RTK技術(shù)在水下地形測量中的應(yīng)用

1、RTK技術(shù)在水下地形測量中的應(yīng)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(shù)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(guān)鍵因素。關(guān)鍵詞：GPS RTK 航道測量 水下地形測量1 引言GPS技術(shù)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(yīng)用中形成了具有很大優(yōu)勢的實(shí)用化方案。尤其是GPS RTK技術(shù)能夠在野外實(shí)時(shí)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(yīng)用的里程碑。特別是利用RTK技術(shù)進(jìn)行水下地形測量，效率提高更明顯。2 RTK技術(shù)的基本原理RTK技術(shù)始于

2、20世紀(jì)90年代初,是基于載波相位觀測值基礎(chǔ)上的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)。如圖1所示，RTK技術(shù)的工作模式是在已知點(diǎn)上架設(shè)基準(zhǔn)站，接受機(jī)借助電臺將其觀測值及坐標(biāo)信息，發(fā)送給流動(dòng)站接收機(jī)，流動(dòng)站接收機(jī)通過電臺（數(shù)據(jù)鏈）接受來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，同時(shí)還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)形成載波相位差分觀測方程,采用卡爾曼濾波技術(shù),在運(yùn)動(dòng)中初始化求出整周模糊度。并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，求得其三維坐標(biāo)（X，Y，Z），精度可達(dá)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(shù)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(diǎn)的高程：

3、（1）式中，為水底點(diǎn)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(shí)嚴(yán)格考慮船姿的影響，無驗(yàn)潮模式下的水底點(diǎn)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(jī)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(jī)、數(shù)字化測深儀、數(shù)據(jù)通信鏈和便攜式計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件等組成。測量作業(yè)分三步來進(jìn)行,即測前的準(zhǔn)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(zhǔn)備a.求轉(zhuǎn)換參數(shù)將GPS基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)A上,設(shè)置好參考

4、坐標(biāo)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(guān)閉轉(zhuǎn)換參數(shù)和7參數(shù),輸入基準(zhǔn)站坐標(biāo)(該點(diǎn)的單點(diǎn)84坐標(biāo))后設(shè)置為基準(zhǔn)站。將GPS移動(dòng)站架設(shè)在已知點(diǎn)B上,設(shè)置好參考坐標(biāo)系、投影參數(shù)、差分電文數(shù)據(jù)格式、接收間隔,關(guān)閉轉(zhuǎn)換參數(shù)和7參數(shù)后,求得該點(diǎn)的固定解(84坐標(biāo))。通過A、B兩點(diǎn)的84坐標(biāo)及當(dāng)?shù)刈鴺?biāo),求得轉(zhuǎn)換參數(shù)。b.建立任務(wù)設(shè)置好坐標(biāo)系、投影、一級變換及圖定義。c.作計(jì)劃線如果已經(jīng)有了測量斷面就不需要重新布設(shè),但可以根據(jù)需要進(jìn)行加密。4.2 外業(yè)的數(shù)據(jù)采集架設(shè)基準(zhǔn)站在求轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)架設(shè)的基準(zhǔn)點(diǎn)上,且坐標(biāo)不變。將GPS接收機(jī)、數(shù)字化測深儀和便攜機(jī)等連接好后,打開電源。設(shè)置好記錄設(shè)置、

5、定位儀和測深儀接口、接收機(jī)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(jìn)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(yīng)配套的數(shù)據(jù)處理軟件對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理,形成所需要的測量成果水深圖及其統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告等,所有測量成果可以通過打印機(jī)或繪圖機(jī)輸出。5 影響水深測量精度的幾種因素及相應(yīng)對策在實(shí)際使用無驗(yàn)潮方式進(jìn)行水深測量時(shí),測量結(jié)果精度會(huì)由于船體的搖擺、采樣速率、同步時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于RTK定位誤差,從而成為無驗(yàn)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(dá)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(shí)刻和水深數(shù)據(jù)的測量時(shí)刻的時(shí)間差造成定位延遲。對于這項(xiàng)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(jié)果計(jì)算得到,也可以采用以往的經(jīng)驗(yàn)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(guān)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(jìn)行比較,判斷

7、其可靠性,實(shí)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(dòng)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(gè)別跳點(diǎn),然后使用圓滑修正的方法來改善個(gè)別錯(cuò)誤的點(diǎn)。6 作業(yè)時(shí)應(yīng)該注意的若干問題6.1 有關(guān)基準(zhǔn)站的問題a.因?yàn)镽TK技術(shù)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),RTK定位時(shí)要求基準(zhǔn)站接收機(jī)實(shí)時(shí)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(dòng)站接收機(jī)。所以:電臺天線要盡量高。如果距離較遠(yuǎn),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(shè)站時(shí)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(shè)置基準(zhǔn)站時(shí)要使Transform To WGS84 (轉(zhuǎn)換到WGS84 坐標(biāo)系) 處于off (關(guān)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(zhuǎn)換參數(shù)前,要使參數(shù)轉(zhuǎn)換和7參數(shù)關(guān)閉。f.在RTK作業(yè)模式下,基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù),還要采集GPS 觀測數(shù)據(jù),并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,同時(shí)給出厘米級定位結(jié)果,歷時(shí)不到一秒鐘?；鶞?zhǔn)站和移動(dòng)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(dòng)站可隨時(shí)給出厘米級定位結(jié)果。所以有時(shí)偶爾RTK沒有固定解也是很正常的。6.2 有關(guān)流動(dòng)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(zhǔn)站設(shè)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(dǎo)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(guān)求轉(zhuǎn)換參數(shù)的問題已知兩點(diǎn)在測程及測區(qū)內(nèi)要盡量遠(yuǎn)。同時(shí),這兩點(diǎn)不能在同一條經(jīng)線或同一條緯線上。7 結(jié)束語利用RTK技術(shù)進(jìn)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(xiàng)工程變得簡單、方便、快捷、輕松、高效、經(jīng)濟(jì),可以全天候?qū)嵤y量工作,同時(shí)也提高了測量精度。但在障礙物遮擋嚴(yán)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(jié)合交會(huì)法或極坐標(biāo)法才能取得更理想的效果。隨著RTK技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用前景將更加廣闊。參考文獻(xiàn)：1徐紹銓. GPS測量原理及應(yīng)用