星站差分用于遠海航道疏浚施工實時水位控制的可行性分析

王瑞

（中交華南勘察測繪科技有限公司，廣東 廣州 510220）

引言

在現階段疏浚船舶所使用的智能化挖泥系統中，起到重要作用的就是水位改正，疏浚工程施工過程中對水位進行精準實時的獲取十分關鍵，尤其在是當前中國一帶一路的戰略背景下，港口的建設向大型化、深水化發展，我國也加大了遠距離深水航道建設的步伐，此點顯得更為重要，實時與精確的水位控制可有效控制超挖、減少廢方，對提升疏浚工程的質量起到重要作用。

1 現有水位控制方法

對海水面高度伴隨時間變化的規律進行測量就是水位測量，目前可選擇的技術方法主要有四種，水尺驗潮、驗潮井驗潮、超聲波驗潮以及壓力式驗潮儀，以上水位測量方法所采取的方式均為定點測量，定點測量水位非常容易受到氣候、河流、岸灘和海底地形等因素的影響，進而使觀測得到的水位數據不能很好地代表整個施工區域的水位特點，無法將施工區的潮汐特征準確表達。對于遠海超長航道疏浚工程的水位控制，目前比較成熟的解決方案有直接潮位觀測，即在疏浚區域設立潮位站直接觀測潮位；水位推算，通過潮位模型對施工船舶位置的天文潮位進行預報，結合已知站余水位對預報天文潮位進行訂正；水位傳遞，即根據2個或2個以上有效距離控制內的已知站進行分帶內插改正。

以上方法解決了水位獲取的問題，而如何把獲取的水位實時傳輸到施工船舶，指導船舶進行施工也是一個問題。隨著施工區域的不斷向外海延伸，信息傳送的間距也在拉長，受限于通訊外部環境，現有的做法如通過高頻、短信、無線電等進行水位傳輸的方式已不能滿足遠海航道疏浚施工的要求。后來出現的 RTK水位測量技術可以不受動態狀態影響，獲取的三維坐標達到厘米級，實時性方面性能較好，但是測量的作用距離也受無線數據傳輸的影響，一般情況下作用距離只能達到20 km；PPK潮位測量，與 RTK潮位測量原理相似，但采用的后處理技術，雖然作用距離不受數據傳輸的約束，但不能滿足施工水位的實時需求。

綜上所述，在遠海航道疏浚施工中，由于離岸較遠，現有的水位控制至少存在兩個問題，一是獲取的水位不能準確反映施工船舶所在位置的實際水位值，二是獲取的水位值不能實時的傳輸到施工船舶。

2 星站差分GPS簡介

星站差分GPS屬于廣域差分GPS范疇，目前應用比較廣泛的星站差分系統有三種，分別是Navcom公司的Star Fire TM系統、Fugro公司的Omini STAR系統以及Subcea7公司的Veripos系統。

文中展開的論述是以“中國精度”作為代表，同時它也是我國第一個全球星基增強服務系統。“中國精度”系統的正式發布時間及提供全球范圍服務的時間是2015年6月15日，該系統也標示我國在星基增強服務系統中第一次達到世界領先、全球覆蓋。“中國精度”建設完成投入使用后，不需要進行基站架設，用戶就能夠在世界任何地方享受到由亞米級到分米級再到厘米級多種層級的高精度定位服務。在國外市場進行服務推廣時，該系統名是“atlas”。

圖1 中國精度系統架構

對于星基增強系統，是憑借全球建設的CORS站，經由信息通訊網絡再到系統數據中心，計算出三類廣域差分修正值，具體包括每一顆GNSS衛星的星歷改正、鐘差改正和電離層時間延遲改正等參數，再經由信息通信網絡將上述差分信息傳輸到專用的通訊衛星，通訊衛星和地面之間數據傳輸的波段為L波段，地面客戶端通過終端設備來接收差分信號，接收機的數據通過差分信號改正，在全球范圍內實現米級、分米級、厘米級多層級的精準定位。

3 星站差分高程精度評定

星站差分高程精度評定分為靜態高程精度評定和動態高程精度評定，實驗所選的儀器是UniStrong G10A星站差分RTK系統，支持L-Band“中國精度”星站差分，無需架設基站，單機厘米級定位，“中國精度”定位高程精度10～15 cm。

