基于RTK 水深測量系統(tǒng)在長江干流的應(yīng)用

孟昌 ,曾柏瑞

（1.長江宜昌航道局，湖北 宜昌 443000；2.長江武漢航道工程局，湖北 武漢 430014）

在長江干流江面上進(jìn)行航道水深測量受到多方面的影響，船舶吃水、波浪、潮汐、大風(fēng)等因素會對測量精度造成影響。常規(guī)的水深測量是某一區(qū)域的深度基準(zhǔn)面上通過換算得到水深數(shù)據(jù)從而為船舶航行提供安全保證。而水下測量與傳統(tǒng)的水面水深測量不同，水下的水深測量由于沒有良好的同時(shí)條件，測量時(shí)候會出現(xiàn)數(shù)據(jù)突變值。通過傳統(tǒng)方法測量出來的水深數(shù)據(jù)精度不高，難以應(yīng)用到需要精準(zhǔn)水深數(shù)據(jù)的領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代測繪技術(shù)的發(fā)展，基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）的空基定位技術(shù)正在逐步成為重要的測量定位技術(shù)。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分（RTK）技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)提供高精度三維坐標(biāo)，從而在水深測量方面應(yīng)用得非常廣泛。RTK 技術(shù)傳輸差分?jǐn)?shù)據(jù)是通過無線電建立起來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)摹鹘y(tǒng)的單機(jī)RTK 測量不僅工作量大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且效率較低。基于網(wǎng)絡(luò)的RTK 的水深測量技術(shù)，不需用水尺觀測水位，可以節(jié)約成本。不受白天晚上因素影響，可24 小時(shí)全天候測量作業(yè)，從而大大提升測量作業(yè)的效率。還能有效地消除波浪上下及船舶吃等因素影響。對水位潮汐變化產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正，從而可以測得實(shí)時(shí)水位。

1 RTK 水深測量技術(shù)

RTK 技術(shù)是實(shí)時(shí)載波相位差分技術(shù)（Real Time Kinematic）的簡稱。常規(guī)RTK 的工作原理是由參考站和流動(dòng)站共同組成的，參考站由一臺固定的接收機(jī)構(gòu)成。流動(dòng)站需要一臺或幾臺進(jìn)行同步觀測。參考站通過數(shù)據(jù)通信鏈實(shí)將差分信息傳輸給在其附近工作的流動(dòng)站用戶。這樣可以有助于流動(dòng)站建立起動(dòng)態(tài)地、較為精準(zhǔn)的點(diǎn)位數(shù)據(jù)坐標(biāo)。常規(guī)RTK 實(shí)時(shí)獲得厘米級精度定位結(jié)果。

常規(guī)RTK技術(shù)雖然能夠?qū)崟r(shí)提供動(dòng)態(tài)高精度定位，但是有兩個(gè)缺陷，即受到距離及傳輸方式的制約，在實(shí)際應(yīng)用過程中受到一些影響。GNSS-RTK 技術(shù)的出現(xiàn)，較好地解決這些問題。應(yīng)運(yùn)而生。GNSS-RTK 是一種高新定位技術(shù)，它隨著信息技術(shù)的提升而不斷完善。它能夠獲取所需定位點(diǎn)的準(zhǔn)確位置、速度和時(shí)間等信息。

網(wǎng)絡(luò)RTK 是能實(shí)時(shí)高精度差分定位技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)RTK 可實(shí)時(shí)得到厘米級的GPS 天線的三維坐標(biāo)，則可直接確定泥面的標(biāo)高而無需驗(yàn)潮數(shù)據(jù)。相較于常規(guī)RTK，網(wǎng)絡(luò)RTK 具有服務(wù)范圍擴(kuò)大、使用方便、可靠性增強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2 水下地形測量系統(tǒng)組成

水下測量與陸地測量原理基本一致，但在實(shí)際作業(yè)過程中有很大不同。水下水深測量不同于陸地上測量是用一臺儀器測量的，水下測量的平面位置和高程位置是用不同的儀器分開測量的。水下測量不同于陸上那樣可以重復(fù)觀測，水下測量的通視條件不好，影響測量，不能像陸地那樣重復(fù)測量。水下地形點(diǎn)高程是通過由水面高程減去相應(yīng)的水深這樣間接的方式獲取的。

航道水深測量系統(tǒng)是一個(gè)集成系統(tǒng)，主要由三大部分構(gòu)成：探頭、處理單元、操作站。還有一些輔助的設(shè)施儀器，主要是用來獲取一些數(shù)據(jù)比如定位數(shù)據(jù)、船體姿態(tài)數(shù)據(jù)、聲速剖面數(shù)據(jù)等。

