（岩土工程专业论文）基于gps的水域地形测深系统的研究与应用.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 水下地形测量在航道、港口、水利、资源等领域有广泛的应用，是水利j 程 测量、海洋测量的一个重要组成部分。长期以米，我国河道、水库的水下地形观 测是采用经纬仪交会定位，配合超声测深仪的传统方法。受仪器精度、距离、天 气等条件限制，精度低、速度慢、费时费力。g p s 是本世纪7 0 年代由美国陆海空 三军联合研制的新一代空问卫星导航定位系统。当时的主要目的是为陆、海、空 三军提供实时、全天候和全球性的导航服务。随着g p s 定位技术的进步和接收机 性能的迅速发展，g p s 在测量定位中己得到了广泛的应用。 本文结合长江流域荆江河段控制测量实际，介绍分析了各种常用水上定位及 水深测量方法，简要介绍了g p s 定位的基本原理；重点讨论了利用g p s 所组成的 新型河道测量系统一一m d 3 0 0 水域地形测量系统的组成、功能及特点；并将该系 统应用于荆江河控测量的工程实践中。差分g p s 技术能有效地消除很多物理因素 对g p s 测量结果的误差，但却不能十分有效地消除大气对流层折射对g p s 高程测 量的影响。本文讨论了g p s 水准各种拟合方法的不同特点，提出了水下地形测量 中g p s 高程应用的几种处理方法；分别采用二次曲面模型和神经网络模型对实测 g p s 高程进行了拟合计算，求出高程异常值，从而将g p s 高程换算成正常高高程， 并与用全站以测得的三角高程进行了比较分析，分析了两种拟合方法的精度；并 分析了高程测量的误差来源和大小。 该系统在荆江河势控制测量工程中的应用，取得了符合国家有关规范的测量 成果，给水下地形测量和水文勘察带柬根本性的变化，使水文原形观测工作由劳 动密集型结构转变为知识型结构，进一步提高河道水库观测工作效率与成果质量， 具有明显的经济效益和社会效益，呵以在河流、湖泊、水库等水下测量领域进行 推广应用。 关键训：g p s ，测深仪，水卜i 地形测碴，商程 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t n eu n d e r w a t e r t o p o g r a p h ys u r v e y i nd o m a i n ，h a r b o r , w a t e rc o n s e r v a t i o n ， r e s o u r c e sa n ds oo nr o u t eh a st h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o n i ti sa ni m p o r t a n tc o n s t i t u e n t o ft h eh y d r a u l i ce n g i n e e r i n gs u r v e ya n dt h es e as u r v e y , s i n c el o n ga g o ，o u rc o u n t r y u s e st h et r a n s i ti n s t r u m e n ta n dd e p t hs o u n d e rt oi o c a t ei nt h eu n d e r w a t e rt o p o g r a p h y s u r v e yo ft h er i v e rc o u r s ea n dt h er e s e r v o i r c o o r d i n a t e st h es u p e r s o n i cd e p t h f i n d i n g d e v i c et h et r a d i t i o n a im e t h o d b e c a n s et h ec o n d i t i o ns u c ha si n s t r u m e n tp r e c i s i o n d i s t a n c ea n dw e a t h e r sl i m i t t h ep r e c i s i o ni s1 0 w t h es p e e di ss l o w , a n dw a s t e st i m e a n dl a b o u rf o r c e g p si sas a t e l l i t ep o s i t i o n i n gs y s t e mt h a tw a sd e v e l o p e db yt h eu n i t e d s t a t e sa r m yi nt h e1 9 7 0 s t h em a j o rp u r l ：l o s ei nt h a tt i m ew a st op r o v i d et h er e a lt i m e a n d a l l w e a n t h e rn a v i g a t i o ns e r v i c ei nt h ew h o l ew o r l di n c l u d i