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摘要：本文介绍了GPS RTK与GPS PPK在无验潮水深测量中的测量原理，简述了两种方法分别在水深测量中的潮位控制情况，讨论了将两技术联合应用于远海水深测量中的潮位控制的可行性，并通过工程实例进行了精度分析。结果表明两种技术可以实现互补，提高测量效率，弥补了传统验潮方法对于长距离潮位控制上的缺陷。
关键词：RTK；PPK动态后处理；无验潮水深测量；精度
1 引言
水深测量时，潮位的控制起着至关重要的作用。在以往的远海航道测量中多采用在岸边设立验潮站进行人工验潮，根据观测比较拟合潮位模型推算得出远海的潮位及其变化，或者在测区附近临时抛投压力式验潮仪，再进行内插计算。这种传统的验潮办法不但繁琐复杂，而且在一些潮位变化不规律的水域无法准确的反应出实时的潮位变化，远海测区抛投验潮仪也常常遇到很多困难，而且因其容易丢失或移位而造成数据的资料的不准确性。
本文根据以上问题，就近年来GPS RTK与GPS PPK在水深测量中的应用情况提出一种新的潮位测量方法。
2 GPS RTK潮位测量
2.1 GPS RTK工作原理
GPS RTK（Real Time Kinenatic）是利用载波相位观测测量差分为根据的实现快速高精度定位技术。通过架设基准站，并用电台实时传输数据给流动站，能够实时迅捷的解算出待测点的三维坐标，精度达到厘米级，有效距离可达15KM。它的工作原理是，基准站连续接收所有可视GPS卫星讯息，并通过电台将其接收的基准站WGS-84坐标、观测值、卫星的跟踪状态发送给流动站；流动站在于基准站同时接收至少4颗以上卫星信号的同时接收基准站发送的无线电信号，通过解算载波相位整周模糊度，并根据相对定位原理，实时获得流动站点的三维坐标。
2.2 GPS RTK潮位测量
RTK应用到水深测量导航中即RTK三维水深测量时，是利用RTK测定测深仪换能器底的高程和测深仪测得的水深，来获得海底高程的。RTK定位具有实时性，可以获得每个历元的高精度三维解，又可以清楚测量船的动吃水、涌浪等方面的影响，很适合实时潮位测量。但不足的是GPS RTK测量的作用距离受无线数据传输的影响，一般作用距离只能达到20km，而且高程测量精度随着距离的增加而降低，对于超长航道测量的潮位控制难以胜任。
3 GPS PPK潮位测量
3.1 GPS PPK工作原理
PPK技术（post processing kinetic）动态后处理技术，是利用载波相位进行事后差分的GPS定位技术。PPK的工作原理是：利用进行同步观测的一台基准站接收机和至少一台流动接收机对卫星的载波相位观测量；事后在计算机中利用GPS处理软件进行线性组合，形成虚拟的载波相位观测量值，确定接收机之间厘米级的相对位置；然后进行坐标转换得到流动站在地方坐标系中的坐标。
3.2 GPS PPK较GPS RTK在远距离潮位控制中的优势
GPS PPK技术是动态测量后处理模式（又称为半动态或准动态相对定位模式），它与RTK技术的主要区别在于：在基准站和流动站之间，不需建立实时的数据传输，只需同时进行数据采集后进行测后的联合处理，通过基线解算精确的求得流动站在对应时间上的三维坐标，精度同样可达厘米级。因不需建立数据传输而避免了距离上的限制，较RTK有明显的作业半径大的特点，基本可以控制50km-80km的距离。双频GPS在PPK作业模式下，其平面定位精度可达±10mm+1ppm×D，高程定位精度可达±10mm+1ppm×D，D为基线长度。当D在80km范围内时，平面和高程定位精度均不超过±10cm，可以满足水深测量中潮位控制的精度要求。
4 GPS RTK与GPS PPK联合应用方法的确定
两种技术都有精度高，作业模式相同，并在作业前需初始化的共同点。PPK的初始化时间较长，在有6颗以上卫星的情况下约需要8min，而RTK最小初始化时间约为10秒；RTK技术需要电台传输实时数据，并可实时求得待测点的三维数据，PPK无需电台的支持却无法实时反应测点坐标以及精度情况，需要进行后处理才可完成。
综上分析，在长距离无验潮水深测量中采用两种方法相结合的办法施测必能起到更有效、更便捷的作用。
