GPS-RTK技术在水下测量中应用原理及误差研究

余春梅

( 惠州市水利水电工程质量检测站，广东 惠州 516001)



GPS-RTK技术在水下测量中应用原理及误差研究

余春梅

( 惠州市水利水电工程质量检测站，广东 惠州 516001)

摘要：水下测量是水下工程作业的基础工作，它对工程的进度、质量及安全性十分关键。首先，对GPS-RTK技术在水下测量中应用原理进行了阐述，对地下高程的计算公式进行了图例说明。接着，对GPS-RTK技术在水下测量中误差的影响因素从传输时间延迟、水面变化、声速剖面、潮位周期以及高程异常等方面进行了分析。最后，对如何有效控制GPS-RTK水下测量误差进行来探讨，认为可以从设置水文观测站扩大水文数据的截面、控制时间延迟导致的测量误差、消除波浪对平面数据造成的误差以及消除波浪对L数据的影响等方面进行思考。

关键词：水下工程；水下测量；GPS-RTK技术；测量优化；测量误差

随着人类工程技术的不断发展，水下测量的难度越来越小；在水下工程测量实践中，相关的测量理论和测量技术也不断得以改进，其中，较为成熟的就包括GPS-RTK技术。事实上，GPS-RTK技术是计算技术、数字化技术、测绘技术以及自动化技术综合产生的结果，它能够被用来对水下的地形、高程等进行实时测量并传输回地面控制中心。接下来，本文将对水下测量中GPS-RTK技术的原理进行分析，并对测量中误差的形成因素、误差的控制措施进行研究[1]。在此，笔者希望相关分析和研究能够对改进GPS-RTK技术，并促进该技术在水下测量中更加成熟地运用有积极作用。

1水下测量中GPS-RTK技术的基本原理

为了对水下地形以及高程等参数进行测量，GPS-RTK技术充分运用了高精度的测探仪以及RTK三维坐标，它能够将水下测得数据实时传回控制中心[2]。如图1所示，如果将测量仪器放置在船舶中，并记船舶的静态吃水深度为d，水面与RTK坐标天线的垂直距离为L，水面与当地基准面之间的垂直深度为T，RTK天线与WGS参考椭球面的垂直距离为H，WGS参考椭球面与当地基准面之间的距离为§，船底换能器至海底泥面之间的距离为S，当地基准面至海底泥面之间的距离为h。

图1　GPS-RTK三维水下地形测量的基本原理图

计算公式为：

H85=H-§，h=S+d+L-H85

(1)

式中：h为反映水下地形的指标；S可以被测探仪器实时获取；(d+L)可以由钢卷尺丈量获取，它是一个固定值；H85为85高程，它是RTK实时获取。

2GPS-RTK技术在水下测量中误差的影响因素

尽管GPS-RTK技术已经比较成熟，然而在水下测量中的精度仍然存在一定误差。导致测量误差产生的原因包括设备精度、作业环境以及测量人员业务水平等。

2.1水面变化影响到钢尺测量的精确性

在进行水下测量作业时，风的大小难以被控制，会导致水面呈现波动状态，这就导致难以确定一个精确的静态水面。此时，用钢尺测量所获取的船舶吃水深度、RTK到水面的距离等指标数据精确度就会受到影响。

2.2传输时间延迟产生定位误差

在水下测量时，船舶不可能处于绝对静止状态，这就导致RTK输出的数据在传回控制中心时与初始定位存在误差。假设RTK以10 组/s的频率发出坐标，而船舶的航速为5kn，坐标数据传回存在的延迟时间为0.1 s，那么会发生的定位误差为0.257 m，这就不难理解为什么会产生测量误差了。

2.3操作不规范所造成的误差

在使用GPS-RTK技术进行水下测量时，需要严格同步所有设备的时间。然而，由于操作不规范的原因，如果GPS-RTK与计算机时间没有同步，而又选择采用UTC时间，那么定位坐标、GGA、测探数据等在计算机中被处理时将按照UTC时间操作。如此一来，在UTC时间与电脑时间存在差异的情形将导致三位信息混乱，从而使得测量数据不可靠[3]。

2.4声速剖面引起的误差

声音在水中的传播速度不是恒定的，它会受到水质、含盐量、水深、温度以及硬度的影响。尤其对于时间跨度长、水面跨度大的水下工程，季节变化以及水下基槽的变化也会引起声速的变化。假设ODOM测探仪器发射时的声速为1 500 m/s，发射频率为1～20 次/s，水深度为40m，一个地形回报信号的时间为0.053s；如果在其他参数不变的情况下，水温变化导致声速变化为1 510 m/s，那么距离测量结果将会发生0.53 m的误差。