n gt h et h r e ed o m a i n so f 1 a n d s e aa n da i r w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fg p st e c h n o l o g ya n di t sr e c e i v e r , g p s h a sg o ta ne x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nt h es u r v e y i n gp o s i t i o n i n gf i e l d t h i sa r t i c l eu n i f i e dj i n g i i a n gr i v e rt oi n t r o d u c et h ew a t e r st e r r a i ns u r v e ym e t h o d a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c n eb a s i ct h e o r yo fg p sp o s i t i o n i n gi sb r i e f l yi n t r o d u c e di nt h e p a p e r d i s c u s s e dt h ea q u a t i cl o c a l i z a t i o nm e t h o da n dt h ep r e c i s i o nw i t he m p h a s i s ； t a k i n g g p sa st h em a i ne q u i p m e n tp r o p o s e dt h en e wu n d e r w a t e r t o p o g r a p h y m e a s u r e m e n ts y s t e m m d 3 0 0w a t e r st e r r a i nm e a s u r e m e n ts y s t e mc o n c r e t ed i s p o s i t i o n m e t h o d ，t h ef u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ea p p l i c a t i o nm e t h o d ，a n da p p l i e st h i ss y s t e m i nt h ep r o j e c tp r a c t i c eo fc o n t r o ls u r v e yi nj i n g j i a n gr i v e r ；d i f f e r e n c eg p s t e c h n i q u ec a n e f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h ee r r o ro fm a n yp h y s i c s f a c t o r st og p sr e s u l t ，b u tc a nn o t e f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h ee r r o ro ft h et r o p o s p h e r i cr e f r a c t i o nt og p sh e i g h t d i s c u s s e d t h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i co ft h eg p ss t a n d a r de a c hk i n do ff i t t i n gm e t h o d ，p r o p o s e d t h eg p se l e v a t i o na p p l i c a t i o ns e v e r a lp r o c e s s i n gm e t h o di nt h eu n d e r w a t e rt o p o g r a p h y s u r v e y ；t h ec o n i c o i df i t t i n gm e t h o da n dt h en e u r a ln e t w o r km e t h o da r e u s e df o r c o n v e r t i n gag p sh e i g h ti n t oan o r m a lh e i g i n a n dh a sc a r r i e do nt h ec o m p a r i s o no ft h e f i t t i n gv a l u ea n dt h ek n o w nl e v e la l t i t u d e h a sa n a l y z e dt h et w ok i n do ff i t t i n gm e t h o d s p r e c i s i o n h a sa n