基于TJCORS的無驗潮測深模式在海河測量中的應用

王性猛

(天津市測繪院，天津 300381)

基于TJCORS的無驗潮測深模式在海河測量中的應用

王性猛*

(天津市測繪院，天津 300381)

闡述了無驗潮測深模式的原理，闡述了基于TJCORS系統的無驗潮測深模式及其誤差來源和改正方法，并利用本方案對海河下游水深斷面進行了測繪，分析了無驗潮水位精度及水底高程精度情況，試驗結果表明本文構建的基于TJCORS的無驗潮水深測量系統總體精度較好，能夠滿足海河水深測量精度要求。

TJCORS；無驗潮測深模式；水底高程；海河測量

1 緒 論

海河作為貫穿天津市區和渤海灣的通航河流，水運業務也逐年增加。海河干流二道閘至新港船閘已建設成 3 000 t 級以上的內河航道，并多次在二道閘至新港船閘之間開展水深測量工作，服務于相關河道疏浚、清淤以及部分過河管線的埋設，保障船舶航行安全。這些測量中基本都采用單波束測深儀測量水深值，結合GPSRTK測量得到的水深點平面位置，獲取河水底高程信息。近年來，隨著天津市連續運行參考站系統(簡稱TJCORS)的建立和普及，TJCORS以其高精度、實用性、方便性越來越多的應用于天津市測繪行業中。天津市海河下游CORS信號較好，少有高大建筑物遮擋，其開闊的環境尤其適宜采用TJCORS作為定位信號進行無驗潮測量海河水底高程。

2 基于TJCORS的無驗潮測深原理

2.1 TJCORS建設情況

天津市連續運行參考站系統(簡稱TJCORS)始建于2004年4月，2006年6月正式完成整個項目并投入使用。其平均邊長為 30 km～40 km，共布設12個站點[1]。2013年，天津市連續運行參考站系統完成了天津市地震局8個站點和北京市測繪院1個站點的實時數據流的介入，完成了站點坐標的重新計算升級，總站點達21個。目前TJCORS能夠提供快速或實時定位、導航、事后相對精密定位等服務，其精度為：快速或實時定位：水平<3 cm、垂直 <5 cm。

2.2基于TJCORS的無驗潮測深模式

利用TJCORS進行網絡RTK測量可實時得到厘米級的GPS天線的WGS84坐標和大地高，結合測深儀測得的水深值，即可得到水底的平面位置和大地高信息，通過天津市測繪院已建立的成熟的坐標轉換系統，即可獲得天津市1990坐標系下位置和對應的大沽高程值。無驗潮水深測量具體原理如圖1所示。

圖1 無驗潮水深測量原理圖

H大地高=L+H吃水+H水深

(1)

其中：換能器吃水可直接由鋼尺量取獲得，換能器至水底部分深度可通過測深儀測得，GPS接收機天線高程信息可通過RTK接收機測得，L為GPS天線到水面的高，也由鋼尺量取獲得；所以只要已知GPS接收機的大地高，則可實時獲得水下地形點的理論基準面下的大地高。基于TJCORS的無驗潮測深模式即采用GPS接收機連入CORS網，待固定解后直接測量獲得GPS接收機的實時三維位置信息，在數據采集軟件中，結合測深儀測量得到的水深信息，即直接獲得測區的水底大地高，測量獲得的數據在內業數據處理軟件中經過姿態、聲速、延時、無驗潮改正等即可輸出獲得本項目所需要的水深點的平面位置和高程值。

3 無驗潮測深誤差分析

3.1換能器安裝偏差及船體傾斜

換能器桿同時連接RTK天線與換能器，如果換能器桿與豎直方向將形成一個偏角，該偏角將使測深儀測量的水深值存在系統性偏差。圖2為換能器桿傾斜時詳細的誤差關系圖，其數學公式如式(2)：

圖2 換能器桿傾斜誤差關系圖

b=(h1+h2)×cosB

(2)

式中：b為實際真值；h1天線中心到換能器底部的長度；h2為測深儀測得的水深；B為換能器桿與豎直方向的傾斜角。一般傾斜角B很小。由式(2)可知換能器桿傾斜所產生的傾角B越大、換能器桿越長、水深值越大時，測量偏差值也越大[3]。因此，在換能器安裝時應用專門制作的換能器安裝支架保證其在豎直方向上的固定，同時在外業數據采集過程中注意其是否傾斜。

3.2測深延遲效應

測深儀延遲是單波束測深儀的測深時刻與GPS RTK接收機瞬時記錄時間不同步導致的定位位置與實時水深值之間的偏差值[3，4]。測深延遲為系統性誤差，主要通過精確量取換能器中心與接收機天線相位中心的位置關系，并測量使用的測深儀聲波信號滯后時間，利用相關誤差改正公式等措施對其進行有效改正。

3.3聲速改正

聲速是影響水深測量的重要因素。水下聲速隨著河水的溫度和鹽度不同而產生差異，本次作業中采用聲速剖面儀測量河道聲速剖面。在作業開始前，選擇河流平靜、流速較小的區域，使用聲速剖面儀獲取河道實際聲速，在數據處理軟件中進行聲速改正。