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5 工程实例
5.1 工程背景
辽东湾某港区航道长约43公里，港区附近无太高的建筑物，现航道进行拓宽挖深工程，在工程期间要求我部进行全程的水深监测。测量坐标系为1954北京坐标系，高程基准为当地理论深度基准面。为有效控制整个航道的潮位变化，我们考虑采用GPS RTK与GPS PPK联合作业的方法完成该项目。
5.2 影响GPS潮位测量的几点因素
我们知道无论是RTK或是PPK技术测量所得的都是测点的实时高程，要将此高程转化为潮位受以下几项因素影响。
5.2.1 船舶的姿态改正
测量船舶在航行时，由于风浪的影响会产生横摇和纵摇以及船体的上下起伏变化。为了获得瞬时海面高程必须首先进行船舶的姿态改正。
5.2.2 船舶动态吃水改正
船舶在行进过程中其吃水会随着行进速度的变化而发生变化，即动态吃水。因动态吃水发生在垂直方向上，对高程有较大的影响。动态吃水与船舶的速度、船型等因素有关，可以通过霍密尔动态吃水经验模型确定，消除动态吃水对瞬时潮位的影响。
5.2.3 涌浪因素的影响
因GPS所得高程为瞬时高程，其受瞬时潮位和瞬时涌浪综合的作用所影响，故想得到瞬时潮位首先要消除瞬时涌浪的影响。潮位变化为长波周期，周期约为几个小时；而涌浪变化为短波周期，周期约10-60s，采用低通滤波器对综合信号中的中长周期项进行提取，就可消除涌浪影响。
5.3 潮位控制实施
5.3.1 内业准备
RTK与PPK的测前准备工作基本相同。首先利用测区四周的控制点（4个以上为最佳）求得该测区的转换参数（WGS-84坐标系转到1954北京坐标系）。确定参数后，通过多种点的匹配方案，校准转换参数的正确性，确定参数准确后，将参数输入观测手薄中，这样就完成了内业准备工作。
5.3.2 外业准备
首先在确定的已知控制点上架设基准站，准确量取天线高度，启动并配置基准站和流动站，利用RTK模式到附近（不超过10km）已知控制点进行比测，进一步校准转换参数。
5.3.3 外业施测
在预测航道进行施测。GPS天线固定在船舱上方开阔区域，有利于接收卫星信号同时避免了多路径效应对海上GPS测量的影响。基准站与流动站的接收数据间隔设置相同可均设为5s。利用全站仪精确测量船上GPS天线在船体坐标系下的坐标。姿态传感器安置在近乎船舱的中心位置，该位置最为接近测量船舶的重心。传感器的采样率设置为1Hz。其姿态参数通过软件自动采集和存储。
施测过程中同时记录码头验潮站水位数据。航道分两段施测，15km以内分别利用RTK和PPK技术采集数据；15km以外只应用PPK技术进行外业采集，整个测量期间，PPK均实现了连续跟踪，整周模糊度固定，保持了数据的连续性。外业结束后再次用全站仪测量船上GPS天线在船体坐标系下的坐标，以确保数据的准确。
6 精度分析
从外业测量数据的瞬时海面高程中反算出瞬时潮位，并与验潮站潮位模型模拟的航道上潮位进行比较分析。两者之间最大潮位偏差为6.5cm，最小偏差为0.8cm。这表明在利用GPS进行潮位观测时其精度满足规范要求。
7 结语
利用GPS RTK与GPS PPK技术进行无验潮水深测量，潮位控制效果显著，精度较高（可达到厘米级），各项技术指标均满足相关规范的标准要求。总所周知，RTK的作业效率很高，但是距离的影响使其的作业半径较短，而PPK技术基本不受基准站和流动站之间距离的限制，作业半径大，方式灵活，效率高，可有效的弥补RTK的缺点不足。而在短距离范围内，RTK可以实时反应测点三维坐标的优点尤为明显。两者联合使用正是相得益彰，能够更好的提高工作效率和质量。
参考文献：
[1]董江，王胜平.GPS PPK远距离在航潮位测量及其在航道的实现[J].测绘通报，2008（5）：51-53.
[2]欧阳永忠，陆秀平，孙纪章，等.GPS测高技术在无验潮水深测量中的应用[J].海洋测绘，2005，25（1）：6-9.
论文作者:李征华1,李建委2
论文发表刊物:《基层建设》2015年12期
论文发表时间:2016/11/17
标签：潮位论文; 测量论文; 高程论文; 基准论文; 精度论文; 水深论文; 吃水论文; 《基层建设》2015年12期论文;