２ｏｏ８年１０月 水运工程 Ｐｏｒｔ＆Ｗａｔｅｒｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ０ｃｔ．２０ｏ８ Ｎｏ．１０ ＳｅｒｉａｌＮｏ．４２０ 第ｌＯ期总第４２０期 ＧＰＳ水深测量系统及其平面定位精度分析 吴卫平 （中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海２０００３２） 摘要：结合多个水深测量工程的实践，对ＧＰＳ水深测量系统以及其平面定位精度进行分析，供测量同行参考。 关键词：ＧＰＳ水深测量系统；比对；延时效应；ＤＧＰＳ数据链；精度 中图分类号：Ｐ ２２８．４ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００２－４９７２（２００８）１０—０２７２—０４ ＧＰＳ ｓｏｕｎｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｉｔｓ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｎ ｐｌａｎａｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ＷＵ Ｗｅｉ—ｐｉｎｇ （ＣＣＣＣ Ｔｈｉｒｄ Ｈａｒｂｏｒ Ｃｏｎｓｕｌｔａｎｔｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００３２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＷｉｔＩｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅｓ ｉｎ ｓｅｖｅｒａｌ ｓｏｕｎｄｉｎｇ ｐｒｏｊｅｃｔｓ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ．ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｇｉｖｅｓ ａｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｅ ＧＰＳ ｓｏｕｎｄｉｔｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｉｔｓ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｎ ｐｌａｎａｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ，ｓｅｒｖｉｎｇ ａｓ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｅｒｓｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｎｌｅ ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＧＰＳ ｓｏｕｎｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ；ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ ｅｆｆｅｃｔ；ＤＧＰＳ ｄａｔａ ｌｉｎｋ；ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＧＰＳ水深测量系统是目前水深测量的主要定 第二阶段——２０世纪７０～８０年代，随着经纬 仪及模拟测深仪的普及推广使用，水深测量主要 位手段，它需要的作业人数少，速度快，效率高， 成果稳定。其平面定位精度受各种因素影响较大， 采用３台经纬仪前方交会平面定位，模拟测深仪 同步测深，需要的作业人员ｌ０个左右，平面定位 精度在１ ｍ左右，精度较高，作业距离最远能达 每家单位精度统计的方法也不尽相同。 １传统的水深测量技术 到３ ｋｍ左右，但这种作业模式需要的人员多，对 现场架设仪器及通视情况有较高的要求，工作效 率较低，这种方法现已逐步被（ＧＰｓ＋测深仪）方 法所取代，目前在一些小型的通视情况较好的工 水深测量是测量中的一个重要组成部分，依 测量区域，分为内河水深测量、近海水深测量、 远海水深测量；依用途来分，有航道水深测量、 港口水深测量，疏浚及吹填水深测量等。传统的 工程水深测量技术发展经历了３个阶段： 第一阶段——２Ｏ世纪６０～７０年代。当时的工 程中仍然使用。 