2.5潮位周期引起的误差

在水下测量作业的过程中，船舶总是会受到水波浪的影响。尤其是在测量船长度及宽度较小时，波浪波长对船舶对影响更大。此时，船舶静态水面到当地基准面之间的距离T就会受到较大的影响。随着波浪影响的持续，这种影响会被累积起来，从而影响到地形数据h的精确性，所测得的水下地形三维数据也会产生较大误差。

2.6高程异常引起的误差

重力场以及椭球曲率半径测量发生差异的可能性较大，会进一步导致参考椭球面与模拟大地水准面存在重合偏差。加之RTK基站在随时发生变化，这种偏差会表现得更加明显，并进一步导致高程异常。比如，在对狭长区域进行水下测量时，上述偏差随着RTK基准站的变化较明显，85高程与h的精度都会受到影响。

3有效控制GPS-RTK水下测量误差的策略

GPS-RTK水下测量误差会对相关参数的计算精度产生重要影响，并会对工程质量起到不可忽略的作用。因此，需要在测量作业中采取多种策略来对GPS-RTK水下测量误差进行控制。

3.1消除波浪对L的影响

如图1所示，d+L为RTK天线到船底换能器之间的距离，它是一个固定值。因此，可以用钢尺将d和L两个分值的测量合二为一，即，直接测量RTK到船底换能器的距离，并将其记为N。船舶吃水深度d也可以被改正为一个固定值，那么RTK天线到静态水面之间的距离L也可以被视为一个固定值，其计算方法为L=N-d。以上改变并不会影响h的计算方法，从而可以提升水下地形测量的精度。

3.2消除波浪对平面数据造成的误差

在测量作业的过程中，需要保持船舶纵轴垂直于波浪，即船舶应该垂直于波浪移动。在这种情形下，如图1所示，H与S测量中的误差就可以相互抵消，从而可以对见效最后的测量误差有积极作用。船舶垂直过程中，波浪对船舶对横向晃动会相对缩小，对于仍然存在误差的参数S，可以通过采用运动传感器来消除或者有效减弱[4]。

3.3控制时间延迟导致的测量误差

1)需要将GPS时间、计算机时间及其他设备的时间进行精确同步，防止时间混乱导致测量结果的失真。

2)需要精确计算声速的变化，并根据实时变化情况作出改正，尤其是要在内业处理时采用确实的声速，从而提升地下三维RTK测量的精度。

3.4设置水文观测站扩大水文数据的截面

在对水下地形进行测量后，会通过内业处理来对获取的数据进行优化。由于短时间内获取的流向、流速、盐度、温度、浮标海浪等数据难以精确反映真实情况。因此，需要通过设置水文观测站对相关水文数据进行长时间统计，从而通过更大截面的数据来获取更加精确的调整值。比如，通过较大数据，可以将RTK潮位设置为大截面波浪半周期数据的整数倍值。如此一来，船舶静态水面与当地基准面之间距离值T的误差就可以得到有效减弱，从而有助于提升地下RTK测量的精确度。

4结语

在进行水上石油平台、跨河/海桥梁、跨河隧道、河道或者海岸整治等工程建设时，需要对水下地形等进行精确测量，从而在确保建筑质量的同时提升建筑后续使用的安全性。然而，由于水文情况不断变化，现有的GPS-RTK测量技术存在或大或小的误差。因此，需要熟悉GPS-RTK测量技术的应用原理，并在测量实践中不断探索其应用精度改善的途径。尤其是要对产生误差的原因进行分析，根据这些原因，从计算技术、操作方法以及指标设置等角度进行误差控制。

参考文献：

[1]黄珍雄.单波束水下地形测量精度的改进方法研究[D].上海：东华理工大学,2013.

[2]张英俊.GPS定位技术在长输管线工程中的应用研究[D].青岛：山东科技大学,2006.

[3]王守彬,王新洲,刘晓东,GPS-RTK与数字测深集成技术在水下地形测量中的应用[J].测绘信息与工程,2004(06):30-31.

[4]郑伟,李炜.GPS-RTK三维水下地形测量的应用与误差分析[J].中国港湾建设,2015(07):42-45.

文章编号：1007-7596(2016)02-0039-02

[收稿日期]2015-11-28

[作者简介]余春梅(1982-)，女，广东惠州人，工程师，从事水利检测工作。

中图分类号：TV221.1

文献标识码：B