測深系統(tǒng)主要包括兩個(gè)系統(tǒng)，分別為多波束測深系統(tǒng)和單波束測深系統(tǒng)，多波束測深系統(tǒng)的工作原理跟單波束測深系統(tǒng)一樣，都是利用聲波在水下傳播的特性進(jìn)行測量。水下地形測量系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：GNSS 接收機(jī)、導(dǎo)航軟件、計(jì)算機(jī)、同步定標(biāo)器、導(dǎo)航顯示器和測深儀組成。水下地形測量系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 水下地形測量系統(tǒng)示意圖

PPK 技術(shù)可通過后處理得到厘米級的測點(diǎn)三維坐標(biāo)，高程數(shù)據(jù)一般是 CGCS2000 的大地高數(shù)據(jù)，處理時(shí)需要將大地高程轉(zhuǎn)換至目標(biāo)基準(zhǔn)的高程數(shù)據(jù)，原理如圖2 所示。

水底相對于目標(biāo)基面的高程可表示為：

式中：H 為海底到目標(biāo)基面距離；H水深為經(jīng)過改正過的水深測量值；H大地為該點(diǎn)到水準(zhǔn)面的距離；ξ 為高程異常值。

該測量水深系統(tǒng)最主要的是如何準(zhǔn)確獲得高程的異常數(shù)據(jù)。在大范圍則可以使用區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化進(jìn)行，小范圍的測量中可采用七參數(shù)來進(jìn)行高程轉(zhuǎn)換。

3 水深測量精度影響因素分析

測深設(shè)備、運(yùn)動(dòng)載體、天氣及高程測量等因素均對RTK 水深測量精度有影響。

3.1 測深設(shè)備對水下測量的影響

水下測量系統(tǒng)由多個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。主要有GNSS 接收機(jī)、導(dǎo)航軟件、計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航顯示器、同步定標(biāo)器和測深儀等幾部分組成。RTK 系統(tǒng)結(jié)合測深儀對水下測量的誤差可以分為平面定位誤差、水深測量誤差等兩部分。影響水下測量精度的要素有很多，僅僅考慮這兩類誤差不能全面地反映水下目標(biāo)底物的準(zhǔn)確形狀。如：換能器安裝對測深的影響、聲速對測深的影響、延遲效應(yīng)的影響、高程異常校正的影響等，另外測量船只的船速、船姿、船型以及天氣因素也會對測深產(chǎn)生影響，尤其是在無驗(yàn)潮測量模式下，在理論模型上消除潮汐誤差是可行的，但在實(shí)際中要顧及 GNSS 接收機(jī)和測深儀時(shí)間的同步性。

3.2 運(yùn)動(dòng)載體對水深測量的影響

水深數(shù)據(jù)采集過程中有動(dòng)態(tài)更新、實(shí)時(shí)性等幾個(gè)特點(diǎn)。由于水體與運(yùn)動(dòng)載體是相對運(yùn)動(dòng)，在測量過程中會出現(xiàn)誤差。采用合理的測量步驟建立起來的數(shù)學(xué)模型，其運(yùn)動(dòng)載體對測量的誤差有重要影響。特別是在長江干流流速較大的情況下進(jìn)行水下數(shù)據(jù)采集時(shí)，測量船的測量姿態(tài)、船舶形狀及船舶航行速度等對船體的實(shí)時(shí)測量都有著很重要的影響。

3.2.1 船速測深影響因素分析

通過對長江干流某段水深的實(shí)際測量，通過對實(shí)測數(shù)據(jù)分析得知，測量船的速度對水深測量數(shù)據(jù)影響較大。影響最主要的是當(dāng)船速過快時(shí)候，安裝在船體的測深儀發(fā)出的波束通過江底面出現(xiàn)困難。從而形成所謂的“假水深”。在理論上，航道測量船在進(jìn)行實(shí)際測量作業(yè)時(shí)，船速肯定不是一直保持不變的，存在船體晃動(dòng)、船體吃水、測深延遲等效應(yīng)，船體姿態(tài)以及航線等因素對測量結(jié)果均有影響。

通過對實(shí)際的測量誤差數(shù)據(jù)的分析，測量船速不是對測量水深影響的唯一因素。是多個(gè)方面共同作用下的影響。為了減少其影響，需要在測量過程中提前到達(dá)某一速度，并保持平穩(wěn)，速度偏差控制在0 到0.5 節(jié)。當(dāng)測量船出現(xiàn)偏離原定計(jì)劃航線時(shí)，需要慢慢地改變船體航偏角，應(yīng)當(dāng)使船體的航偏角盡量控制在3°以內(nèi)。