a l y z e dt h ee l e v a t i o ns u r v e ye r r o rs o u r c ea n dt h es i z e t h ea p p l i c a t i o no ft h i ss y s t e mi nt h ec o n t r o ls u r v e yi nj i n g i i a n gr i v e r ，o b t a i n e d s u r v e ya c h i e v e m e n tc o n f o r m i n gt ot h en a t i o n a lr c l a t e ds t a n d a r d b r i n g st h ef u n d a m e n t a l f o rt h eu n d e r w a t e rt o p o g r a p h ys u r v e ya n dt h eh y d r o l o g yr e c o n n a i s s a n c ec h a n g e ，c a u s e s t h eh y d r o l o g yp r i m a r yf o r mo b s e r v a t i o nw o r kb yt h el a b o r i n t e n s i v ef o r ms t r u c t u r a l t r a n s f o r m a t i o nt ot h ek n o w l e d g es t r u c t u r e ，f u r t h e re n h a n c e st h er i v e rc o u r s er e s e r v o i r o b s e r v a t i o nw o r k i n ge f f i c i e n c ya n dt h ea c h i e v e m e n tq u a l i t y , h a st h eo b v i o u se c o n o m i c e f t i c i e n c ya n dt h es o c i a le f f i c i e n c y ，m a yc a r r yo nt h ep r o m o t e da p p l i c a t i o ni nt h er i v e r s ， t h el a k e t h er e s e r v o i ra n ds oo nt h es u b a q u e o u ss u r v e yd o m a i n k e y w o r d s ：g p s ，d e p t hs o u n d e r t u n d e r w a t e rt o p o g r a p h ys u r v e y ，a l t i t u d e j j 佩1 ；l 亡工誊火港 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究：【作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：万风移日期：。锄6 年f 月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向困家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允询：论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学町以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位沦文作者签名：万风与 日期：办年5 月钾日 指导教师签f 协事杉一 1 9 期：州年f 月习日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 我国幅员辽阔，河川i 纵横，湖泊、水库星罗棋柿，同时海岸线漫长，水利、 海洋资源的开发和建设已成为经济建设中的一个重要方面。水下地形测量在航道、 港r 、水利、资源等领域有广泛的应用，是水利工程测量、海洋测量的个重要 组成部分【1 i 。 长期以来，我国河道、水库的水下地形观测是采用经纬仪交会定位，配合超 声测深仪的传统方法。这种方法需要大量的控制点，增设大量的标石和高标，而 且受仪器精度、距离、天气、通视及通讯等条件限制，精度低、速度慢、费时费 力。尤其断面水深测量，由于受水流、测量船体的1 r 线性运动以及测量人员的熟 练及配合等因素的影响，断面点定位精度不高，尤其定位测量和水深测量不同步 的结果，影响了河道断面测量的质量”1 。 上述几项因素都会影响水下地形测量的精度。 近年来，越来越多的先进仪器设备应用于测绘领域。特别是g p s 的问世，极 大地促进了测绘事业地发展。利用g p s 技术精密定位，进行各种精密的城市控制 网、工程控制网的建立，是它的先进功能之一。g p s 动态定位技术，特别是实时 差分技术发展很快，可以在水域测图、航道测量和整治、导航以及港口交通管理 等领域中得到很好的应用。