GPS-PPK結(jié)合測(cè)深儀在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用

萬凌翔

（廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510000）

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GPS-PPK結(jié)合測(cè)深儀在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用

萬凌翔

（廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510000）

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，GPS-PPK結(jié)合測(cè)深儀在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用更加廣泛。介紹了在水下地形測(cè)量的作業(yè)過程中，GPS-PPK技術(shù)與測(cè)深儀相結(jié)合的工作原理和作業(yè)方法，并通過實(shí)例進(jìn)行了一些相關(guān)探討。

關(guān)鍵詞：GPS-PPK技術(shù)；水下地形測(cè)量；測(cè)深儀；應(yīng)用；研究

水下地形測(cè)量是在水利水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)過程中非常重要的環(huán)節(jié)，在河道疏浚整治、觀測(cè)水庫(kù)淤積，水工建筑物建設(shè)等方面都起到很大的作用。現(xiàn)階段GPS技術(shù)日趨成熟，水下地形測(cè)量領(lǐng)域中，GPS的應(yīng)用逐漸增多，其中GPS-RTK（Real-timekinematic）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)給水下地形測(cè)量效率帶來了極大的提高，然而很多地區(qū)環(huán)境復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸易受到干擾，對(duì)作業(yè)進(jìn)度和質(zhì)量帶來很大的影響。所以無需數(shù)據(jù)傳輸和不受作業(yè)距離影響GPS-PPK動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)也在很多地方發(fā)揮著重要作用。

1　GPS-PPK技術(shù)的工作原理分析

PPK（PostProcessed kinematic）技術(shù)，也被稱為動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)，屬于事后差分全球定位系統(tǒng)的范疇，其借助于基準(zhǔn)站接收機(jī)和流動(dòng)接收機(jī)，能夠通過載波相位對(duì)觀測(cè)衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)量。在獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)后，通過采用計(jì)算機(jī)中的相關(guān)處理軟件，如GPS軟件，能夠?qū)y(cè)量數(shù)據(jù)加以線性組合，從而得到具有一定虛擬性的衛(wèi)星載波相位數(shù)值，分析此數(shù)值，可以進(jìn)行精準(zhǔn)定位，其定位精度可達(dá)厘米級(jí)。在對(duì)衛(wèi)星坐標(biāo)進(jìn)行分析及轉(zhuǎn)換后，可以獲得相應(yīng)的流動(dòng)站坐標(biāo)。

與RTK技術(shù)屬性類似，PPK技術(shù)也是一種精度極高的動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，兩者都是通過在已知點(diǎn)上建立基準(zhǔn)站的方式進(jìn)行定位，但在使用中兩者也存有一定的差別，PPK技術(shù)作為一種高速靜態(tài)測(cè)量技術(shù)，僅需通過流動(dòng)站的記錄間隔來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄整理，在坐標(biāo)獲取上難以做到實(shí)時(shí)化，需要借助室內(nèi)作業(yè)（解算經(jīng)基線、平差等）配合。

2　測(cè)深儀工作原理概述

測(cè)深儀在水下地形測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用原理是借助超聲波及其反射得以實(shí)現(xiàn)的，超聲波一方面可以穿透介質(zhì)，另一方面可以在介質(zhì)表面形成反射，測(cè)深儀借助超聲波探頭將超聲波發(fā)射出去，通過測(cè)量發(fā)射波及反射波的時(shí)差來完成測(cè)量。

測(cè)深儀工作過程可用公式Z=Vt/2表示，其中，V代表超聲波的傳播速度，t代表超聲波自發(fā)射后，由探頭到水底，再由水底反射，直到被探頭再次接收所消耗的時(shí)間。借助探頭桿的刻度數(shù)值，可以測(cè)出探頭與水面的距離，將兩者相加，即可得出水深數(shù)值，如圖1所示。

圖1　超聲波回聲測(cè)深示意圖

3　GPS-PPK結(jié)合測(cè)深儀的工作方法

水下地形測(cè)量由水深測(cè)量及定位兩個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，其中，水深測(cè)量由測(cè)深儀完成，水面高程測(cè)量及定位經(jīng)由GPS-PPK系統(tǒng)完成。GPS-PPK結(jié)合測(cè)深儀，是指在測(cè)深儀中的換能器上方部位安裝GPS流動(dòng)站接收天線，以使測(cè)深儀水下測(cè)量點(diǎn)位和GPS測(cè)量點(diǎn)位保持在一個(gè)鉛垂錢上。

GPS接收機(jī)天線與測(cè)深儀的換能器之間，由一根固定長(zhǎng)度的桿件連接在一起，使換能器底面到GPS天線之間相當(dāng)于一根已知長(zhǎng)度的占標(biāo)桿，只要將桿立直，則GPS接收機(jī)所測(cè)數(shù)據(jù)的平面坐標(biāo)，即是換能器底面對(duì)應(yīng)點(diǎn)的平面坐標(biāo)，也就是所測(cè)水深點(diǎn)的平面坐標(biāo)。利用測(cè)深儀統(tǒng)的控制裝置可使接收天線與換能器同步工作，即在GPS接收機(jī)測(cè)量三維坐標(biāo)的同時(shí)，測(cè)深儀測(cè)得其底面以下部分的水深。