3.2.2 船體姿態(tài)影響因素分析

在江面上進(jìn)行水深測量時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)無法保證測量船舶是在非常平穩(wěn)狀態(tài)下進(jìn)行水深測量數(shù)據(jù)的采集。傳統(tǒng)測量方法在測量船工作時(shí)，會受到風(fēng)浪等因素的影響，船體姿態(tài)的不穩(wěn)會使得船舶發(fā)生橫滾和縱滾兩個(gè)方向的偏差。這些偏差在實(shí)際操作中很難消除，為了獲取更準(zhǔn)確的測量結(jié)果，需要對測量船舶的姿態(tài)進(jìn)行修正和校驗(yàn)。

在長江干流量某段進(jìn)行水深測量時(shí)，采用了JSCORS 技術(shù)對水下地形測量，獲得了較高的精度，該技術(shù)的成熟為解決船體姿態(tài)誤差測定提供了有效的方法。利用GPS 實(shí)時(shí)測定船體姿態(tài)，利用控制中心能實(shí)時(shí)變換換能器的姿態(tài)，這樣能有效消除傳統(tǒng)的測量方法解決不了的船體姿態(tài)誤差問題。長江干流大多有通航航行需求，需要經(jīng)常進(jìn)行水深測量，在測量過程中需要穿過航道、還要兼顧漁網(wǎng)、水下建筑物等，為了提高工作效率，必須要合理選擇合適的船型。

3.3 天氣因素對水深測量的影響

天氣因素是水深測量的重要因素之一。無風(fēng)和微風(fēng)狀態(tài)是最佳的水深測量天氣，但是在大多數(shù)情況下，達(dá)不到這樣條件。長江干流多山區(qū)，天氣復(fù)雜多變，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的測量天氣條件的要求。在船舶在行駛過程當(dāng)中，會受到來自不同方位和不同力度的波浪的影響。為適用波浪影響船體船舶形態(tài)也要不斷地調(diào)整。當(dāng)船舶行駛路線垂直于風(fēng)向時(shí)，施工船舶就會出現(xiàn)稍微的傾斜。這種狀態(tài)下，安裝在船舶上的換能器發(fā)出的波束會發(fā)生變化，將不再垂直于河床方向，就會出現(xiàn)一定的角度。當(dāng)外部測量環(huán)境非常不好時(shí)，測量船當(dāng)受到風(fēng)速和波浪的影響時(shí)，可以采取增加姿態(tài)儀、涌浪補(bǔ)償儀等設(shè)備，使船舶姿態(tài)變化情況得到修正。

4 實(shí)例應(yīng)用

航道的水深測量是水上定位測量和測深兩種作業(yè)方式的組合。目前應(yīng)用比較多的是利用測量船在航道內(nèi)邊航行邊進(jìn)行水深測量，測量船沿著事先規(guī)定好的路線進(jìn)行行駛，在指定的間隔時(shí)間收集水深和位置數(shù)據(jù)信息。本文利用長江宜昌段的水深和定位測量，驗(yàn)證了RTK水深測量方式的可行性與準(zhǔn)確度。

測區(qū)位于長江宜昌段附近，宜昌段位于三峽大壩下游，宜昌至大通主河道長度約1180m，分為砂卵石河段和沙質(zhì)河段兩部分，其中大部分為沙質(zhì)河段。該航道河勢變化受到支流匯入、上游徑流等兩個(gè)方面的影響，有河流流速急，主河床寬而淺的特點(diǎn)。由于該航道存在河床寬淺、潮強(qiáng)流急，漲落潮流路不同等特點(diǎn)，采取傳統(tǒng)水深測量方法精度無法保證，采用RTK 方式作業(yè)方式進(jìn)行長江航道水深測量工作。

利用該方法測得的真實(shí)水深等于實(shí)際測量的原始值減去測時(shí)水深。根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析得知，測量結(jié)果的誤差在相對可控范圍內(nèi)，最大的誤差為0.03m，最小的誤差在0.00m。測量結(jié)果充分說明RTK 水深測量系統(tǒng)能夠降低原始水深測量的誤差，精度高。能滿足水深測量實(shí)際的需要。

5 結(jié)論

本文所開展的基于RTK 水深測量技術(shù)，介紹了對水下地形測量系統(tǒng)組成，分析了水深測量精度影響因素。對測量方法進(jìn)行了精度和穩(wěn)定性測試后，在長江宜昌段進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，動(dòng)態(tài)比測結(jié)果表明，RTK 測量精度較好，平面與三維定位結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差都處于厘米量級。滿足管理部門及相關(guān)規(guī)范的要求，對深水環(huán)境測繪技術(shù)的發(fā)展具有較高的實(shí)用和參考價(jià)值。