基于载波相位观测值的精密差分技术一一r t k 技术， 能实时提供厘米级精度的定位成果。r t k 技术的出现，使测绘工作，特别是水道 测量的传统做法“先控制，再测图”改变为“一步法”自动化数字成图，减少了 手工操作程序，提高了工作效率。利用r t k 加数字式测深仪进行水下地形测量， 由于r t k 测量不受通视、距离、天气等环境影h | 自，而且定位实时跟踪，其与数字 式测深仪配合，不仅解决l ：作时点位o j 水深测量数槲的不同步，而且无需验潮， 极大地提高了水卜地形点测景的精度和进度。 m d 3 0 0 测深系统是在g p s 技术支持下的一种令新的水域地形测量系统。将其 用于河道地形观测【f 1 不需要测点问棚f i 通视，不衙嵯建高标，不受气候条什的影 响，给水f 地形测：建和水文 j j 察带水根本性的变化，使水文原形观测t 作劳动 崭集犁结构转变为矧u 型i 构，进步提高了河道水悖观测i ：作效率与成果质也 l 仃明显的经济效益和社会效益川。 湖北工业大学硕士学位论文 1 2 水下地形测量现状及发展动态 随着信息技术和现代遥感技术的迅速发展，流域测量技术发生了重大突破， 现代化的测验方法和手段，可获得更准确、更实时的数据和资料。数字河道测量 技术是伴随着计算机技术和g p s 技术及声纳测深仪的发展而发展的，主要包括数 据采集设备和数据处理软件两方面。 1 2 1 水下地形测量技术的发展 水f 地形测量是在人类对自然的斗争中，特别是在防御水害、兴修水利的过 程中逐步发展起来的。是以水体数据的测定为主要目的的测量，其任务是测量有 关水域的制图要素，进行流域资料调查，为编制地形图、工程没计、河流治理、 规划建设和水科学研究提供资料。 ( 1 ) 定位 最早的定位方法是采用六分仪、经纬仪进行前方交会、后方交会。t h8 ( ) 年代 初期至9 0 年代初期，海上测量定位是以无线电微波定位为主的。微波定位仪的引 进，使海上测量定位完成一项质的飞跃。主要体现在定位精度高、工作效率高、 自动化程度高，受天气环境等客观因素干扰小。进入9 0 年代以来，尤其是在1 9 9 3 年之后，全球卫星定位系统风靡全球，g p s 定位仪又具有比微波定位仪更优越的 条件，从而使得水上定位已进入了g p s 时代“3 。 ( 2 ) 测深 6 0 年代测深的主要方式是水陀。7 0 年代后期主要是以测深仪为主，进入9 0 年代以来计算机技术的普及要求测深仪的使用不再局限于模拟水深，同时要求实 现数字化水深测量，完成与讣算机的连机功能，从而实现了水深测量自动化，使 整个测量过程人工干预的情况越来越少，提高了工作效率和水深测量精度。 1 2 2 数字水下地形测量技术的发展趋势 数字水下地形测餐技术的发展主要取决于数据采集和与之4 , l ls ；, z 的数据处理方 法的发展。作为全球最普及的定位于段，实时差分g p s ( d g p s ) 以其全球一阵、 全灭候、高效率的工作性能，利准确、i r 靠的t 作精度等优点被广泛应f t j 于海洋 水深测量、江河航道测量、【：程勘探定位、地形地籍测量、港li 引航、物探钻探 的导航定f 及地震预测与预报等测氍领域。 1 前，肚界镟达阳家的雨量、水何数据从采女：到传输，已个船i ；现了f j 动化。 荚嘲现已jr 发遥控规洲河道洪水水深的”j 移动系统，陔系统包括叫个f 分：洲 湖北工业大学硕士学位论文 鼍水平f 证置装置，河床高桦测鞋装置，配套系统，数据存储装置。具体做 法：用伞方位跟踪系统和差分令球定位系统进行船及其装置的水平定位，精度在1 米之内，用高频率信号测定水深，用遥控船控制移动装置。目前遥控船已成功应 用于m i s s o u r i ，i l l i n o i s ，i n d i a n a ，s o u t hc a r o l b z a 等地的洪水测验”。美国( 地质 调查局水力技术所) 还丌发出用于测量河道横断面的地面穿透雷达，这对于不稳定 河床的高程测量很重要，这种雷达不需要在水中放置仪器，可迅速测量变化较大 的横断面地形，且成果稳定、精度高。3 。此外，美围采用光学反射传感器测量水流 表面的悬沙含沙量，可据此提供高精度的含沙量随时间的变化情况”1 。f = i i 本测量流 量一直沿用一种传统的方法，即以漂浮物运动速度推求水流速度，但这种方法精 度不高，原因就在于洪水表面的漂浮物往往受强紊流的影响，难以匀速地随水流 漂浮运动。因此，f 1 本神户大学城市安全保证中心2 0 0 1 年研究出一种新的流量测 量技术，即大尺度粒子流速影像速度仪，可用于测量水面二维流速分布，辅助其 它技术方法，测量或计算水深及垂向流速分布，并由此计算获得断面流量值7 9 1 。 俄岁斯科学家最近开发出携带方便、使用简单的水卜 声纳探测装置“许德拉”， 它可快速精确地绘制出水底地形和物体的详细三维图像。这一装置由俄“银幕” 科学生产企业和季霍米罗夫仪器制造科学研究所联合研制，重3 到4 公斤，可以 安装在所有类型的船只上。其用来发射和接受超声波的天线安装在船甲板两侧， 并且相互之间呈5 0 度到6 0 度角，这样的角度使超声波如同探照灯一样，以发散 的锥体形状发出声波信号，从而对运动船只左右两侧水底进行探测。 “许德拉”发射的声波信号遇到障碍物体被反射回来后会被接收天线捕获，经 转换放大后利用专门的电脑程序进行分析处理，结合船的运动速度、超声波在水 中的传播速度、船体横向倾斜度及其他参数，并借助干涉仪的帮助，可以精确详 细地绘制出水f 物体的三维立体图像。对1 米到8 0 米深的海底进行探测，所得到 的三维图像的清晰度可达5 厘米，可以分辨水下所有比网球大的物体，如沙丁鱼 大小的小型鱼类等。科研人员指出，这种装置可以在铺设海底电缆时探测水下地 形，在不明海域指引航道，检查水下设施等，还可用柬帮助打捞沉船，寻找鳖龟、 潜水员等水下运动目标。这种装冒的缺陷足只能在船只运动时使用，目前俄专家 f 在丌发新的带有扫描天线的声纳系统，它可以在静t t ：状态下观测水下地形及运 动物体的状态“。 随着科学技术的不断发展，测绘设备也在不断的史新换代。f 6 h ，我国不仪 j 订r ：j 精度的f 弘! 定位仪器、九进的测深设备和 i 测系统，而f j 列先进仪器设备 的功能丌发和+ 实际的技术应f 1 能儿郁仃了进步的提高。 i 前，川j 海洋、河道测 的g p s 和水深测最的设箭卜簦是引进的，经过近 湖北工业大学硕士学位论文 几年的设备引进，我国水上系统测赜设备的种类、精度、稳定性及：f 作效率均得 到了较大改善，同时也大大推动了测量技术的进步。使水上测量技术步入了自动 化利专业化的发展方向，极大的提高了测绘 ：作质量和效率。 1 3 本文研究的主要内容 水下地形测量在航道、港口、水利、 着对水下地形测量的质量要求越来越高， 讨和解决。 资源等领域有着广泛的应用。目前，随 水下地形测量作业中有一些问题亟待探 对国内水f 地形测量的情况进行调查，目前存在以下问题： 1 ) 未实现水上平面定位与水深测量的完全同步； 2 ) g p s 测量的结果是平面精度高而高程方向精度相对较低( 一般高程方向中 误差是平面测量中误差的1 2 倍) ，而河道测量对高程方向精度要求高于平面( 高 程方向精度要求测至厘米记至分米，平面精度测至分米记至米) 1 。在进行g p s 测 量的同时，又不得不进行常规水准测量，但是常规水准测量费时、费力、费财， 浪费了g p s 高精度大地高测量成果。 为了解决上述问题，本文以长江流域的部分水域为对象，就以下几个方面作 了一些研究： ( 1 ) 以g p s 为主要定位设备提出河道水下地形测量系统m d 3 0 0 水深测量系统 的具体配置方法，并将该系统应用于工程实践中，采集并收集得到相关数据，以 便进行后处理。 ( 2 ) 结合荆江河控观测断面测量的工程介绍采用m d 3 0 0 测深系统进行河道地形 测量的特点和方法，并讨论水上定位和测深的方法和精度。 ( 3 ) 对g p s 在河道水下地形测量中遇到的高程问题进行分析，讨论g p s 高程各 种拟合方法的不同特点，提出河道水下地形测量中高程应用的几种处理方法。 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章水上定位方法及测深 河道水库断面测量包括水上定位和测深。水上定位根据离岸距离的远近情况 而采用不同的定位方法，目前主要使用的有光学定位、无线电定位、卫星定位等。 2 1 光学定位”3 光学定位一般适用于水上测量点距离岸边距离最远不大于l o k m 的情况。光学 定位与陆上定位的原理和方法基本相同，但以交会法为主，通常所用的有前方交 会法、后方交会法、侧方交会法以及极坐标法等。 定位中所使用的主要光学仪器有经纬仪、全站仪、六分仪、测距仪等。现将 常用的定位方法原理介绍如下。 2 1 1 前方交会法 前方交会法通常在岸上两个控制点“，口上设置仪器，同时观测测量船的方位 角或角度，通过计算求得船位坐标。如图2 1 所示。 x 幽2 1 前方交会图 图2 1 中测f 垂船定位瞬问位置p 的坐际按卜式计算： y xp，=：等挚tgttgty y 陋u 川，一日p ( 2 。l j ，=j + 【工r 一1 ，g r 护l 湖北工业大学硕士学位论文 也叮通过观测角度a 、卢计算x ，、y ，。前方交会点化中误差计算公式为： m ：堕c s c o 厢 ( 2 2 ) d 式中：m 。经纬仪测角中误差； 两条位置线的交角； s ，、s ，p 点分别至爿、曰距离。 当己知点多于2 个有多余观测的方位角时，可用平差方法计算点位坐标及相 应的中误差。 2 1 2 后方交会与侧方交会 后方交会法是在未知点尸上设站观测，可观测四个已知点获得的三个水平角 计算p 点坐标。由于该方法要在待定点设站，水上测量的待测点通常是在测量船 上，而在运动的测量船上设胥经纬仪或全站仪是不可能的。敞目i 掎均采用六分仪 观测角度，其精度比较低，且受环境及人为因素影响极易出错，再加上要求控制 点较多，和岸上要有高大的标志，对已知点和未知点构成的图形要求也较高，目 前在大比例尺水上测图中已不采用。只在固定的断面淤积测量及水文测量中仍有 使用。但一般是在岸上沿断面线布设高大断面标志( 两处以上) ，以确定淤积测验的 断面线，垂直于断面线布设一条基线，精确测量基线长，并在基线端点设置标志， 定位测量时在测船上用六分仪只需测出断面线与基线端点的夹角，就可较简单地 计算出测船位置。根据测船位置距断面线岸上标志的距离和基线长，可以事先计 算出此断面线上各点的角度值，以便导航和使测点在断面线上分布均合理。