差分GPS的測(cè)量精度及其在水下測(cè)量中的應(yīng)用

□古小健（廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院）

0 前言

全球定位系統(tǒng)（GPS）自問世以來，就在各種測(cè)量工作中得到了廣泛的應(yīng)用和研究。將GPS定時(shí)定位技術(shù)中的RTK技術(shù)和RTD技術(shù)應(yīng)用到水下測(cè)量工作中，可以從根本上改變水下地形的測(cè)量方法，從以往的傳統(tǒng)模式進(jìn)化到現(xiàn)在的全自動(dòng)模式，使水下測(cè)量工作中獲得的數(shù)據(jù)能夠更精確、更快速、更加智能化。新的水下測(cè)量模式與以往相比，在水下進(jìn)行測(cè)量工作時(shí)不再受惡劣天氣和通視條件的限制，可以大幅度的提高水下測(cè)量的工作效率和測(cè)量精度。

1 差分GPS測(cè)量技術(shù)的原理

差分GPS就是首先利用已經(jīng)知道的精確三維坐標(biāo)的差分GPS基準(zhǔn)臺(tái)，求得偽距的修正量或者位置修正量，再將整個(gè)修正量實(shí)時(shí)或者事后發(fā)送給用戶（GPS導(dǎo)航儀），對(duì)用戶的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，提高GPS定位的精度，是在正常的GPS外附加修正信號(hào)，通過改正信號(hào)改善GPS的精度。差分GPS測(cè)量則是使用兩臺(tái)以上的接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行同步觀測(cè)，這種觀測(cè)方式可以消除或者減弱定位過程中的某些誤差影響，例如衛(wèi)星鐘誤差、接收機(jī)鐘誤差等等。差分GPS定位可以分為3類，即位置差分、偽距差分、相位差分3種。

位置差分是一種最簡(jiǎn)單的差分方法，任何一種GPS接收機(jī)均可以改裝和組成這種差分系統(tǒng)。安裝在基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)觀測(cè)4顆衛(wèi)星后便可以進(jìn)行三維定位，解算出基準(zhǔn)站的坐標(biāo)，由于存在著軌道差、時(shí)鐘誤差、SA影響、大氣影響、多徑效應(yīng)以及其他誤差，結(jié)算出的坐標(biāo)與基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)是不一樣的，存在誤差。基準(zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈將此改正系數(shù)發(fā)送出去，由用戶站接受，并且對(duì)其解算的用戶坐標(biāo)進(jìn)行改正。最后得到的改正后的用戶坐標(biāo)已經(jīng)消去了基準(zhǔn)站和用戶站的共同誤差，例如衛(wèi)星軌道誤差、大氣影響等，提高了定位精度。位置差分法適用于用戶和基準(zhǔn)站間隔距離在100 km以內(nèi)的情況。

偽距差分是目前用途最廣的一種技術(shù)，幾乎所用的商用差分GPS接收機(jī)均采用這種技術(shù)。偽距差分是在基準(zhǔn)站的接收機(jī)要求得它至可見衛(wèi)星的距離，并為此計(jì)算出的距離與含有誤差的測(cè)量結(jié)果加以比較，利用一個(gè)濾波器將此差值濾波并求出其偏差。然后將所有衛(wèi)星的測(cè)距誤差傳送給用戶，用戶利用此測(cè)距誤差來改正測(cè)量的偽距。最后，用戶利用改正后的偽距解出本身的位置，就可消去公共誤差，提高定位精度。

載波相位差分是由測(cè)地型接收機(jī)利用GPS衛(wèi)星載波相位進(jìn)行的靜態(tài)基線測(cè)量獲得了很高的精度，但為了可靠的解出相位模糊度，要求精致觀測(cè)一兩個(gè)小時(shí)或者更長(zhǎng)時(shí)間，這樣就限制了在工程作業(yè)中的應(yīng)用。探求快速測(cè)量的方法由此運(yùn)用而生，例如采用模糊度快速逼近技術(shù)使基線觀測(cè)時(shí)間縮短到5分鐘，采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)，往返重復(fù)設(shè)站和動(dòng)態(tài)來提高GPS作業(yè)效率。這些技術(shù)的運(yùn)用對(duì)于推動(dòng)精度GPS測(cè)量起到了積極的促進(jìn)作用，但是上述作業(yè)方式都是事后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，不能實(shí)時(shí)提交成果和實(shí)時(shí)評(píng)定成果質(zhì)量，很難避免出現(xiàn)事后檢查不合格造成的返工現(xiàn)象。