3.1 靜態高程精度分析

1）靜態測試方案

靜態高程精度分析在已知控制點進行實時單點定位測試，設置接收機為“中國精度”差分信號改正模式，待其固定解后，通過長時段的采集，將采集的高程數據求取平均值作為真值，計算已知控制點高程值與真值的較差，整理統計差值并深入分析，上述工作的目的是判別高程精度能否滿足標稱精度的要求。

圖2 靜態數據采集

2）實驗觀測數據分析

實驗觀測時，數據采集在已知控制點分兩個時段進行，共計記錄的點位信息數據18 552條，采樣率為 1 s。對比已知值和觀測值可知，最小差值是-0.058 m，最大差值是0.320 m，計算得到平均值為0.092 m，中誤差0.069 m，觀測高程平均值18.705 m，已知高程值18.613 m，誤差0.092 m。

表1 已知值和觀測值差值統計

圖3 誤差值分布

3.2 動態高程精度分析

1）動態測試方案

動態高程精度分析擬通過在測量船加裝星站差分接收機，與PPK潮位測量系統的流動站進行同步采集數據，采集所用軟件為自編GPStide軟件，比對星站差分接收機采集的在航潮位數據與 PPK潮位測量經過后處理的在航潮位數據，對潮位曲線及差值進行分析統計，以評定高程精度是否能滿足水位控制的要求。

圖4 動態測試數據采集

2）實驗觀測數據分析

總共分三天進行了三次外業采集，第一次比對時間為4月25日8：10—15：30，第二次比對時間為5月12日10：40—17：50，第三次比對時間為5月23日11：50—19：00，比對結果按照每10分鐘一次分別形成星站差分觀測潮位及 PPK后處理潮位。第一次觀測星站差分潮位與PPK潮位比對最大差值22 cm，最小差值-2 cm，平均差值8 cm；第二次觀測星站差分潮位與 PPK潮位比對最大差值21 cm，最小差值3 cm，平均差值10 cm；第三次觀測星站差分潮位與PPK潮位比對最大差值18 cm，最小差值-5 cm，平均差值6 cm。具體觀測及比對結果見圖5～7。

圖5 潮位比對曲線1

圖6 潮位比對曲線2

圖7 潮位比對曲線3

3.3 比對結果評定

根據以上實驗觀察結果，G10A星站差分通過長時間的靜態觀測，觀測高程平均值與已知點高程相差9.2 cm，中誤差6.9 cm，其中平均值與已知點高程誤差在20 cm內的占90 %；靜態觀測的高程平均值與已知點高程的差值可理解為星站差分與PPK后處理的系統誤差，本實驗取-9 cm，故動態過程中通過星站差分觀測潮位與 PPK后處理潮位的三次比對結果見表2、表3。

表2 星站差分潮位與PPK潮位動態比對

表3 改正后星站差分潮位與PPK潮位較差數量統計

實驗數據比對結果可以表明，G10A星站差分接收機通過接收“中國精度”差分改正信號，不管是在靜止狀態測量或者動態測量過程中，其高程定位精度都非常高，完全滿足標稱的高程精度10～15 cm的要求。

4 結論

社會發展科技進步，差分GPS技術也在不斷更新發展，筆者通過實驗印證了近些年發展迅速的星站差分GPS技術所具有的高精度、實時、動態等優良特性，不用架設基準，在沒有公網通訊信號的區域通過接收衛星差分信號即可獲取高精度的位置信息，此優勢彌補了目前遠海航道疏浚施工中現有的水位控制所面臨的遠距離潮位數據傳輸及不能準確反映施工船舶所在位置的實際水位值的問題，這為使用星站差分 GPS進行遠海航道疏浚施工實時水位控制奠定了基礎。

疏浚項目依托于疏浚船舶，而如何將星站差分技術同現有疏浚船舶有效結合獲取實時水位是筆者下一步探索的方向，比如如何解析星站差分GPS串口數據，如何結合船的吃水、GPS安裝高度、船速等來測量水位，如何實現星站差分大地高基面向施工基面的轉換等，這些問題都有待進一步探討。