后方 交会定位中误差公式为： + o ，s c s c ( s 引, s 21 2 + ( 等厂 ( 2 3 ) 其l i ，：s 为p 点至各控制点的距离，单位为k m ； d ，为控制点爿与b ，b 与c 之间的距离，单位为k m ； 0 5 为两位冠线交角。 侧方交会需要在己知点对测盼和另个已知正i 观测角度f 或方位角) ，同时要求 在测船 ：用六分仪对岸上的两个l 知点观测央角，测量眦合旧难，易出蔗错， t 6 n 匕很少使用。 湖北工业大学硕士学位论文 2 1 3 极坐标法定位” 由于极坐标法较灵活，随着全站仪的应用，采用测方位角及距离的极坐标法 进行定位用得越来越多。特别是近几年自动跟踪全站仪的出现，并采用伞方位棱 镜( 3 6 0 。) ，配置数据传输电台，使定位速度得到很大提高。通过计算机和专用测量 软件可以达到实时定位导航之目的，甚至可以实现自动化测量。由于测距和测角 精度的提高，该方法的测量精度也随之提高。这种方法的原理是，当测l ，得方位 角和距离s 时，瞬时船位坐标为： 坼2 _ + s 。8 l ( 2 - 4 ) y p = y + s s i n i 用极坐标法求点位中误差公式为： m = t b ；+ ( 0 3 m 。s ) 2 j ” ( 2 _ 5 ) 式中：m 。测距中误差( m ； m 。测角中误差； s 全站仪站至测量船的距离( k m 。 2 2 无线电定位1 4 1 由于无线电定位系统具有全天候、连续实时定位、定位数据记录和处理自动 化程度高等特点，在定位精度满足水下地形测量要求的前提下，作用距离远、覆 盖范围大。所以，无线电定位系统在6 0 9 0 年代得到了很大发展和广泛的应用。 无线电定位系统按其作用距离可分为：近程定位系统( 作用距离小于3 0 0 k m ) ， 中程定位系统( 作用距离3 0 0 k m i 0 0 0 k m ) ，远程定位系统( 作用距离大于 1 0 0 0 k m ) 。 无线电定位系统的工作方式，主要有测距定位和距离差定位。即在陆上设立 若干个无线电发射台( 称为岸台) ，通过测量无线电波传播的有关参数，束确定运 动的船台相对于岸台的位置。电就是根据两条位置线( 采用测距定位，则位置线为 两个嘲；采用测距差定位，则位置线为两条双曲线) ，相交的交点来确定船台的二 维坐标。 如图2 2 所示，仡测髓船p 卜设胃t 动台，花岸七两已知点f ：行设w - 一剐台。 定化时，测得t - 动f 伞剁lf r 、剧2 台的埘! 离d 、d ，为半径，所划川弧之交点， 即为所测船何。如果n ：岸 ：几个己知点 一改w 刖f ，定位时，测张 i - x ) j 台币剐台 的距离为d 、d ，、d ，最小：乘法求掰最或然点位。 湖北工业大学硕士学位论丈 图2 2 测距定位 无线电测距系统按工作原理又分为脉冲和相位两种类型。中远程导航定位系 统大多采用脉冲系统，其作用距离远，但是定位精度低( 几米至几十米) ，其精度一 般不能满足河道地形测量的要求，主要用于海洋定位。一般情况下相位系统比脉 冲系统精密，尤其是采用微波技术，精度提高明显，因此，下面主要讨论相位测 距无线电定位系统。 2 2 1 测距原理 如果我们测得丰、副台之问电波的相位差后，就可由下式求得其距离d 。 d：三埘(2-6) ， 式中： 波长，单位是米周； 相位差周数。 由于由整数部分h 和小数部分口所组成，即 ：h + 一 ( 2 7 ) 1 0 0 0 所以( 2 6 ) 式又可写成： d ：三砌+ 三 f 旦1 22 1 1 0 0 0 ) 式中：h 棚位牾周数； a 棚位周小数部分，往仪器度盘卜读数。 山于微波测趴仪测量梢f t 差的装胃l 能测 相位周小数o ，n 湖0 不m 棚位整 周飙为此，r 将波长坩大成竺9 、等 、等圳黝恻剐粼至杀，、 0 00 0 01 n 。 湖北工业大学硕士学位论天 旦，、翌厂( 即把测距频率降低1 0 、1 0 0 、1 0 0 0 倍) 。这样，肖d 一定时，采 1 0 0 。1 0 0 0 。 、 用以上不l 司波长去度量，则相位整周数和相位周小数也相应改变。我们可根据波 长 、里a 、塑a 、竺唑a 分别测得的相位周小数。、。、。”、。来解算出d 99 99 9 9 信。 2 2 2 测距法定位计算 当测得船位p 至二个副台的距离( 已化至高斯平面) 为s ，、s ：，二个副台之间 的距离为a ，则计算p 点坐标常用公式为： 口：。，c c 。! ：兰i 二篁 2 a s l 口；。r c 。! ：! 苎i 二蔓 2 a s 二 x 。：型塑型二! 坦型二匕堕 c t g n + c t g p 胪幽笔罴4 - c t 孑g 凸c t g op 其定位中误差公式为： m o = - + v 2 m ：c s c y 式中：m ，为测距中误差； y 为两位置线交角。 当测得距离为n 个以上时，则可用平差方法计算点位坐标 v = 彳r + ， 式中： 矿： v 1 v 2 爿= a l b l a 2 b 2 a n b 。 l = s 。一( s ，) s ：一( s ：) s 。一( s 。) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 驴等卟半 卜式l 1 ( s 。) 