第三阶段——２０世纪８Ｏ年代中期一９０年代中 期，微波定位仪的使用为水深测量带来了第１次 技术上的，在一些大型或特大型的工程项目 程规模比较小，受条件，水深测量主要采用 定距绳（或六分仪）平面定位，测深杆（测深锤） 同步测深，需要的作业人员１０～ｌ２名，平面定位 中，以往常规测量手段无法解决的问题迎刃而解， 微波定位仪根据主台（船台）和岸台微波信号应 答，利用双曲线模式，或利用距离一距离交会模 式，应用计算机技术自动快速解算出测点的平面 位置，模拟测深仪同步测深。这种作业模式的特 精度在２～３ ｍ或更差，作业距离短，工作效率较 低。现在，除了在特殊底质的内河疏浚工程中使 用此方法外，已基本不用。 收稿日期：２００８—０８—２６ 作者简介：吴卫平（１９６３一），男，高级工程师，从事工程测量。 第１０期 吴卫平：ＧＰＳ水深测量系统及其平面定位精度分析 ・２７３・ 点是：需要的作业人员少（５个人左右），平面定 的放样原理基本相同，基准站上的设计不变，流 位精度在１～３ ｍ，作业距离一般能达到５０ ｋｍ左 动站由人工跑点改为测量船测点，在流动站上再 右，最长作业距离能达到８０ ｋｍ。但这种作业模 接上一数字测深仪，控制手簿改为一便携式电脑， 式对岸台的架设高度有较高的要求，它是一种距 采用专用的水深导航测量软件控制测线和测点， 离测量，要求船台与岸台之间无障碍物。这种仪 并采集测点的平面坐标和水深数据，在经过内业 器一般多在８０年代中期或更早时投入使用，到目 后处理和水位改正之后输出正式的水深图。整个 前为止大多超过使用期限，随着ＧＰＳ技术的推广 ＧＰＳ ＲＴＫ水上测量系统的组成如图１示。 使用＿Ｊｌ，也已逐步被（ＧＰｓ＋测深仪）方法所取代， 目前基本不用。 ２ ＧＰＳ ＲＴＫ测量技术及水上测量系统［２－３１ ２．１ ＧＰＳ ＲＴＫ测量技术 ＧＰＳ ＲＴＫ测量技术是建立在载波相位观测值 基础上的实时动态定位技术，它能够实时地提供 测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到 Ｉ卜＿ ｉ 厘米级精度。以我单位６５０２ ＧＰＳ机为例：实时 ＲＴＫ平面精度达到１ ｃｍ＋０．５ ｐｐｍ，高程精度 图１ ＧＰＳ ＲＴＫ水上测量系统组成 ２ ｃｍ＋ｌ ｐｐｍ，作业距离达４０ ｋｍ，完全满足工程 在工程实际作业时，可以采用“１个基准站＋ 测量的精度要求。 １个流动站”的模式，也可以采用“１个基准站＋２ ＧＰＳ ＲＴＫ技术系统配置主要包括３个部分： 个流动站”的模式，在某些特大型工程中，可采 １）基准站接收机；２）流动站接收机；３）电台 用“１个基准站＋多个流动站”的模式。对ＧＰＳ （数据链）。基准站接收机设在具有已知坐标的控制 ＲＴＫ水上测量系统的具体应用本文不加赘述。 点上，连续接收ＧＰＳ卫星信号，并将测站的坐标、 观测值、卫星跟踪状态及接收机的工作状态通过数 ３ ＧＰＳ实时动态测量（ＲＴＫ）测点精度检核 据链发送出去，移动站接收机在跟踪ＧＰＳ卫星信 在水上测量系统中，测量基准站与流动站安 号的同时接收来自基准站的数据，通过随机解算软 置好以后，对流动站必须在已知测量控制点上对 件快速求解载波相位整周模糊度，通过相对定位模 动态测量精度进行检核，以检查转换参数计算和 型获取所在点相对于基准点的坐标和精度指标。 参数设置是否正确。 ２．２ ＧＰＳ ＲＴＫ水深测量系统 表１，２为洋山工程部分测量控制点比对情 ＧＰＳ ＲＴＫ技术在水深测量中的应用与在陆域 况。 表１静态测量控制点比对 ・２７４・ 水运表２水准测量控制点比对 可以看出，动态测点平面位置中误差为±３２８ ｃｍ， 高程中误差为±２．１３ｃｍ，精度比较高，但这并不是 水深测量最终的精度指标，水深测量的精度与许 多因素有关。 ４影响Ｇ】Ｐｓ实时动态测量精度的原因 １）系统硬件（ＧＰＳ接收机、数据链与测深仪）； ２）系统软件（系统性延时效应消除）； ３）测量时外部条件（电场、磁场、风、波 浪、水流速度等）。 ４．１系统硬件的影响 不同型号的ＧＰＳ本身接收信号与定位精度有 较大的差别，数据链电台的选择与作业距离也差 异较大，这两个方面直接影响了平面定位的精度； 测深仪的选择也有多种，如模拟的与数字的、国 产的与进口的、单频的与双频的等，直接影响了 测深的精度，应该根据不同的比例尺，水质、水 深条件，作业距离及精度要求，选择不同的硬件 系统。 ４．２系统软件的影响 测深系统软件经过多年的改进后，已逐步趋 于成熟，重点是逐步减弱了系统延时效应的影响， 下面对系统延时效应影响做重点的分析【４Ｊ。 ４．２．１系统延时效应的产生 测深延时效应是测深时刻与定位时刻不同步 所引起的测量误差。定位和测深是否同步有２个 含义：１）发送给ＧＰＳ接收机的定位标记时刻与发 送给测深仪的测深标记时刻（一般以世界标准时 整秒时刻给出）是否同步；２）测深仪本身发射声 波时刻滞后于世界标准时的整秒时刻所引起的测 深点移位效应。 工程 ２００８生 ４．