差分GPS的测量精度及其在水下测量中的应用

□古小健（广东省水利电力勘测设计研究院）

0 前言

全球定位系统（GPS）自问世以来，就在各种测量工作中得到了广泛的应用和研究。将GPS定时定位技术中的RTK技术和RTD技术应用到水下测量工作中，可以从根本上改变水下地形的测量方法，从以往的传统模式进化到现在的全自动模式，使水下测量工作中获得的数据能够更精确、更快速、更加智能化。新的水下测量模式与以往相比，在水下进行测量工作时不再受恶劣天气和通视条件的限制，可以大幅度的提高水下测量的工作效率和测量精度。

1 差分GPS测量技术的原理

差分GPS就是首先利用已经知道的精确三维坐标的差分GPS基准台，求得伪距的修正量或者位置修正量，再将整个修正量实时或者事后发送给用户（GPS导航仪），对用户的测量数据进行修正，提高GPS定位的精度，是在正常的GPS外附加修正信号，通过改正信号改善GPS的精度。差分GPS测量则是使用两台以上的接收机对卫星进行同步观测，这种观测方式可以消除或者减弱定位过程中的某些误差影响，例如卫星钟误差、接收机钟误差等等。差分GPS定位可以分为3类，即位置差分、伪距差分、相位差分3种。

位置差分是一种最简单的差分方法，任何一种GPS接收机均可以改装和组成这种差分系统。安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可以进行三维定位，解算出基准站的坐标，由于存在着轨道差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差，结算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的，存在误差。基准站利用数据链将此改正系数发送出去，由用户站接受，并且对其解算的用户坐标进行改正。最后得到的改正后的用户坐标已经消去了基准站和用户站的共同误差，例如卫星轨道误差、大气影响等，提高了定位精度。位置差分法适用于用户和基准站间隔距离在100 km以内的情况。

伪距差分是目前用途最广的一种技术，几乎所用的商用差分GPS接收机均采用这种技术。伪距差分是在基准站的接收机要求得它至可见卫星的距离，并为此计算出的距离与含有误差的测量结果加以比较，利用一个滤波器将此差值滤波并求出其偏差。然后将所有卫星的测距误差传送给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距。最后，用户利用改正后的伪距解出本身的位置，就可消去公共误差，提高定位精度。

载波相位差分是由测地型接收机利用GPS卫星载波相位进行的静态基线测量获得了很高的精度，但为了可靠的解出相位模糊度，要求精致观测一两个小时或者更长时间，这样就限制了在工程作业中的应用。探求快速测量的方法由此运用而生，例如采用模糊度快速逼近技术使基线观测时间缩短到5分钟，采用准动态，往返重复设站和动态来提高GPS作业效率。这些技术的运用对于推动精度GPS测量起到了积极的促进作用，但是上述作业方式都是事后进行数据处理，不能实时提交成果和实时评定成果质量，很难避免出现事后检查不合格造成的返工现象。

2 差分GPS测量精度在水下测量中的应用

差分GPS系统的发展给水下测量的平面定位带来了极大的便利，根据水下测量工作所需要的精度不同，可以选择不同的差分定位方式，目前常用的RTK模式、CORS差分模式、星站差分模式和信标差分模式等等。

2.1 RTK模式

RTK作业使用的仪器为高精度的RTK型GPS接收机，一般是通过在已知点上自建基站，通过无线电台传送差分信号来实现对目标区域的测量，其测量精度相对于起算点可以达到厘米级别（需要锁定固定解，并静止几秒钟），因此应用十分广泛。通常在进行水下测量工作中，至少要求2人看水位做验潮工作，而且侧水工作还常常受波浪、船型姿态等影响，采用RTK技术进行水下测量，可以利用其三维定位速度快、精度高的特点，施行无验潮侧水下测量工作，受波浪的影响较小，既节省了人力，又提高了测量的精度。RTK技术进行水下测量作业有着极高的精度，观测速度较快，可以全天候、高效率、实时性的进行大规模的水下地形测量，而且RTK测量整个作业过程由电脑控制，自动记录、自动数据预处理、自动评查计算，操作简单自动化程度高，可以大大的缩短水下测量的工作时间，提高水下测量工作的成果质量。