为经。i 象改i t i 、化争高斯、f l 自i 的。实测距离，s 。i l l 测点的近似坐标( 一。 y 。) jl 知点的坐标求出。 、f 粒( 2 一l o ) 式钉： 湖北工业大学硕士学位论文 x ：( 血，缈) r ：一0 7 例) 1 1 4 ，。p l ) ( 2 1 1 ) 最后求得船位最或然点位坐标： xp=xo+血l(2-12) y p2y o + 缈j 定位中误差为： m = p o q 1 1 + q 2 2 ( 2 1 3 ) 式中：。为单位权中误差，q 为相应权倒数。 测距差定位又称双曲线定位。它是根据到两个固定点的距离差为常数的动点 的轨迹为双曲线的几何原理没计的，当有两条双曲线相交时，即可实现定位。 由船台p 至岸台的距离分别为d 1 、d ：、d 。，将岸台视为双曲线的焦点，则 船位p 就是距离差( d 。一d 1 ) 的双曲线和距离差( d 。一d ：) 的双曲线的交点。距离差 是由船台接收三个岸台的无线电信号，分别测量它们的相位差求得的。定位的计 算方法有直接解算和选代解算两种。其解算较繁锁，不再详述。 双曲线定位系统类型比较多，但可归结为脉冲、相位和脉冲相位三种类 型，它们具有各自不同的作用距离和精度。从水下地形测量的控制来既，主要采 用相位无线电系统。 2 3g p s 定位m 1 g p s ( 全球卫星定位系统) 是继子午卫星导航系统之后，美国政府推出的第二 代卫星定位系统。运用g p s 进行高精度动态测量已成为国内外的一个重要研究方 向。这方面的应用主要有：无地面控制的空中三角测量、航空重力测量、用活动 的地面车辆绘制重力向量图、海上三维地震测量和高精度海洋测量。在国内海上 测量应用中，目前基本上是采用伪距单点定位方式。这种定位方式对于一般性的 导航和小比例尺水深测图来说，可以满足精度要求，但划于人比例尺河道水库测 量或内陆其它水域测量的定位工作就显得精度小够，特别是在美 q 鲥政策影响情 况f 。为了提高g p s 测量的精度，动态筹分定位愈术愈引起人们的重视。动态差 分要比坐标筹分，“密效果更好。g p s 茬分的高精度潜能还在j 二载波柏化的应用， 相位j 伪距棚结合的蓐分方法能够达到o 5 一l ， 的精度。 2 31 伪距单点定位 币，_ 定位又称绝对定似，是以诅个测站t j 多个g p sp j 己之问的尉i 离观测髓为 湖北工业大学硕士学位论文 基础，组成定位方程，通过解算给测站最终定位结果。根捌观测伪距使用的信 号不同，绝对定位分为测码伪距绝对定位和测相伪距绝对定何。现以测码伪距绝 对定位为例，其原理介绍如下。 伪距是g p s 接收机获得的最基本观测量之一。因为它不存在多值性，故用其 进行连续寅时导航定位。 没接收机位于地球表而某点上，对卫星的距离观侧值为s 卅 由于s 。j 中台有 多种误差，基本观测方程如下： s 。f = p 。f + c a t 。+ c a t ，+ 丁+ 出+ a m + p + 矿 ( 2 - 1 4 ) 式中：p 。，m 点至卫星j 的几何距离； 址。m 点接收机时钟偏差； 址，卫星j 时钟偏差； r 对流层延迟； ，f 【l 离层延迟： a m 多路径效应产生的误差； 卸卫星真实位置与预报位置之差，鲥政策影响也可并入； v 观测噪声； c _ 光速( 2 9 9 7 9 2 4 5 8 m s ) 。 其中，出。一般是未知的，可作为未知数与m 点坐标一起求解；血；、，可 从卫星播发的导航电文获得；a t 可由模型计算获得，如采用著名的h o p f i e l d 模型； a m 、a p 可归入噪声矿中。这样s 。，可表示如下： s w = p 州+ c 。a t 。+ y ( 2 1 5 ) 上式线性化得( 略去二次以上项1 ： 等叭警缈+ 等a z 一一”( 2 - 1 6 ) 式中： ，。j = p ：，一s 。 p o j = 厄= 万瓦j 万硼 ( z 。1 7 ) x o ，y 。，) 为接l 投机近似b 标； k ，y ，z ，j 为f j , h ；，的举杯， 并接i 心机在m 点i 司时测得4 个f i 艰的伪距，则可列如f 川 - 似i i ： 湖北工业大学硕士学位论文 式中 爿= q 1 1q 1 2 q 1 1q 2 1 q 3 1q 3 2 9 4 lq 4 2 a x + 上= o q 1 3 l q 1 3 1 q 3 3 1 q 4 3 1 缸 母 & c a t 。 l 。1 l ，! f 。3 f 。4 ( 2 1 8 ) x = 一b 7 a ) - 1 爿7 ( 2 2 1 ) 阱( n + h ) c o s b c o s l 协z z ， a 2 q 9 i q 9 i1 1 x2 。薹。 l 2f l q q 1 ；1 = | ：。 n = l 址il = j 。l l 。! j卜出。jkj = 【- 墨( n 。+ + h ，) + s i n ，b 。c 。o 。s 三- c ( n + + h ) 。