基于TJCORS的无验潮测深模式在海河测量中的应用

王性猛

(天津市测绘院，天津 300381)

基于TJCORS的无验潮测深模式在海河测量中的应用

王性猛*

(天津市测绘院，天津 300381)

阐述了无验潮测深模式的原理，阐述了基于TJCORS系统的无验潮测深模式及其误差来源和改正方法，并利用本方案对海河下游水深断面进行了测绘，分析了无验潮水位精度及水底高程精度情况，试验结果表明本文构建的基于TJCORS的无验潮水深测量系统总体精度较好，能够满足海河水深测量精度要求。

TJCORS；无验潮测深模式；水底高程；海河测量

1 绪 论

海河作为贯穿天津市区和渤海湾的通航河流，水运业务也逐年增加。海河干流二道闸至新港船闸已建设成 3 000 t 级以上的内河航道，并多次在二道闸至新港船闸之间开展水深测量工作，服务于相关河道疏浚、清淤以及部分过河管线的埋设，保障船舶航行安全。这些测量中基本都采用单波束测深仪测量水深值，结合GPSRTK测量得到的水深点平面位置，获取河水底高程信息。近年来，随着天津市连续运行参考站系统(简称TJCORS)的建立和普及，TJCORS以其高精度、实用性、方便性越来越多的应用于天津市测绘行业中。天津市海河下游CORS信号较好，少有高大建筑物遮挡，其开阔的环境尤其适宜采用TJCORS作为定位信号进行无验潮测量海河水底高程。

2 基于TJCORS的无验潮测深原理

2.1 TJCORS建设情况

天津市连续运行参考站系统(简称TJCORS)始建于2004年4月，2006年6月正式完成整个项目并投入使用。其平均边长为 30 km～40 km，共布设12个站点[1]。2013年，天津市连续运行参考站系统完成了天津市地震局8个站点和北京市测绘院1个站点的实时数据流的介入，完成了站点坐标的重新计算升级，总站点达21个。目前TJCORS能够提供快速或实时定位、导航、事后相对精密定位等服务，其精度为：快速或实时定位：水平<3 cm、垂直 <5 cm。

2.2基于TJCORS的无验潮测深模式

利用TJCORS进行网络RTK测量可实时得到厘米级的GPS天线的WGS84坐标和大地高，结合测深仪测得的水深值，即可得到水底的平面位置和大地高信息，通过天津市测绘院已建立的成熟的坐标转换系统，即可获得天津市1990坐标系下位置和对应的大沽高程值。无验潮水深测量具体原理如图1所示。

图1 无验潮水深测量原理图

H大地高=L+H吃水+H水深

(1)

其中：换能器吃水可直接由钢尺量取获得，换能器至水底部分深度可通过测深仪测得，GPS接收机天线高程信息可通过RTK接收机测得，L为GPS天线到水面的高，也由钢尺量取获得；所以只要已知GPS接收机的大地高，则可实时获得水下地形点的理论基准面下的大地高。基于TJCORS的无验潮测深模式即采用GPS接收机连入CORS网，待固定解后直接测量获得GPS接收机的实时三维位置信息，在数据采集软件中，结合测深仪测量得到的水深信息，即直接获得测区的水底大地高，测量获得的数据在内业数据处理软件中经过姿态、声速、延时、无验潮改正等即可输出获得本项目所需要的水深点的平面位置和高程值。

3 无验潮测深误差分析

3.1换能器安装偏差及船体倾斜

换能器杆同时连接RTK天线与换能器，如果换能器杆与竖直方向将形成一个偏角，该偏角将使测深仪测量的水深值存在系统性偏差。图2为换能器杆倾斜时详细的误差关系图，其数学公式如式(2)：

图2 换能器杆倾斜误差关系图

b=(h1+h2)×cosB

(2)

式中：b为实际真值；h1天线中心到换能器底部的长度；h2为测深仪测得的水深；B为换能器杆与竖直方向的倾斜角。一般倾斜角B很小。由式(2)可知换能器杆倾斜所产生的倾角B越大、换能器杆越长、水深值越大时，测量偏差值也越大[3]。因此，在换能器安装时应用专门制作的换能器安装支架保证其在竖直方向上的固定，同时在外业数据采集过程中注意其是否倾斜。

3.2测深延迟效应

测深仪延迟是单波束测深仪的测深时刻与GPS RTK接收机瞬时记录时间不同步导致的定位位置与实时水深值之间的偏差值[3，4]。测深延迟为系统性误差，主要通过精确量取换能器中心与接收机天线相位中心的位置关系，并测量使用的测深仪声波信号滞后时间，利用相关误差改正公式等措施对其进行有效改正。

3.3声速改正

声速是影响水深测量的重要因素。水下声速随着河水的温度和盐度不同而产生差异，本次作业中采用声速剖面仪测量河道声速剖面。在作业开始前，选择河流平静、流速较小的区域，使用声速剖面仪获取河道实际声速，在数据处理软件中进行声速改正。

