GNSS三維水道觀測中動(dòng)態(tài)測高精度控制及分析

楊波 楊松 張振軍 王正洋

摘要：為實(shí)現(xiàn)水深測量數(shù)據(jù)的精度控制，基于GNSS三維水道觀測技術(shù)的原理，通過解析基于Hypack原始文件的GNSS動(dòng)態(tài)定位信息數(shù)據(jù)，采取相關(guān)濾波算法，獲取了高精度動(dòng)態(tài)測高數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用分析。選取荊江河段流市河彎段水深測量數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了GNSS三維水道觀測的動(dòng)態(tài)測高精度。結(jié)果表明，測量精度滿足GNSS三維水道觀測要求，值得推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)測高;精度控制分析;Hypack原始文件;GNSS三維水道觀測;荊江河段

中圖法分類號(hào)：P332

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-0081（2020）12-0010-03

在傳統(tǒng)水深測量過程中，需在測區(qū)范圍內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的潮位站，采用潮位、水下測點(diǎn)的空間坐標(biāo)及時(shí)間插值方法，經(jīng)過一系列潮位改正進(jìn)而推算水下測點(diǎn)的測時(shí)水位。由于水深測量過程中受GNSS定位質(zhì)量、潮位變化、涌浪、船姿態(tài)、水溫與鹽度等多種因素影響，導(dǎo)致影響水深測量數(shù)據(jù)精度的因素較多。GNSS三維水道觀測技術(shù)能夠消除動(dòng)態(tài)吃水、涌浪、觀測潮位等誤差的影響，大大提高了水深測量的精度與效率，目前主要在海域、港口區(qū)域以及長江下游感潮河段應(yīng)用研究較多，傳統(tǒng)水深測量逐步被內(nèi)外業(yè)一體化的GNSS三維水道觀測技術(shù)所取代。因此，解析水深測量原始文件的GNSS動(dòng)態(tài)定位信息數(shù)據(jù)，采取相關(guān)濾波算法，研究GNSS三維水道觀測中動(dòng)態(tài)測高精度的控制及分析，對(duì)于水深測量數(shù)據(jù)的精度控制十分必要。

1GNSS三維水道觀測原理

GNSS三維水道觀測是利用GNSS動(dòng)態(tài)測量技術(shù)、測深儀及其他附屬設(shè)備實(shí)測的數(shù)據(jù)，通過實(shí)時(shí)或事后聯(lián)合解算，計(jì)算出測深儀換能器聲學(xué)中心的三維位置，從而獲得水下測點(diǎn)的平面位置和高程。該方法也被稱作無驗(yàn)潮測深、隨船一體化測深等。GNSS三維水道觀測的基本原理如圖1所示。

由圖1可以得到以下3個(gè)關(guān)系式：

式中，H為GNSS接收機(jī)天線相位中心的WGS84大地高;L為GNSS接收機(jī)天線相位中心到水面的高度;d為換能器到水面的距離（靜吃水）;T為船舶靜態(tài)水面到當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)面的高度（水面高）;S為換能器到河道底邊界面的距離（測時(shí)水深）;ξ為當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)面到WGS84橢球面的距離;h為當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)面下的河底高程。以上各參數(shù)單位均為m。

由于d+L為固定值（鋼卷尺丈量），S為測時(shí)水深，若GNSS接收機(jī)實(shí)時(shí)采集到1985國家高程基準(zhǔn)面下的正常高，便可實(shí)時(shí)測得1985國家高程基準(zhǔn)的河底高程。因此，GNSS三維水道觀測技術(shù)的關(guān)鍵在于獲取準(zhǔn)確高精度的GNSS天線相位中心正常高。

2動(dòng)態(tài)測高精度控制方法

GNSS三維水道觀測技術(shù)的重點(diǎn)在于動(dòng)態(tài)獲取GNSS接收機(jī)采集到某瞬時(shí)測點(diǎn)位置的下正常高。需運(yùn)用GNSS差分定位技術(shù)，測得定位時(shí)刻天線的WGS84大地高，再根據(jù)測區(qū)的高程轉(zhuǎn)換模型（似大地水準(zhǔn)面精化模型、七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型、曲面擬合模型等）實(shí)現(xiàn)從大地高向正常高的轉(zhuǎn)換。因此，GNSS的定位質(zhì)量、精度對(duì)最終計(jì)算成果的質(zhì)量有著直接關(guān)系。

2.1大地高轉(zhuǎn)換模型的精度控制

GNSS動(dòng)態(tài)獲取WGS84大地高，大地高向正常高進(jìn)行高程轉(zhuǎn)換的模型可采用似大地水準(zhǔn)面精化模型、七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型或者曲面擬合模型。模型的擬合精度和效果取決于控制測量精度、擬合點(diǎn)的分布和范圍大小等因素，可采用內(nèi)符合精度μ_內(nèi)和外符合精度μ_外檢驗(yàn)評(píng)價(jià)擬合精度。