4 工程實例

項目位于海河下游，海津大橋至海河下游段進行的水深測量，用單波束測深儀進行水深測量，采用HY1602S雙頻測深儀高頻測量模式進行，測線垂直于河道布設。水深測量分別采用無驗潮模式和驗潮模式進行，獲得河道斷面，并將兩種方法獲得的斷面數據對比分析。項目位置示意圖如圖3所示：

圖3 測區位置圖

4.1外業測量

作業時，將測深儀換能器以專門制作的安裝支架固定在船舶中舷處，GPS天線高出船體且與測深儀換能器安置在同一鉛垂線上，同測量船連為一體，使定位中心與測深中心一致。以南方自由行軟件進行數據采集、采樣率設置為1Hz按等距離方式記錄。測深時，測量人員實時觀察儀器設備運行和測深紙打印情況。

4.2數據處理

數據處理分兩種方式進行，即：驗潮方式下水深處理和無驗潮測深模式下水深處理。驗潮模式即根據在測區中間位置設置的水尺，讀數記錄得到的水位情況(采樣間隔為 10 min)，進行水位改正后獲得數據成果；無驗潮測深模式水深數據成果為采用自主研發的軟件無驗潮改正獲得的水深數據。

4.3測深數據精度分析

(1)水位結果比較

首先將水尺觀測的水位數據根據時間內插，并與無驗潮模式下RTK測量獲得的潮位解結果進行比較如圖4所示。

圖4 潮位差值統計

RTK水位與水位站水位互差波動在 10 cm之內，平均值為 5.0 cm，該差值中包含了涌浪誤差(測量船行進過程中涌浪，及河道流水涌浪)以及水尺讀數系統偏差，偏差值滿足河道測量精度要求。

(2)水底高程結果比較

對測區域的水下測量數據進行測試，選取其中1條斷面進行分析，共54個水下地形點來進行統計分析。得到相同水下地形點的無驗潮高程從而比較兩種方法的高程差值，再進行誤差統計。

圖5 有驗潮與無驗潮方法的水底高程對比圖

圖6 有驗潮與無驗潮方法的水底高程差值統計

由圖5可以看出，水底高程互差的抖動范圍大致在 12 cm以內，抖動幅度比水位互差的幅度大。究其原因，測量采用的水深作業時乘坐的是小型皮劃艇式測量船，抗風浪能力較小，在航行過程中船體搖晃幅度較大，造成誤差值波動大。由圖4～圖6可得有驗潮與無驗潮方法的水底高程互差值在 5 cm內的共占本次測量(統計了 7 000個測深點，15條斷面)的63%，互差值在 8 cm之內的占總數的79%。對比互差在 10 cm以內的占總數的91%。經過統計分析得出綜合對比精度RMS值為 4.8 cm，相對較小，說明驗潮、無驗潮模式下兩種水下地形內業處理結果具有一致性。

經過基于TJCORS的無驗潮水位精度測試和驗潮測量的水底高程值對比精度測試，說明本文構建的基于TJCORS的無驗潮水深測量系統總體精度較好，能夠滿足海河大橋段水深測量精度要求。

5 總 結

(1)本文闡述了天津市連續運營參考站(TJCORS)的運行情況和基于TJCORS的無驗潮測深模式的原理，并分析了在TJCORS系統下無驗潮測深模式的誤差來源和改正方法。

(2)通過海河河道斷面測量的無驗潮和驗潮模式下測量，獲得的潮位數據、河道斷面數據，綜合析評價了基于TJCORS的無驗潮水深測量結果的精度，結果表明基于TJCORS的無驗潮水深測量模式精度較好，能滿足海河水深測量的精度要求，為類似工程項目提供了技術參考。

[1] 蔡敏，張志全，汪偉等. TJCORS服務管理系統的設計和實現[J]. 城市建設理論研究：電子版，2013(23).

[2] 王江濤，于龍超. VRS RTK技術及其在水利勘測中的應用[J]. 建筑工程技術與設計，2015(17).

[3] 盧軍民，安延云，張東明等. 無驗潮測深技術中影響水深測量精度的幾個問題探討[J]. 水運工程，2010(5)：47-51.

[4] 李凱鋒，田建波，趙樹紅等. 無驗潮水深測量系統定位精度檢驗[J]. 海洋測繪，2013，33(6)：22-25.

[5] 許大力. GPS-RTK無驗潮測量技術在菊花島供水工程中的應用[J]. 測繪與空間地理信息，2012，35(2)：92-94.

ApplicationofNoTidalModelUnderTJCORSintheMeasurementofHaiheRiver

Wang Xingmeng

(Tianjin institute of surveying and mapping，Tianjin 300381，China)

The paper expounded the construction of Tianjin continuously operating reference station (TJCORS) and the principle of no tidal mode，analyzed the error sources and correction method of no tidal model under TJCORS. The Measurement has been used in the surveying of Haihe river. Through the actual project，this paper compared the accuracy between no tidal model with the traditional mode，The result indicated that the accuracy of no tidal model under TJCORS could satisfy the precision of Haihe river measurement.

TJCORS；without tidal observation model；underwater elevation

1672-8262(2017)05-130-03

P229，P258

B

2017—07—20

王性猛(1988—)，男，碩士，助理工程師，主要從事海洋測繪、工程測繪工作。