２．２系统延时效应的一般改正方法 在实际作业过程中采用对同一目标的探测＿法 或同一测线探测法，经过多次的比对等计算得出 系统延时△ 或位移偏移量△，在测深软件或水 深后处理上对延时效应进行改正。 ４．２．３系统延时效应的实地调研及改正 ２００１年在洋山工程中，我们以水深变化较大 的多条固定断面为测试断面，经过多次往返测量， 计算相同水深点的往返位置差，统计出未经过系 统延时改正的位置差△最大为６．３ ｍ，最小为４．２ Ｉ１１＇， 平均为５．１ ｍ，假设测量船的航行速度为３ ｍ／ｓ， 系统延时△ ： Ｔ＝５．１ｍ／３（ｍ／ｓ）＝１．７ ｓ 在确定系统延迟后，我们在测深软件中对延 迟引起的误差进行了改正，将改正后的位置与实 时密采的水深数据对应，保证ＧＰＳ位置数据与测 深数据达到较好的同步性。经过改正后的系统再 进行往返测量测试，统计出经过系统延时改正的 位置差△最大为１．１ ｍ，最小为０．４ ｍ，平均为 ０．７２ ｍ，系统延时大大减弱，提高了测深点位置 的精度。另外，在实际的作业中，要求测量船最 好保持一种匀速直线的状态，才能保证延时改正 的准确可靠。船速一般小于３ ｒｉｄｓ。 ４．３测量时外部条件的影响 在实际作业时，外部条件对测深系统的影响 也非常大。比如基准站或流动站受电场或磁场的 干扰，某些时段ＧＰＳ接收卫星信号不易锁定等， 在安排工作时应尽量避开这些干扰。 另外，风、波浪影响也比较大，一般风力大 于５级，沿海波高大于０．６ ｍ，内河波高大于０．４ ｍ 时，测量外业就必须停止。 测深杆在安装时要保证与水面垂直，电台发 射天线与接收天线要有一定的高度。 ５ ＧＰＳ实时动态水上测量精度评估 ＤＧＰＳ数据链技术首先在１：１０ ０００，１：５ ０００ 小比例尺水深测量中进行尝试使用，定位平面精 度经多项评估后认为可达到３～５ ｍ的精度，随着 ＧＰＳ技术的发展，特别是ＧＰＳ ＲＴＫ技术的发展以 及数字测深仪、水深测量软件的进一步完善，这 第１０期 吴卫平：ＧＰＳ水深测量系统及其平面定位精度分析 ・２７５・ 种技术已在１：２ ０００，１：１ ０００水深测量中被多家 所采用。在今后的使用过程中要进一步进行试验 单位采用１５ｑ５１。经过上百个工程测量的实践，经过 反复与常规测量手段比较，以及对某一区域或某 一和探索，使该项技术不断成熟和完善。 参考文献： 【ｌ】徐绍铨．张华海．ＣＰＳ测量原理及应用【Ｍ】．武汉：武汉 大学出版社 ２００３． 固定断面的反复测量表明，经延时改正等后处 理后其平面定位精度已控制在１．５ ＩＴＩ之内。在高程 方面，为保证精度和可靠性，目前大多数仍采用 成熟的验潮测量和潮位改正。无验潮测深在部分 【２】王同样．ＧＰＳ ＲＴＫ技术存工程测量中的应用ｆＪ］．四川测 工程中也已进行了尝试，但需进一步完善。 绘，２００１（４）：１６６—１６７． 【３］刘雁春．海洋测深空问结构及其数据处理【Ｍ】．北京：测绘 出版社 ２００２． ６结语 【４】刘雁春．陈永奇．海道测量定位与测深的延时效应『Ｊ］ ．随着ＧＰＳ水上测量技术的迅猛发展， “ＧＰＳ＋ 海洋测绘，１９９９（１）：２７—３４． 测深仪”的作业方法已基本取代了传统的水深测 ［５１王真祥，胡国栋．ＤＧＰＳ ＲＴＫ技术在无验潮水下地形测 量技术，其优势也更加明显，它需要的作业人员 量中的应用初探【Ｊ】＿海洋技术，２００１，２Ｏ（２）：４７—５０． 少，效率高，成果稳定，其定位精度完全满足 【６】张军．ＧＰＳ ＲＴＫ技术在航道测量巾的应用［Ｊ】’东北测绘， １：１ ０００，１：２ ０００等大比例尺的精度要求，已成为 ２００２，２５（１）：４０－４１． 目前水上测量的主要手段，被多家水上测量单位 （本文编辑郭雪珍） ＋一＋一—・卜一—十一—＋一—－＋一一—＋一一— 一一－－｝一—・卜一＋一＋一＋一＋一＋一＋－＋一＋一＋－＋一＋一＋一＋一＋一＋一十一—ｕ＋一－￣４＂－一＋一＋ －ｔ－．．＋一－４＂－－＋一＋－＋－＋－－ｔ－－－４－－＋－＋－－４－－一－４－－—＋一一＋－－－Ｈ （上接第２６３页） ７结语 将不断完善，最终在收获社会经济效益的同时也 环境保护关系到我国现代化建设的全局和长 成为环境保护的典范。 远发展，是造福当代、惠及子孙的事业，这与长 江口工程的意义相同，目前我国提出树立科学发 参考文献 展观、构建社会主义和谐社会的重要思想，但要 ｆ１】范期锦．创意——长江口深水航道治理工程成功之源 真正落实还有一段艰辛的路要走。长江口工程的 ［Ｒ】．上海：长江口航道管理局，２００５． 环境保护监理工作尽管还处在发展阶段，离成熟 Ｉ２２Ｊ 戴明新．水运工程施工环境保护监理教材【Ｍ］．北京：人 还有一段距离，但不可否认的是建设者的那份环 民交通出版社，２００６． 保意识，在现在看来弥足珍贵，随着工程的进展， （本文编辑武亚庆）
