基于星站差分技术的近海三维无验潮水深测量研究

王传江,李海涛,陈四平,黄凯,唐立军,魏振峰

(1.上海市测绘产品质量监督检验站,上海 200063; 2.上海市测绘院,上海 200063;3.上海祥阳水利勘测设计有限公司,上海 202150; 4.上海山南勘测设计有限公司,上海 201206)

0 引 言

上海近海水深测量成果的生产一般采用GNSS接收机定位加水深测量仪器测深等方法间接获取,水下地形测量的特点是可追溯性较差,外业检测需确定合适的方法和技术手段进行。例如上海市每年 8 000多平方公里滩涂水下地形测量项目,目前测量生产单位采用常规验潮方式进行水位控制,采用水深测量仪器测设水深、大戢山差分信号等进行平面定位,采用验潮模式,由于潮位控制范围较小,工作量大,在佘山岛等外海域由于已有的潮位站分布少,布局疏密不一,该区域验潮水位控制的难度较大;生产单位为了解决该区域验潮站少、水位较难控制等情况,通过抛设海上潮位计等方式进行水位控制,但还存在维护成本高、水位精度较难控制等情况。

本文研究采用星站差分技术应用于上海近海地区范围水深测量成果的生产和检验工作的可行性,采用星站差分技术与测深仪器配合进行水深测量数据采集,再根据似大地水准面精化模型转换为水准高程,完成三维无验潮水深测量检测,其精度受外界网络环境等影响较少,平面、高程精度可满足水深测量检测精度要求,可以省去验潮的工作步骤,减轻外业检测的工作强度,提高工作效率,同时可以对生产单位验潮方式的成果,特别是潮位较难控制区域的成果进行有效检核。

1 星站差分

星站差分定位技术是把多种创新技术融合在一起,实现在地球表面的任何位置进行厘米级实时定位,星站差分定位支持BEIDOU、GLONASS、GPS、QZSS和Galileo等全部星座的卫星定位信号,从遍布全球的GNSS参考站得到的GNSS原始数据传输至数据处理中心,计算出用于全球任何位置GNSS差分改正的精确轨道、卫星时钟和系统模型误差,差分改正信息经由L波段卫星链路或互联网传输到用户端,基本架构如图1所示。

图1 架构图

RTX星站差分目前提供的标准服务是水平精度 2 cm、垂直精度是 5 cm,与传统RTK定位技术相比,RTX定位技术采用L波段卫星进行数据传输,在无网络信号覆盖或网络信号不稳定的近海水域更具有优势;由于采用的是全球参考框架下的稳定的跟踪站,保证了精度和基准框架在全球高度统一,不会随距离及不同时段的变化而变化,可全天候连续作业。

2 测试情况

2.1 星站差分与RTK比对测试

(1)概况

依托某无居民海岛基础调查(地形地貌)项目,采用星站差分、RTK分别在鸡骨礁、情侣礁两个测区海域进行无验潮水深测量比对验证,采用中海达IRK2 GNSS接收机进行1+1 RTK作业,采用具有星站差分功能的天宝R10接收机进行数据采集。测试实验结合实际项目进行,专门制作了安装2台GNSS接收机的支架,2台GNSS接收机设备安装间距 0.288 m,支架设计示意图如图2所示。设备安装在距船艏约三分之二处,以减小涌浪波动误差影响,实际安装如图3所示。

图2 支架设计示意图

图3 GNSS接收机实际安装图

(2)测试结果

采用RTK、星站差分2台GNSS接收机采集数据,考虑RTK、星站差分的定位误差以及数据采集距离间隔不一致(按等距方式采集数据,RTX接收机设置为 2.5 m,RTK接收机设置为5 m)等因素,取距离小于等于 0.5 m为比对重合点,计算改正至水面处的大地高较差,鸡骨礁、情侣礁测区共比对重合点 3 718点,大地高较差及中误差统计如表1所示。

表1 大地高较差及中误差统计

鸡骨礁、情侣礁测区比对点分布示意图分别如图4、图5所示。

图4 鸡骨礁测区比对点分布示意图 图5 情侣礁测区比对点分布示意图

2.2 星站差分与验潮比对测试

(1)概况

依托某滩涂水下地形测量项目,在测量船上架设星站差分功能接收机(如图6所示),在长江南支、北支水域进行水面大地高的采集,采用海域似大地水准面精化模型转换得到水面处的水准高程,并与验潮方式推算的水面高程进行比对验证。

图6 安装星站差分接收机的测量船

(2)测试结果

按传统潮位改正方式和星站差分无验潮方式处理数据,分别求得测点的水面高程,计算两种结果的水面高程较差,在长江南支、北支水域共比对 6 324点,星站差分与验潮的水准高程较差及中误差统计如表2所示。

表2 水准高程较差及中误差统计

根据表1及表2,本次测试验潮与无验潮的中误差之差在 10 cm左右,其误差包含了验潮的水位控制、浪涌、RTK高程测量及高程转换误差等。无验潮水深测量由于无水位控制测量误差、动吃水误差等影响,获得实时水位,相较于验潮方式具有一定优势。

在长江南支、北支水域,星站差分与验潮方式的比对点分布如图7所示。

图7 比对点分布示意图

3 结 语

通过在上海近海水域采用星站差分与验潮、RTK方式水深测量的比对测试,以及对测试数据结果的分析,有以下结论和展望:

(1)根据上述测试数据结果分析,采用星站差分三维无验潮方式的水深测量精度可满足现行相关规范精度要求。

(2)与RTK方式相比,采用星站差分技术进行三维无验潮模式的水深测量,可扩展水深测量工作范围,在无网络信号覆盖水域更具有优势。

(3)与传统验潮方式相比,采用星站差分进行水深测量成果的生产,可节省大量验潮工作量,简化外业检测的工作强度,在平面精度、工作效率等方面均有显著的提高,对验潮方式水深测量成果的质量控制提供了一种外业检测验证手段。

(4)在相关部门的海域水准面模型对外提供服务后,基于星站差分技术的水深测量成果生产,在信号覆盖范围、时间成本控制等方面较传统验潮、RTK等其他方式均有一定的优势,对类似项目可借鉴参考。