GNSS支持下的無驗潮測深模式優化

高興國，田梓文，麻德明,3，鄭 劍，劉焱雄

(1. 山東電力工程咨詢院有限公司,山東 濟南 250013； 2. 國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061； 3. 中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266100)

水深測量是海道測量和海底地形測量基本手段，也是海洋工程建設前要進行的基礎工作，無驗潮水深測量和人工驗潮水深測量是目前水深測量中常用的兩種方法。與無驗潮水深測量方式相比，采用人工驗潮站的方式，不僅成本高、作業效率低，而且由于人為因素干擾，水位改正誤差被累積，有限的驗潮站數據也很難構造精確的潮汐模型，導致測量結果可靠性差。

近年來，隨著GNSS技術的發展，能夠實時或準實時地將高精度的定位數據引入水深測量中，使得無驗潮水深測量模式成為現實并得到了越來越廣泛的應用[1-4]。桑金[5]在國內首先采用了GPS大地高的信息進行水深改正，認為它是一種實時的、與動吃水無關的、無驗潮站的水位改正方法，可以認為是我國無驗潮水深測量的初步探討。隨后不同學者利用GPS RTK、CORS等技術進行了無驗潮水深測量應用[6-10]，奠定了GNSS無驗潮技術大規模應用的技術基礎。水深測量包含定位和測深兩個方面，只有同時提高定位和測深的精度，才能提供高精度的水下地形信息數據，因此在開展無驗潮測量應用的同時，學者們分別對無驗潮測量作業模式的誤差來源和測量精度進行了分析與評估[11-16]，特別是在定位精度、船舶姿態、時間延遲、姿態改正等方面進行了重點研究與探討，并提出了消除或減小誤差的技術方法，為優化作業方案提供參考。

1 無驗潮基本原理

無驗潮測深法是相對于傳統的驗潮測深的水下地形測量技術而言的，海上無驗潮測量集成多種類型傳感器和軟件，包括高精度定位設備(GNSS)、姿態傳感器(INS)和測深設備(SB/MB)及數據采集軟件。基本原理是，采用GNSS橢球高及測深儀的深度，測得附近水準點的深度基準面大地高，通過比測求得轉換參數，獲取海底高程的一種方法。具體是指高精度定位(RTK、PPK、PPP)/定姿技術(INS)與測深技術(單波束/多波束)相結合，在已知海上似大地水準面(或似大地水準面未知，但測量區域較小，只需固定的高程異常)和深度基準面的海域上，基于GNSS瞬時橢球高、測深儀瞬時水深和姿態傳感器瞬時姿態等觀測信息，通過姿態信息對橢球高和瞬時水深進行改正，直接確定基于橢球面的水深(或高程)，再利用高程異常和深度基準面(垂直基準)，將水深換算到國家高程基準或理論深度基準面。以單波束(SB)測深為例，該系統由GNSS RTK系統、單波束測深系統、姿態傳感器INS組成，其工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 海上無驗潮單波束測深工作原理

GNSS天線到船上姿態儀的高度為H1，測深儀到船上姿態儀的距離為H2，測深儀測量到海底的深度為H，假設GNSS測得高程為Hd，即GNSS到參考橢球面的高度(大地高)，利用垂直基準模型，換算得到GNSS天線到理論深度基準面的距離H0，根據式(1)可得到測深儀到理論深度基準面的距離h，利用式(2)即可得到海底某點的水深值h0，這樣就獲取了此點的CGCS2000三維坐標。

h=H0-H1-H2

(1)

h0=H-h

(2)

2 工作流程及關鍵技術點

水深測量作業流程可分為三大步驟，即測前準備、外業數據采集和數據后處理形成成果輸出。測前準備主要包括測區控制網建立、轉換參數求算(如需要)及測線布設等；外業數據采集主要包括基站架設，GNSS接收機、測深儀等連接、配置及參數改正后進行測量；數據后處理即將采集軟件獲取的數據進行處理(GNSS、INS和測深設備之間坐標轉換、垂直基準轉換等)生成水深成果圖，如圖2所示。

為了獲取精確的水深數據，需要高精度GNSS定位技術(GNSS RTK、GNSS PPK和GNSS PPP等)，而在海上進行水深地形測量時會受到波浪、潮汐等因素的影響，換能器探測的水深數據需要經過換能器吃水、海水聲速、姿態、涌浪和水位等歸算改正[16]，利用高精度的垂直基準模型，才能得到基于某一深度基準面的水深。具體包括以下關鍵技術點。

圖2 無驗潮測量作業系統構成及工作流程

2.1 GNSS精度控制與坐標轉換

根據以上理論和方法，優化后的精密水深測量模式中每個歷元的GNSS RTK平面和高程解均需準確，故對GNSS的觀測數據進行質量控制，同時經過框架轉換和歷元歸算把坐標轉換成CGCS2000坐標。

