技術和數(shù)據(jù)傳輸技術,RTK定位時要求基準站接收機實時地把觀測數(shù)據(jù)(偽距觀測值,相位觀測值) 及已知數(shù)據(jù)傳輸給流動站接收機。所以:電臺天線要盡量高。如果距離較遠,則要使用高增益天線,否則將影響到作業(yè)距離；電源電量要充足,否則也將影響到作業(yè)距離。b.設站時要限制最大衛(wèi)星使用數(shù),一般為8顆。如果太多

8、,則影響作業(yè)距離,太少,則影響RTK初始化。c.如果不是使用7參數(shù),則在設置基準站時要使Transform To WGS84 (轉換到WGS84 坐標系) 處于off (關閉) 狀態(tài)。d.如果使用7參數(shù),則X、Y、Z 都小于±100 較好,否則重求。e.在求轉換參數(shù)前,要使參數(shù)轉換和7參數(shù)關閉。f.在RTK作業(yè)模式下,基準站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準站的數(shù)據(jù),還要采集GPS 觀測數(shù)據(jù),并在系統(tǒng)內組成差分觀測值進行實時處理,同時給出厘米級定位結果,歷時不到一秒鐘。基準站和移動站必須保持四顆以上相同衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何

9、圖形,則流動站可隨時給出厘米級定位結果。所以有時偶爾RTK沒有固定解也是很正常的。6.2 有關流動站的問題a.解的模式要使用RTK Extrap (外推) 模式。b.數(shù)據(jù)鏈接收間隔要與基準站設置的發(fā)射間隔一致,都要為1。c.如果使用海洋測量軟件導航、定位,則:記錄限制要為RTK固定解；高程改正要在天線高里去改正。d.差分天線要盡可能的高。6.3 有關求轉換參數(shù)的問題已知兩點在測程及測區(qū)內要盡量遠。同時,這兩點不能在同一條經(jīng)線或同一條緯線上。7 結束語利用RTK技術進行水下地形測量，在大面積開闊地區(qū)具有巨大的優(yōu)勢，使得水下地形測量這項工程變得簡單、方便、快捷、輕松、高效、經(jīng)濟,可以全天候實施測量工作,同時也提高了測量精度。但在障礙物遮擋嚴重的地區(qū)如部分陡峭峽谷，河道等區(qū)域不能完全取代傳統(tǒng)測量方法，必須結合交會法或極坐標法才能取得更理想的效果。隨著RTK技術的不斷發(fā)展，其應用前景將更加廣闊。參考文獻：1徐紹銓. GPS測量原理及應用