GPS PPK技術在船舶通航試驗中的應用

鄒進貴，陳 健，余 銳，宣 偉

(1．武漢大學測繪學院，湖北武漢430079;2．精密工程與工業測量國家測繪地理信息局重點實驗室，湖北武漢430079)

一、引 言

GPS技術已在世界范圍內得到廣泛的應用，應用范圍涉及航天航空、板塊運動、減災防震、大地測量、工程測量、地質勘探、交通旅游等領域。RTK技術以其實時、高效、高精度等特點在GPS動態定位方面優勢明顯，其技術發展亦日趨成熟，在工程測量等方面的應用相當普遍[1]。然而，由于受衛星和通訊電臺的制約，有時難以發揮RTK技術的優勢。隨著流動站和基準站之間距離的增加，各種誤差的空間相關性將迅速下降，導致觀測時間的增加，甚至無法固定整周模糊度而只能獲得浮點解，因此在RTK測量中流動站和基準站之間的距離一般只能在15 km 以內[2]，而 PPK(post processing kinematic)技術恰好彌補了RTK技術這方面的不足。PPK技術是一種利用載波相位觀測值進行事后處理的動態相對定位技術。由于是進行事后處理，因此用戶無需匹配數據通訊鏈，也無需考慮流動站能否接收基準站播發的無線電信號等問題，觀測更為方便、自由，適合于無需實時獲得定位結果的應用領域。

在航道通航試驗中，需要獲得船舶航行的航跡、航速以及船形圖來進行相關的數據分析，為航道通航規則的制定提供數據支持。船舶航行的范圍一般會分布在幾十千米的范圍內，并且無需獲得實時坐標，因此在此類實際測量工作中PPK技術相對于RTK技術優勢明顯。

二、GPSPPK技術測量原理

PPK技術的工作原理是利用一臺進行同步觀測的基準站接收機和至少一臺流動站接收機，對GPS衛星進行同步觀測，也就是基準站保持連續觀測，初始化后的流動站遷站至下一個待定點，在遷站過程中需要保持對衛星的連續跟蹤，以便將整周模糊度傳遞至待定點。基準站和流動站同步接收的數據在計算機中進行線性組合，形成虛擬的載波相位觀測量，確定接收機之間的相對位置。最后引入基準站的已知坐標，從而獲得流動站的三維坐標[3]。

PPK技術與RTK技術的主要區別在于：在基準站和流動站之間，不必像RTK那樣建立實時數據傳輸，而是在定位觀測后，對兩臺GPS接收機所采集的定位數據進行事后的聯合處理，從而計算出流動站在對應時間上的坐標位置，其基準站和流動站之間的距離沒有嚴格的限制。它的優點是定位精度高、作業效率高、作業半徑大、投資省和易掌握，不足之處是流動站在遷站過程中必須保持對衛星的連續跟蹤[4]。

三、GPSPPK技術在船舶通航試驗中應用的關鍵

目前一些主流的接收機均具有PPK的測量模式，操作簡單方便，如Trimble系列和Leica系列等，并有相應軟件進行數據處理。在某些型號儀器中并沒有具體對應的PPK測量模式，為了更好地提高生產效益和設備的使用效率，可以在采集數據時通過對測量參數的適當設置，對測后的數據文件進行適當的編輯和處理，也可完成PPK測量任務。本文以Leica System 1200 GPS接收機和LGO數據處理軟件為例來介紹相應的PPK作業數據采集和數據后處理的流程與技巧。

(1)外業數據采集

由于System 1200 GPS接收機中沒有PPK測量模式，因此在采集數據的時候，需要進行適當的參數設置。基準站和流動站接收機統一采用成靜態測量模式，采樣率均設置為1 s，天線高及其他的設置均按照靜態測量的模式設置，基準站接收機按照嚴格的靜態測量模式來進行測量，流動站均使用對中桿。在實際測量工作中，基準站架設在已知點上連續保持觀測狀態，根據作業需要和實際情況將流動站對中桿綁在測量船只的船首和船尾的中軸線上，同時記錄下測量船只長寬等相關信息。船首和船尾的流動站接收機應盡可能同時開機和關機，以保證有足夠的同步數據。外業數據采集完成以后，采用讀取CF卡的方法導出接收機中的觀測數據。