2.2 時延修正

水深測量中，由于GNSS內部算法、數據傳輸與編碼等問題常導致定位時間與測深儀獲得定位信號時間不同步，即存在時間延遲，為確保二者嚴格同步，必須進行時延探測與修正。時延確定方法通常利用往返觀測的方式，尋找同一特征點的兩個位置，也可采用斷面整體平移法等。

2.3 姿態改正

確定理想船體坐標系與瞬時船體坐標系之間的關系，構建由橫搖和縱搖組成的瞬時旋轉矩陣，計算GNSS天線在船體坐標系下的瞬時坐標，再結合其瞬時定位和測深信息及垂直基準模型，最終獲得海底點的高程[17]。

3 應用試驗

3.1 研究區概況

本次試驗選取在山東省煙臺海陽市萬米沙灘海域，布設了20條測深斷面作為試驗對象。根據現有資料可知，測區東西跨度約為9 km，地形變化平緩，總體走勢呈北高南低。測深斷面長度約為4 km，平均間隔為400 m，如圖3所示。

圖3 測區示意圖

3.2 數據獲取與處理

本次試驗租用當地漁船作為測量船，測深儀換能器安置在船舶前1/3處，以減少螺旋槳等振動裝置造成的噪聲干擾，測線航偏距控制在10 m以內，水深數據采集與處理基于Hypack軟件完成，Hypack集導航、采集與數據處理功能于一體。測量導航窗口(如圖4所示)可按要求加載底圖、測線等測區信息，實時顯示船行位置和水深變化情況，也可對船向、導航參數、打標方式適時修改；Hypack同時提供了數據處理模塊——單波束編輯器，水深數據處理以單個水深原始記錄文件為單位，單波束編輯器讀取的水深原始記錄文件中的所有數據會在圖表窗口顯示，RTK潮位改正信息和水深改正值也可在表格中顯示(如圖5所示)。水深數據處理的重要工作是水深值去噪，由Hypack自動濾波模塊完成。經改正后的水深值即為海底高程值，Hypack以海面向下為正，故在數據輸出時應取負輸出。

圖4 導航窗口

3.3 精度驗證

(1) 為驗證測深精度，本次試驗采用正交比對進行內符合精度檢測，并將經過同步驗潮數據改正所得的海底高程作為真實值，進行精度評定。

圖5 單波束編輯器

統計項互差/m00.10.2≥0.3合計個數55121068百分比/(%)811810100

由表1可知，水深值正交對比互差為0的占所檢驗總數的81%，而互差≥0.2 m的點數僅有1個，證明無驗潮測深數據內符合精度良好，無驗潮測深模式穩定性較高。

(2) 無驗潮測深數據外符合精度，是以經驗潮改正的水深值為真值，采用同名點對比的方法進行評定。為使潮位改正更加真實有效，本次試驗在測深時先進行了動態吃水的測定。測量船在測深時動力穩定，船速始終維持在5節左右。本次試驗采用RTK方法，對測量船動態吃水進行了測定，測量時正處于高平潮期，且測量時間較短，在5 min左右，因此可不考慮潮位影響。測定結果如圖6所示。

圖6 動靜態水面高程變化

由圖6可知，船在運動狀態時吃水加深。進一步分析測量數據得出，動靜態水面高程平均值差值為0.09 m，即測量時船舶動態吃水為+0.09 m。動態吃水將在后續數據處理中改正。

(3) 驗潮式水深數據改正，同樣由Hypack軟件完成，以避免數據處理軟件在數據處理方法上的差異對處理結果可能造成的影響。表2為不同測深模式下，水深同名點不符值統計結果。分析統計結果可知，測深同名點不符值為0的點數占總點數的41.52%；而不符值僅為0.1 m的點數占總點數的42.13；不符值≥0.3 m的點數僅占總數的3.34%。這說明，無驗潮測深模式測深成果與傳統驗潮測深模式測深成果是等價的，證明無驗潮測深模式具有同等精度。

表2 同名點不符值統計

分析水深同名點不符值正態統計圖(如圖7所示)，可以得出，兩種模式測深不符值大致分布在-0.15～0.5 m之間，不符值平均數為-0.05 m，完全滿足當前測深規范對測深精度的要求。

圖7 水深同名點不符值統計

綜合分析本次試驗結果可知，優化后的無驗潮測深作業模式可行，在GNSS定位精度可以保證的情況下，測深數據成果精度可靠。

4 結 語

本文基于無驗潮測深原理，提出了優化的海上無驗潮測深模式，能有效消除動態吃水及波浪等因素影響，避免了由于潮位觀測帶來的水位改正誤差，節約了作業成本，簡化了數據后處理程序，有效地提高了水深測量的工作效率，并得到了實踐的檢驗，從內符合精度和外符合精度兩個方面進行了精度評估與驗證，無驗潮測深模式是可行的，可在海洋工程的水下地形測量中推廣普及應用。