2.2GNSS動(dòng)態(tài)測高定位數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

目前，Hypack軟件可連接GNSS、測深儀、側(cè)掃聲納、羅經(jīng)等不同設(shè)備，集成系統(tǒng)后進(jìn)行水深測量數(shù)據(jù)的采集，存儲(chǔ)為RAW格式文件，其字段解釋見表1。

在實(shí)際應(yīng)用中，GNSS接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)難免會(huì)受到多種因素的影響，包括信號(hào)傳播環(huán)境的不確定性、衛(wèi)星及用戶設(shè)備的運(yùn)行故障、水域環(huán)境以及操作人員不規(guī)范等，使得GNSS三維水道觀測中定位質(zhì)量無法控制。解析GNSS接收機(jī)存儲(chǔ)定位信息的GGA數(shù)據(jù)格式（見表2），可在字段7中獲取水深測量過程中GNSS接收機(jī)的定位質(zhì)量狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)采用GNSS動(dòng)態(tài)測高方法進(jìn)行質(zhì)量控制。

2.3動(dòng)態(tài)測高數(shù)據(jù)濾波

根據(jù)SL 257-2017《水道觀測規(guī)范》附錄A.3.6規(guī)定，GNSS三維水道觀測中GNSS數(shù)據(jù)更新率應(yīng)不小于10Hz，即間隔0.1s存儲(chǔ)一行GGA數(shù)據(jù)，而GNSS三維水道觀測時(shí)所需的動(dòng)態(tài)高為定位與測深同步時(shí)刻的GNSS接收機(jī)天線瞬時(shí)正常高。受水深測量過程中信號(hào)遮擋、干擾等影響，有時(shí)會(huì)存在較大的系統(tǒng)噪聲和量測噪聲，影響GNSS定位質(zhì)量控制，進(jìn)而導(dǎo)致某些測點(diǎn)并未獲取瞬時(shí)正常高，以及導(dǎo)致某些測點(diǎn)附近的動(dòng)態(tài)測高數(shù)據(jù)存在一定數(shù)量的噪點(diǎn)。

因此，通過濾波算法去除動(dòng)態(tài)測高過程中的部分噪點(diǎn)，可保留真實(shí)的GNSS接收機(jī)動(dòng)態(tài)測高變化過程。開發(fā)動(dòng)態(tài)測高數(shù)據(jù)濾波軟件界面見圖2。

3精度分析

評(píng)價(jià)GNSS三維水深測量動(dòng)態(tài)測高的正確性及可靠性，一種有效和直觀的方式是在測區(qū)內(nèi)布設(shè)合適的臨時(shí)潮位站，比較人工觀測進(jìn)行潮位改正后水下測點(diǎn)的水面高與GNSS三維水道觀測動(dòng)態(tài)獲取水面高差值，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

選取荊江河段涴市河彎段作為試驗(yàn)測區(qū)，河段長度約為17.2km，在該河段共布設(shè)20個(gè)臨時(shí)潮位站，按照單波束方法進(jìn)行施測，共計(jì)施測56309個(gè)水深測點(diǎn)。采用潮位站推算的水深測點(diǎn)水面高與GNSS三維水道觀測計(jì)算水面高差值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，詳見表3和圖3。

結(jié)果表明：整個(gè)試驗(yàn)河段，潮位站推算水面高與GNSS三維水道觀測計(jì)算水面高的差值為△，其中-0.1≤△≤0.1的測點(diǎn)占總測點(diǎn)數(shù)的99.6%，大于0.1的占總測點(diǎn)數(shù)的0.4%，完全滿足《水道觀測規(guī)范》附錄A中“互差小于或等于0.10m的點(diǎn)數(shù)占比對(duì)總點(diǎn)數(shù)的80%，互差小于或等于0.20m的點(diǎn)數(shù)占比對(duì)總點(diǎn)數(shù)的95%”的規(guī)定。

4結(jié)語

本文針對(duì)GNSS三維水道觀測技術(shù)中動(dòng)態(tài)測高精度的質(zhì)量控制方法，通過解析GNSS定位質(zhì)量數(shù)據(jù)信息，控制動(dòng)態(tài)測高質(zhì)量，再應(yīng)用數(shù)據(jù)平均誤差閾值法濾波水深測量定標(biāo)時(shí)的漂點(diǎn)及空白點(diǎn)，保留真實(shí)的水面高數(shù)據(jù)。結(jié)合工程實(shí)踐在荊江河段涴市河彎段進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法可滿足GNSS三維水道觀測的規(guī)定要求，可推廣應(yīng)用。

（編輯：李曉濛）