(2)數據文件的編輯和準備

在外業數據采集完成以后，需要進行關鍵的數據后處理工作。在進行數據處理之前，必須要對觀測數據文件進行適當的編輯和處理。在LGO中將Leica接收機的原始數據格式統一轉換成RINEX格式。由于流動站和基準站的文件類型均是靜態觀測值文件，因此需要將流動站的觀測值文件加上動態信息標識。所有的流動站觀測值文件均需要在頭文件結束標識后加一行，并在這一行的特定位置手工加入動態信息標識“2”，如圖1所示[5]。

圖1 編輯流動站的RINEX文件

若是不同類型的接收機聯合作業，則需要將記錄的數據統一轉換成RINEX格式，然后按照上述操作進行相應的數據文件編輯即可。在所有的數據準備工作完成以后，才可以利用LGO進行數據后處理工作。

(3)數據處理

在完成項目的坐標系統等參數設置后，導入準備好的數據文件。在GPS處理視圖中可以看到如圖2所示的觀測時段信息，第1行為基準站時段信息，第2行為流動站信息。若發現異常情況，則需要檢查觀測值文件編輯是否正確。當待處理的數據確認無誤以后才可進行后續的數據處理操作。

圖2 流動站和基準站的觀測時段信息

在輸入基準站的控制點坐標，設置合適的處理參數以后，可以利用LGO的數據自動處理功能進行數據的自動處理，處理后的結果信息如圖3所示：

圖3 處理的數據結果信息

在此解算模式下能夠得到每一個觀測歷元的解算坐標。從圖3可以看出，當靜態模糊度固定時，解算結果的平面精度和高程精度均可達到厘米級的水平，完全能夠滿足船舶通航試驗的精度要求。存儲靜態模糊度固定的流動點解算結果，保留歷元的時刻信息、坐標信息和精度信息。根據流動點的歷元時刻信息和坐標信息便可進行后續的航速、航跡、船形圖的繪制。

(4)通航試驗成果的整理

根據船舶通航試驗的成果整理要求，在Visual Studio 2010中采用C#語言編寫了相應的數據后處理程序。此程序具有自動提取兩臺流動站同步時刻坐標信息等數據預處理功能，并且可以根據已知的時刻和坐標信息自動繪制DXF格式的航速、航跡以及船形圖。數據預處理程序界面如圖4所示。

圖4 數據預處理界面

航速、航跡圖的繪制程序界面如圖5所示。

圖5 航速航跡圖自動繪制程序界面

四、GPSPPK技術在某船舶通航試驗中的實際應用

在某實際船舶通航試驗中，采用Leica System 1200 GPS接收機采集數據，利用LGO數據處理軟件和編寫的圖形繪制程序完成了所需試驗成果的整理。

試驗中，數據采集和數據處理流程如下：

1)在控制點上架設好基準站之后，在需要測量的每條船的船頭、船尾的中軸線上分別架設一臺GPS接收機，接收機位置盡可能靠近船頭或者船尾的端沿。

2)船頭和船尾的接收機盡可能保證在同一時刻開機和關機。測量完成后，停止數據記錄，從CF卡中導出采集的數據。

3)利用Leica LGO軟件對基準站和流動站的PPK觀測數據進行綜合處理，獲得不同歷元時刻流動站GPS接收機天線處的三維坐標解。

4)利用編寫的數據處理程序進一步進行相應的數據成果整理。

以一條航線為例展示數據成果的形式，如圖6所示。

圖6 數據成果

五、結束語

試驗結果表明，GPS PPK技術用于船舶通航試驗能夠充分發揮其作業距離遠、定位精度較高、操作簡易方便等技術優勢，完全能夠滿足這一類測量作業任務的要求，可以廣泛推廣應用。

[1]倪衛明，王志偉，王永平．GPSRTK技術和PPK技術聯合作業探討[J]．物探裝備，2006，16(4)：303-304．

[2]李征航，黃勁松．GPS測量與數據處理(M)．武漢：武漢大學出版社，2010：9-14．

[3]郭建華．GPSPPK技術在地形地籍測量中的應用[J]．城市勘測，2011，6(3)：88-90．

[4]暢毅，房建雪，周敏，等．PPK技術作業模式與精度分析[J]．全球定位系統，2009(1)：33-37．

[5]黃勁松，李英冰．GPS測量與數據處理實驗教程[M]．武漢：武漢大學出版社，2009：161．