2 差分GPS測(cè)量精度在水下測(cè)量中的應(yīng)用

差分GPS系統(tǒng)的發(fā)展給水下測(cè)量的平面定位帶來了極大的便利，根據(jù)水下測(cè)量工作所需要的精度不同，可以選擇不同的差分定位方式，目前常用的RTK模式、CORS差分模式、星站差分模式和信標(biāo)差分模式等等。

2.1 RTK模式

RTK作業(yè)使用的儀器為高精度的RTK型GPS接收機(jī)，一般是通過在已知點(diǎn)上自建基站，通過無線電臺(tái)傳送差分信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的測(cè)量，其測(cè)量精度相對(duì)于起算點(diǎn)可以達(dá)到厘米級(jí)別（需要鎖定固定解，并靜止幾秒鐘），因此應(yīng)用十分廣泛。通常在進(jìn)行水下測(cè)量工作中，至少要求2人看水位做驗(yàn)潮工作，而且側(cè)水工作還常常受波浪、船型姿態(tài)等影響，采用RTK技術(shù)進(jìn)行水下測(cè)量，可以利用其三維定位速度快、精度高的特點(diǎn)，施行無驗(yàn)潮側(cè)水下測(cè)量工作，受波浪的影響較小，既節(jié)省了人力，又提高了測(cè)量的精度。RTK技術(shù)進(jìn)行水下測(cè)量作業(yè)有著極高的精度，觀測(cè)速度較快，可以全天候、高效率、實(shí)時(shí)性的進(jìn)行大規(guī)模的水下地形測(cè)量，而且RTK測(cè)量整個(gè)作業(yè)過程由電腦控制，自動(dòng)記錄、自動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動(dòng)評(píng)查計(jì)算，操作簡(jiǎn)單自動(dòng)化程度高，可以大大的縮短水下測(cè)量的工作時(shí)間，提高水下測(cè)量工作的成果質(zhì)量。

2.2 CORS差分模式

CORS系統(tǒng)是由多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立的連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)，它可以為水下測(cè)量工作提供網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)差分服務(wù)。即只要在基站的覆蓋范圍內(nèi)，CORS可以通過使用大面積的局域網(wǎng)或者無線通信網(wǎng)絡(luò)來完成定時(shí)定位的探測(cè)工作，并且及時(shí)將數(shù)據(jù)采集、分析、處理、傳輸?shù)交窘K端上。CORS系統(tǒng)一般為收費(fèi)服務(wù)，例如上海的VRS系統(tǒng)。在水下測(cè)量中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)覆蓋質(zhì)量較好，覆蓋范圍較大，一般的RTK型GPS接收機(jī)都可以使用，但成本較高，比較適合小面積內(nèi)短時(shí)間的水下測(cè)量作業(yè)，或者離水岸不遠(yuǎn)、不方便自設(shè)基站的情況下使用。

2.3 星站差分模式

星站差分GPS系統(tǒng)可以為全球用戶提供高精度實(shí)時(shí)差分定位服務(wù)，也稱為RTG，屬于廣域差分GPS的范疇。星站差分由提供差分服務(wù)的衛(wèi)星直接向GPS接收機(jī)發(fā)送差分信號(hào)，不需要用戶再建立基站，能夠在衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的任何地方得到實(shí)時(shí)差分的數(shù)據(jù)，因此對(duì)GPS接收機(jī)的門檻要求較高，需要GPS接收機(jī)具備接受差分衛(wèi)星服務(wù)的功能。星站差分系統(tǒng)在水下測(cè)量工作中的優(yōu)勢(shì)有很多，例如它可以一機(jī)多用，技術(shù)領(lǐng)先，星站差分模式通常是單機(jī)工作，有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口和豐富的擴(kuò)展功能，具備RTK、靜態(tài)后處理、動(dòng)態(tài)后處理多種工作模式；高效、便捷，可靠性高，星站差分模式高度集成，只需要一個(gè)人作業(yè)，省去了基站的建設(shè)和維護(hù)時(shí)間，單機(jī)操作提高了作業(yè)效率，并且出現(xiàn)故障的可能性也大大降低，并且接收機(jī)不需要配備較大的蓄電池，一塊8hA的電源接收機(jī)可以支持測(cè)量工作連續(xù)工作10小時(shí)左右，給外業(yè)測(cè)量減輕了很大的負(fù)擔(dān)，大量節(jié)省了水下測(cè)量工作耗費(fèi)的人力物力、費(fèi)用和時(shí)間。