圖2　水下高程計(jì)算示意圖

對(duì)于水下定位點(diǎn)而言，其高程計(jì)算公式為：H= H0-h1-h2；上式中的H0代表水下定位點(diǎn)高程；H1天線至換能器底部高度；H2代表水下定位點(diǎn)水深。

GPS-PPK與測(cè)深儀，水下點(diǎn)位深度測(cè)量由測(cè)深儀完成，水面點(diǎn)位高度及其經(jīng)度及緯度定位由GPS-PPK得出，兩者之間在測(cè)量方面相對(duì)比較獨(dú)立，GPS-PPK結(jié)合測(cè)深儀，本質(zhì)上看，是對(duì)三者的對(duì)應(yīng)關(guān)系加以分析對(duì)比。在此過程中的“記錄時(shí)間”，實(shí)際上是二者相互聯(lián)系的重要媒介。

對(duì)于測(cè)深儀而言，其根據(jù)時(shí)間對(duì)某個(gè)點(diǎn)的水深進(jìn)行記錄，而且每秒都要記錄大約3～6次探測(cè)點(diǎn)的水深；GPS處理后的數(shù)據(jù)選項(xiàng)中又有坐標(biāo)“開始記錄時(shí)間”。因此，在水下地形測(cè)量實(shí)施中，一方面可以獲取這兩項(xiàng)時(shí)間資料。另一方面其對(duì)應(yīng)的水下點(diǎn)位深度、水面高程及其坐標(biāo)等數(shù)據(jù)也可同步得出。由此實(shí)現(xiàn)了GPS-PPK與測(cè)深儀的互相結(jié)合。

4　GPS-PPK結(jié)合測(cè)深儀在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用實(shí)踐

筆者參與的廣州市蘿崗區(qū)金坑水庫(kù)清淤工程，需測(cè)量水庫(kù)水下地形和斷面。由于水庫(kù)地處山區(qū)，位置較為偏僻，附近網(wǎng)絡(luò)及信號(hào)覆蓋率低，甚至無信號(hào)覆蓋，在對(duì)這部分區(qū)域的水下地形測(cè)量時(shí)，選用了GPS-PPK結(jié)合測(cè)深儀的方法。

4.1外業(yè)作業(yè)

選取較為空曠開闊的區(qū)域設(shè)立基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站確定為15度仰角，能夠被基準(zhǔn)站搜索到且信號(hào)可被接收到的衛(wèi)星數(shù)量要多于5顆。在測(cè)量用的船只上裝有測(cè)深儀以及換能器。在安裝GPS接收機(jī)的天線時(shí)，要使其垂直于換能器側(cè)桿上方部位。

安裝布設(shè)完畢以后，連接探測(cè)儀、計(jì)算機(jī)以及電源和GPS手持機(jī)、流動(dòng)站并且保證在GPS流動(dòng)站運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，做好已知點(diǎn)的實(shí)時(shí)校驗(yàn)工作，以保障相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

測(cè)深儀開始工作時(shí)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格校驗(yàn)測(cè)深儀，并且要確保水深測(cè)量的準(zhǔn)確性。將預(yù)制導(dǎo)航坐標(biāo)輸入到GPS手持機(jī)上，從而形成一個(gè)簡(jiǎn)易的導(dǎo)航圖，并且對(duì)測(cè)船導(dǎo)航，設(shè)置GPS流動(dòng)站自動(dòng)記錄測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

4.2內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及成果生成

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，通過后處理軟件對(duì)基準(zhǔn)站及流動(dòng)站基線加以解算，將GPS-PPK基線向量確定為觀測(cè)值，將方差陣之逆作確定為權(quán)，采用三維無約束平差方式，精確計(jì)算得出觀測(cè)點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)，然后借助已知測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，通過對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而得出各觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)際方位坐標(biāo)。部分點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　部分?jǐn)?shù)據(jù)DAT文件

同時(shí)，利用CASS等軟件，對(duì)于水下地形圖進(jìn)行展繪，得到最終水下地形圖，部分圖形成果如圖3。

圖3　局部水下地形圖

5　結(jié)語(yǔ)

在無電臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)有效覆蓋的地帶，使用GPS-PPK后動(dòng)態(tài)處理技術(shù)同樣能夠測(cè)量得到高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)效其作業(yè)半徑大，效率高，是對(duì)GPS-RTK技術(shù)的一種很好的補(bǔ)充，通過其與測(cè)深儀的相結(jié)合的測(cè)量方式給水下地形測(cè)量提供了更多的選擇和便利，提升了經(jīng)濟(jì)效益，必將在今后的測(cè)量作業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。

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中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-1305（2016）01-0093-03

DOI：10.3969 /j.issn.1008-1305.2016.01.032

收稿日期：2015-09-22

作者簡(jiǎn)介：萬凌翔（1986年—），男，工程師。