4 工程实例

项目位于海河下游，海津大桥至海河下游段进行的水深测量，用单波束测深仪进行水深测量，采用HY1602S双频测深仪高频测量模式进行，测线垂直于河道布设。水深测量分别采用无验潮模式和验潮模式进行，获得河道断面，并将两种方法获得的断面数据对比分析。项目位置示意图如图3所示：

图3 测区位置图

4.1外业测量

作业时，将测深仪换能器以专门制作的安装支架固定在船舶中舷处，GPS天线高出船体且与测深仪换能器安置在同一铅垂线上，同测量船连为一体，使定位中心与测深中心一致。以南方自由行软件进行数据采集、采样率设置为1Hz按等距离方式记录。测深时，测量人员实时观察仪器设备运行和测深纸打印情况。

4.2数据处理

数据处理分两种方式进行，即：验潮方式下水深处理和无验潮测深模式下水深处理。验潮模式即根据在测区中间位置设置的水尺，读数记录得到的水位情况(采样间隔为 10 min)，进行水位改正后获得数据成果；无验潮测深模式水深数据成果为采用自主研发的软件无验潮改正获得的水深数据。

4.3测深数据精度分析

(1)水位结果比较

首先将水尺观测的水位数据根据时间内插，并与无验潮模式下RTK测量获得的潮位解结果进行比较如图4所示。

图4 潮位差值统计

RTK水位与水位站水位互差波动在 10 cm之内，平均值为 5.0 cm，该差值中包含了涌浪误差(测量船行进过程中涌浪，及河道流水涌浪)以及水尺读数系统偏差，偏差值满足河道测量精度要求。

(2)水底高程结果比较

对测区域的水下测量数据进行测试，选取其中1条断面进行分析，共54个水下地形点来进行统计分析。得到相同水下地形点的无验潮高程从而比较两种方法的高程差值，再进行误差统计。

图5 有验潮与无验潮方法的水底高程对比图

图6 有验潮与无验潮方法的水底高程差值统计

由图5可以看出，水底高程互差的抖动范围大致在 12 cm以内，抖动幅度比水位互差的幅度大。究其原因，测量采用的水深作业时乘坐的是小型皮划艇式测量船，抗风浪能力较小，在航行过程中船体摇晃幅度较大，造成误差值波动大。由图4～图6可得有验潮与无验潮方法的水底高程互差值在 5 cm内的共占本次测量(统计了 7 000个测深点，15条断面)的63%，互差值在 8 cm之内的占总数的79%。对比互差在 10 cm以内的占总数的91%。经过统计分析得出综合对比精度RMS值为 4.8 cm，相对较小，说明验潮、无验潮模式下两种水下地形内业处理结果具有一致性。

经过基于TJCORS的无验潮水位精度测试和验潮测量的水底高程值对比精度测试，说明本文构建的基于TJCORS的无验潮水深测量系统总体精度较好，能够满足海河大桥段水深测量精度要求。

5 总 结

(1)本文阐述了天津市连续运营参考站(TJCORS)的运行情况和基于TJCORS的无验潮测深模式的原理，并分析了在TJCORS系统下无验潮测深模式的误差来源和改正方法。

(2)通过海河河道断面测量的无验潮和验潮模式下测量，获得的潮位数据、河道断面数据，综合析评价了基于TJCORS的无验潮水深测量结果的精度，结果表明基于TJCORS的无验潮水深测量模式精度较好，能满足海河水深测量的精度要求，为类似工程项目提供了技术参考。

[1] 蔡敏，张志全，汪伟等. TJCORS服务管理系统的设计和实现[J]. 城市建设理论研究：电子版，2013(23).

[2] 王江涛，于龙超. VRS RTK技术及其在水利勘测中的应用[J]. 建筑工程技术与设计，2015(17).

[3] 卢军民，安延云，张东明等. 无验潮测深技术中影响水深测量精度的几个问题探讨[J]. 水运工程，2010(5)：47-51.

[4] 李凯锋，田建波，赵树红等. 无验潮水深测量系统定位精度检验[J]. 海洋测绘，2013，33(6)：22-25.

[5] 许大力. GPS-RTK无验潮测量技术在菊花岛供水工程中的应用[J]. 测绘与空间地理信息，2012，35(2)：92-94.

ApplicationofNoTidalModelUnderTJCORSintheMeasurementofHaiheRiver

Wang Xingmeng

(Tianjin institute of surveying and mapping，Tianjin 300381，China)

The paper expounded the construction of Tianjin continuously operating reference station (TJCORS) and the principle of no tidal mode，analyzed the error sources and correction method of no tidal model under TJCORS. The Measurement has been used in the surveying of Haihe river. Through the actual project，this paper compared the accuracy between no tidal model with the traditional mode，The result indicated that the accuracy of no tidal model under TJCORS could satisfy the precision of Haihe river measurement.

TJCORS；without tidal observation model；underwater elevation

1672-8262(2017)05-130-03

P229，P258

B

2017—07—20

王性猛(1988—)，男，硕士，助理工程师，主要从事海洋测绘、工程测绘工作。