c o s b sinlbnh ) s i n bs i n ln h ) c o s b c o s l ；0 _ c 2 = 1 一( + ( + j 0 ) 川 c o s b o i 湖北工业大学硕士学位论文 若舭测m 譬数大于3 颗，则按最小二二乘法解得： x ： ( 邶) 7 汹) _ 1 ( a b y l 2 3 2 伪距差分定位” ( 2 2 5 ) 由于各项误差的影响，使g p s 伪距单点定位误差较大。伪距差分是根据伪距 定位原理，在船台定位的同时，在岸上的已知点上设立同类型g p s 接收机，接收 卫星信号，然后利用已知点上的观测值改j f 船台接收机的位置坐标，从而消除或 削弱卫星误差、接收机误差和大气延迟等误差，对剐政策的影响也能较好抵消， 从而提高船台点位的精度。 ( 1 ) 坐标差分 坐标差分是将岸上已知点的观测坐标与已知坐标的差值作为改下数，改正船 台同步测得的点位坐标。改正工作可以实时处理，也可事后处理。坐标差分的另 一种形式是在船台进行定位时，岸上多个已知点也同时进行观测，求得船台至各 已知点的基线长，此时船台位置可通过多基线确定。 ( 2 ) 伪距距离差分 伪距距离差分是在岸台己知点和船台同时对卫星伪距进行观测，然后对所观 测的伪距进行改正的方法。 一阶差分( 站际差分) ：设m 、n 分别为船台和岸上的已知点，它们同时对卫 星，进行伪距测量，分别测得伪距s ，和s 可得观测方程为： s 唧= p 。l + c 。七c 。缸i + 醵。l 七q + a m w + p m j + y 。 t 2 2 6 ) s 可= p 可+ c 。f 船+ c f ，+ + ，町+ + p 可+ k ( 2 2 7 ) 则一阶差分值定义为出： a s ，= s 。f s 。f ( 2 - 2 8 ) 此时，二站问相关的误差基本可以消除，尤其是- - i n 站相距较近时，信号传 播误差也会有一定的桐天性，将有明显的效果。当距离较远时，就应先进行模型 改j f 后阿做差分。其它不相关的误差，如多路径效应和差分处理后的剩余误差将 划归噪声v 中。 ；_ | i 然，此时噪声的量值较之译点定位将大大减小。( 2 - 2 8 ) 式可写成： a s f = 【p 。一p 。j + c ( a t 。a t 。) + v 。 ( 2 2 9 ) 改化f ：式f ： ： s ，w 一【s 。一p 。j + v = p 。+ c ( a t 。，。一a t 。) ( 2 - 3 0 ) 这哩j 有p 。和c ( 6 t 。一a t 。) 足术知的从i ：式i , i d a 人体理解尊分法的虑义， 湖北工业大学硕士学位论文 即它改善定位的精度是通过对运动站删测伪距的改i f 进行的，而该改f f 量由已知 站的观测值给出，这就相当r 用该监测站的有关数据改j f 轨道有关参数及传播途 径误差，改证量为p 。，一s 。，。 _ i ：面的讨论可知，差分定位求得的点位受监测站点位精度的制约，或者说 所求定的点位的精度是相对于监测站的。通过公式推导可以知道，监测站坐标不 准确对运动站引起的偏差与监测站是近乎相等的。 二阶差分( 站际差与星际差) ：设船台和岸台在对卫星观测的同时，对卫星 k 也进行了伪距观测，故可得到对卫星k 的一阶差分值5 。： a s t = s 。女一s m 则二阶差分值定义为 。： a s m = a s j a s ( 2 - 3 1 ) 即： 临。一s 。) 一 。一s 。) = 叫一p 。) 一。一p 。) + y 简记为： 6 a s = 5 5 p + v ( 2 - 3 2 ) 它的优点是可以基本同时消去卫星及接收机钟差以及轨道误差等。但因星际 单差对单点定位精度没有什么改善，所以该法对伪距单差法定位也无大的改善， 即对误差的消除程度与一阶差分相仿。 三阶差分- 阶差分+ 历元差) ：在相邻两历元，岸台和船台对不同的卫星观测 所得的二阶差分值之差定义为三阶差分。三阶差分对所有观测数据的利用率仅为 百分之十几，且实际计算表明，三阶差分的定位精度低于二阶差分的精度，该法 不被采用。 2 3 3r t k 定位m 1 g p s 的静态、快速静态、动态等相对定位，其精度不仪可满足水下测量定位 的要求，而且可以满足高程测量的要求。但其定位结果均；莆通过观测数据的后处 理而获得，小能实r _ + 给出测量结果，不能满足水卜测量实时导航和实时地检a 测 量成果质 l ；的要求。 r t k ( r e a lt i m ek i n e m a t i c ) 实时动态定位是g p s 测疆技术与数据传输技术 “i 结合i n j 脚成的组合测量系统。它足以城波十h 化为观测 遗的吱叫差分测最技术。 实时动态测；谴的祭本思想是，仃测lx _ 内选择部分控制点作为堆准站，测量时舀：牿 准站，h 奠h 台g p s 接收饥，连续脱测j 衍柯l t j 见g p s 卫星，并将其脱测数抛通过 无线 乜传输设备，实时地发送给丌】l j - 移动测量的g p s 接收机( 移动站) 。移动站g p s 湖北工业大学硕士学位论文 接收机在接收g p sl ! 星信号的同时，通过无线电接收设备，接收基准站传输的观 测数据，然后根据相对定位的原理，实时地计算并显示移动站的三维坐标成果和 精度，以满足测量和实时导航的需求。r t k 技术的成功丌发使g p s 测量的精度和 效率都得到了提高。 r t k 测量系统有g p s 接收机、数据传