2.2 CORS差分模式

CORS系统是由多基站网络RTK技术建立的连续运行参考站系统，它可以为水下测量工作提供网络覆盖范围内的实时差分服务。即只要在基站的覆盖范围内，CORS可以通过使用大面积的局域网或者无线通信网络来完成定时定位的探测工作，并且及时将数据采集、分析、处理、传输到基站终端上。CORS系统一般为收费服务，例如上海的VRS系统。在水下测量中应用的优点是信号覆盖质量较好，覆盖范围较大，一般的RTK型GPS接收机都可以使用，但成本较高，比较适合小面积内短时间的水下测量作业，或者离水岸不远、不方便自设基站的情况下使用。

2.3 星站差分模式

星站差分GPS系统可以为全球用户提供高精度实时差分定位服务，也称为RTG，属于广域差分GPS的范畴。星站差分由提供差分服务的卫星直接向GPS接收机发送差分信号，不需要用户再建立基站，能够在卫星覆盖范围内的任何地方得到实时差分的数据，因此对GPS接收机的门槛要求较高，需要GPS接收机具备接受差分卫星服务的功能。星站差分系统在水下测量工作中的优势有很多，例如它可以一机多用，技术领先，星站差分模式通常是单机工作，有标准的数据接口和丰富的扩展功能，具备RTK、静态后处理、动态后处理多种工作模式；高效、便捷，可靠性高，星站差分模式高度集成，只需要一个人作业，省去了基站的建设和维护时间，单机操作提高了作业效率，并且出现故障的可能性也大大降低，并且接收机不需要配备较大的蓄电池，一块8hA的电源接收机可以支持测量工作连续工作10小时左右，给外业测量减轻了很大的负担，大量节省了水下测量工作耗费的人力物力、费用和时间。

2.4 信标差分模式

信标差分GPS技术是一种利用现有的海用无线电信电台，在其所发射的信号中加上一个副载波调制，以发射差分修正信号，提供导航服务。一般信标差分模式的精度可以达到亚米级，信标台站就相当于GPS的基准台，拥有自己的频率，发射功率强大，信号覆盖面较为广泛，一般在以信标台站为中心半径300km的范围内进行测量作业，由于信标差分模式的导航型GPS接收机价格低，信号较为稳定，是目前最方便廉价、在水下测量中应用最广泛的差分定位模式。在既需要GPS差分定位系统，又要节省设备投入的情况下，信标差分是进行水下测量工作最好的选择。相对于其他自主差分模式而言，信标差分减少了诸多GPS用户自建数据链造成的相互干扰，缓解了电磁波使用频段过于混乱的局面；信标差分模式不需要人员去建设基站，直接由接收机接受公共差分数据信息，操纵简单、直观，适合各个层次的工作人员共同使用。

3 结语

将差分GPS技术应用在水下测量作业中，根据情况选择不同的差分测量模式，可以大幅度减轻测量工作人员的劳动强度，充分发挥其实时实地的高精度定位优势。差分GPS在水下测量的应用方法中，RTK差分、CORS差分和星站差分三种模式精度较高，覆盖范围内的信号和精度稳定，但都有各自的限制条件，RTK需要自建基站，CORS会收取一定的网络通信费用，星站差分则需要一台可以满足接受卫星信号要求的GPS接收机，信标差分虽然仪器价格低廉，信号免费，但水下测量工作受到信标台站的距离约束，离信标台站越远则测量精度越差，因此在实际的水下测量工作中，应该根据实际的情况需要，选择适用的差分模式进行水下测量工作。

[1]许捍卫，何江，杨艳飞.星站差分GPS在水下地形测量中的应用[J].水利水电科技进展，2008，28（2）：75-83.

[2]李伟.关于水利工程基础地理测量GPS技术探讨[J].黑龙江科技信息，2013（34）：189.

[3]王坤，许开勇.星站差分GPS在长江三峡库区水下地形测量中的应用[J].科技资讯，2014（15）：33.

[4]俞永军.GPSRTK在水下地形测量中影响质量的因素及应对措施[J].浙江水利水电专科学校学报，2007（4）：68-77.