沿海遠距離施工實時水位控制測量方法

李 煒

(中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290)

沿海遠距離航道疏浚工程施工區域因離海岸較遠，潮位站稀少且超出岸邊潮位站有效控制范圍，無法通過常規方法獲得有效的潮位觀測值，而傳統依托岸站的解決方案已不能滿足遠距離疏浚區域的潮位實時控制需求。RTK(real time kinematic)測量水位因通訊距離受限，無法適用于遠距離實時水位控制[1-3]；在海上設立臨時水位站(修建驗潮站、拋壓力式驗潮儀)、精密單點定位技術PPP(precise point positioning)或讓載波相位后處理技術PPK(post processing kinematic)須事后數據處理才能獲取水位數據，適用于水深測量中的水位觀測，卻無法滿足施工實時水位的需求[4]；基于余水位訂正的潮位推算需要海上定點水位站30 d以上的歷史水位數據[5]，投入時間長、成本高、計算復雜。為此，筆者對航道疏浚遠距離施工實時水位控制測量的方法進行研究。

1 沿海遠距離施工實時水位控制測量方法工作原理

1.1 星站差分技術

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3種，分別是Navcom公司的StarFireTM系統、Fugro公司的OminiSTAR系統以及Subcea7公司的Veripos系統[6]。本文以“中國精度”為代表進行說明。

“中國精度”是我國第一個全球星基增強服務系統，于2015年6月15日正式在全球發布并提供服務(圖1)。它使GNSS用戶在無須架設基站的情況下，在全球任意地點任意時刻獲得基于WGS84橢球的厘米級的高精度定位增強服務。

圖1 星站差分“中國精度”工作原理

1.2 EGM 2008地球重力場模型

EGM 2008是美國國家地理空間情報局開放的全球超高階地球重力場模型。任意地面點的高程異常均可以由地球重力場模型求出，利用精密的地球重力場模型能以較高的精度將GNSS技術測定的大地高采用某種函數模型或方法對剩余殘差進行擬合，進而求得正常高或高差。章傳銀等[7]的研究成果表明，EGM2008 模型的高程異常全球精度為13 cm，在我國大陸總體精度為20 cm，華東、華中地區為12 cm，華北地區為9 cm，西部地區為24 cm。

1.3 遠距離實時水位觀測原理

圖2顯示實時水位觀測原理。安裝在施工船舶的星站差分GPS實時獲取基于WGS84的高精度大地高，通過EGM 2008模型精確計算船舶位置的高程異常值，進而計算獲得星站差分GPS接收機位置的正常高；實時獲取船舶吸口深度傳感器數據，換算星站差分GPS接收機到水面的距離，計算出水面高程：

T=H-(A-B)-(N-K)

(1)

其中：T為水位；H為星站差分GPS接收機的大地高；A為星站差分GPS接收機到船舶吸口傳感器的垂直距離，為固定值，可從船舶尺寸圖中查閱獲得；B為船舶吸口傳感器到水面的深度，由吸口深度傳感器測定；N為參考橢球面到似大地水準面的距離，通過EGM 2008計算獲得；K為似大地水準面到海圖基準面的距離。

圖2 實時水位觀測原理

2 沿海遠距離施工實時水位控制測量方法的應用

連云港港30萬噸級航道二期工程航道疏浚施工項目LYG-302-H1.3標段，施工區航道區段近端離岸約25 km，遠端離岸約52 km。項目投入的施工船舶為大型自航耙吸式挖泥船，破土能力強、施工效率高，實時獲取準確的水位數據指導船舶施工尤為重要。若耙吸式挖泥船無法準確得知基于深度基準面的下耙深度，將直接導致壟溝出現和超挖產生施工廢方，既影響疏浚施工質量又減少經濟效益。而現有水位控制方法存在兩類問題：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傳輸到施工船舶。但遠距離施工實時水位控制測量方法，不僅可以準確測量施工船舶所在位置的實時水位，而且可以自動傳輸至DTPM(船舶施工導航系統)，且已成功應用于連云港港施工的3條“浚海”系列萬方耙吸船。

2.1 安裝

耙吸船挖深控制原理：耙頭實時開挖深度=泥泵吸口深度+耙頭至泥泵吸口的垂直距離-實時水位。為減小實時水位測量誤差，選擇在耙吸船泥泵吸口附近安裝星站差分接收機。該位置距離施工導航系統電腦(位于船舶駕駛室)約100 m，采用網線電源一體線，網線作為RS232串口數據傳輸電纜，電源線作為星站差分接收機供電線。