2.4 信標(biāo)差分模式

信標(biāo)差分GPS技術(shù)是一種利用現(xiàn)有的海用無線電信電臺(tái)，在其所發(fā)射的信號(hào)中加上一個(gè)副載波調(diào)制，以發(fā)射差分修正信號(hào)，提供導(dǎo)航服務(wù)。一般信標(biāo)差分模式的精度可以達(dá)到亞米級(jí)，信標(biāo)臺(tái)站就相當(dāng)于GPS的基準(zhǔn)臺(tái)，擁有自己的頻率，發(fā)射功率強(qiáng)大，信號(hào)覆蓋面較為廣泛，一般在以信標(biāo)臺(tái)站為中心半徑300km的范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量作業(yè)，由于信標(biāo)差分模式的導(dǎo)航型GPS接收機(jī)價(jià)格低，信號(hào)較為穩(wěn)定，是目前最方便廉價(jià)、在水下測(cè)量中應(yīng)用最廣泛的差分定位模式。在既需要GPS差分定位系統(tǒng)，又要節(jié)省設(shè)備投入的情況下，信標(biāo)差分是進(jìn)行水下測(cè)量工作最好的選擇。相對(duì)于其他自主差分模式而言，信標(biāo)差分減少了諸多GPS用戶自建數(shù)據(jù)鏈造成的相互干擾，緩解了電磁波使用頻段過于混亂的局面；信標(biāo)差分模式不需要人員去建設(shè)基站，直接由接收機(jī)接受公共差分?jǐn)?shù)據(jù)信息，操縱簡(jiǎn)單、直觀，適合各個(gè)層次的工作人員共同使用。

3 結(jié)語(yǔ)

將差分GPS技術(shù)應(yīng)用在水下測(cè)量作業(yè)中，根據(jù)情況選擇不同的差分測(cè)量模式，可以大幅度減輕測(cè)量工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，充分發(fā)揮其實(shí)時(shí)實(shí)地的高精度定位優(yōu)勢(shì)。差分GPS在水下測(cè)量的應(yīng)用方法中，RTK差分、CORS差分和星站差分三種模式精度較高，覆蓋范圍內(nèi)的信號(hào)和精度穩(wěn)定，但都有各自的限制條件，RTK需要自建基站，CORS會(huì)收取一定的網(wǎng)絡(luò)通信費(fèi)用，星站差分則需要一臺(tái)可以滿足接受衛(wèi)星信號(hào)要求的GPS接收機(jī)，信標(biāo)差分雖然儀器價(jià)格低廉，信號(hào)免費(fèi)，但水下測(cè)量工作受到信標(biāo)臺(tái)站的距離約束，離信標(biāo)臺(tái)站越遠(yuǎn)則測(cè)量精度越差，因此在實(shí)際的水下測(cè)量工作中，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的情況需要，選擇適用的差分模式進(jìn)行水下測(cè)量工作。

[1]許捍衛(wèi)，何江，楊艷飛.星站差分GPS在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用[J].水利水電科技進(jìn)展，2008，28（2）：75-83.

[2]李偉.關(guān)于水利工程基礎(chǔ)地理測(cè)量GPS技術(shù)探討[J].黑龍江科技信息，2013（34）：189.

[3]王坤，許開勇.星站差分GPS在長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)水下地形測(cè)量中的應(yīng)用[J].科技資訊，2014（15）：33.

[4]俞永軍.GPSRTK在水下地形測(cè)量中影響質(zhì)量的因素及應(yīng)對(duì)措施[J].浙江水利水電專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2007（4）：68-77.