2.2 數據采集與處理

通過編程，從串口實時獲取星站差分GGA數據并進行坐標轉換，根據實時解算的船舶位置進行高程異常改正；同時，軟件通過網絡自動獲取船舶吸口深度傳感器值。數據采集與處理流程見圖3。高程異常改正可以通過布爾莎模型坐標轉換或預定義高程異常模型，而預定義高程異常模型可以采用編譯好的可執行程序Altrans EGM2008 Calculator進行計算[8]。因我國法定高程系統為正常高，與EGM2008重力場模型存在系統偏差，所以須通過已知控制點(包括大地高及正常高)修正。

圖3 數據采集與處理流程

3 沿海遠距離施工實時水位控制測量方法精度分析

精度分析分為星站差分接收機高程精度分析和實時水位精度分析。星站差分接收機選用UniString G10A，實時水位精度分析選用在連云港港施工的耙吸船“浚海5”。

3.1 星站差分接收機高程精度分析

為了檢驗星站差分接收機高程測量精度，2019年5月7—8日進行了24 h數據采集，采樣頻率為1 Hz，共87 452條記錄。本次試驗將星站差分接收機安置在已知控制點上，計算實測高程與已知高程(大地高)的差值，對差值進行分析統計，結果見表1。差值最大值為0.181 m，最小值為-0.209 m，平均值為0.013 m，中誤差為0.067 m，小于±0.10 m的占83.88%，小于±0.15 m的占98.26%，小于±0.20 m的占99.99%。

表1 星站差分高程差值分析

為提高星站差分接收機高程測量精度，對實測高程進行移動平均濾波，按60個數據(1 min)進行濾波。將經濾波后的實測高程與已知高程(大地高)進行差值分析統計，結果見表2。差值最大值為0.154 m，最小值為-0.187 m，平均值為0.013 m，中誤差為0.066 m，小于±0.10 m的占84.61%，小于±0.15 m的占99.00%，小于±0.20 m的占100.00%。測試結果表明，“中國精度”完全滿足其標稱的高程精度10～15 cm。

表2 星站差分高程差值濾波分析

3.2 實時水位精度分析

為了檢驗遠距離施工實時水位控制測量精度，于2019年2月10日、2019年2月16日和2019年2月22日進行數據采集，包括PPK潮位和施工船舶實時水位，其變化曲線見圖4。

圖4 實時水位與PPK潮位比較

部分連續時段差值明顯偏大(大于0.5 m)，其余時段施工實時水位與PPK測量水位的變化趨勢基本一致，各時間點的數據基本重合。經分析，施工實時水位與PPK測量水位存在明顯差異的時間段(2019-02-16T15:10—16:50與2019-02-22T12:00—12:40)，“浚海5”船舶往返傾廢區進行拋泥作業時，航速10 kn以上，吸口深度傳感器采用側裝測量管連接，測量的壓力值變化不能準確反映水面變化，施工實時水位誤差較大。

在分析實時水位與PPK潮位之間的差值變化的基礎上，統計分析水位差值(不考慮船舶拋泥作業)，見表3。差值最大不超過0.28 m，最小不低于-0.24 m，中誤差最大為0.142 m，平均差值最大為0.078 m，差值小于0.10 m的占81.25%，差值小于0.20 m的占95.83%，差值小于0.30 m的占100.00%。可見，實時水位精度滿足現行《水運工程測量規范》中水位觀測要求：推算訂正水位與歷史觀測水位之差80%不大于0.10 m，95%不大于0.20 m，100%不大于0.30 m；沿海遠距離施工實時水位控制測量方法可行。

表3 實時水位與PPK潮位的偏差

4 結語

1)星站差分測量技術無須架設基準站，高程測量中誤差優于10 cm，最大偏差小于20 cm；通過移動平均濾波可以顯著提高星站差分高程測量精度，但實時水位控制測量中不能無限增大濾波采樣個數；星站差分測量技術成功應用于施工水位控制測量。

2)船舶挖泥施工時航速2～3 kn，施工實時水位測量中誤差優于15 cm，最大偏差小于30 cm，滿足現行《水運工程測量規范》和疏浚施工要求。

3)遠距離施工實時水位控制測量方法未考慮和消除船舶姿態引起的誤差。在船舶裝載不平衡引起姿態變化星站差分接收機安裝高度距離吸口16 m，水位誤差約0.24 m。

4)遠距離施工實時水位控制測量方法解決了遠距離施工實時準確獲取水位的難題。研究成果不僅適用于沿海遠距離施工實時水位控制，而且適用于近海、沿海及遠海施工實時水位控制；不僅適用于自航耙吸式挖泥船施工實時水位控制，而且適用于各類施工船舶施工實時水位控制。研究成果為航道疏浚施工遠距離實時水位控制提供了一種經濟、有效的方法，該技術經濟效益和社會效益顯著，具有較好的應用前景。