高精度水深测量水位改正方法研究

高精度水深测量水位改正方法研究 冯建军 中交上海航道勘察设计研究院有限公司 上海 200120 摘要 摘要 在分析水位观测方法和潮位模型缺陷的基础上 给出了 GPS 实时潮位改正的测量方法 基于 GPS RTK 动态定位技术 水位改正对测深数据的影响进行了分析 提出提高 GPS RTK 实时潮位测量精度的方法 将这些研究成果应用到连云港新建徐圩航道的回淤观测工程中 观测结果表明 GPS 无验潮测量方法相对传 统的潮位改正测量方法在实施的简便性 精度等方面具有较大的优越性 关键词 GPS RTK 无验潮测量 姿态改正 垂直基准转换 动态吃水 1概述 对于航道回淤研究分析和岸滩冲淤分析 水深测量是一项有效的观测手段 通过对测 区不同时期的水深变化来反映开挖航道的淤积和岸滩冲淤情况 而水深测量的水位改正的 精度对于确保水深测量精度十分重要 现有的水位改正主要分传统的潮位站改正及 GPS RTK 无验潮实时潮位改正 在传统的海图测量中 测量船处潮位通常是利用验潮站的观测 潮位通过潮位模型推算得到 在小比例尺海图 狭长航道和锚地测量中 由于测量水域距 岸边潮位站的距离较远 一般通过在测区附近抛设验潮仪 再采取分带内插的方式获得 1 4 GPS RTK 载波相位差分测量技术已能在动态情况下实时提供厘米级垂直定位 这为 GPS RTK 无验潮测量提供了可能 它能够准确地给出船位处实时潮位的真实变化 有效地克服了传 统方法的局限 3 大大减少了潮位模型误差对水下地形测量的影响 由于原理上的完备性 GPS 潮位测量的精度通常高于传统潮位测量的精度 因而也受到广大海道测量部门的高度 重视 3 本文就海洋测量中水位的采集 水位改正方法 实际工程中的应用情况 测深误 差来源及提高测深精度采取措施等方面进行探讨 2水位观测方法 水深测 的潮位改正需要收集施测作业当时的潮位数据 现今的潮位资 收集方式主 要有 近岸潮位观测 GPS 验潮 外海潮位仪三种 2 1 近岸潮位观测 近岸潮位观测站布设于测区邻近港口或较 受波 影响的岸边地区 要求水尺底部需 低于最低低潮位面且稳固 较长期的潮位观测则常需设测井采用自记水位计连续观测 其 优点潮位观测站的数据可靠 数据连续 基面关系清晰 2 2 GPS 验潮 GPS 验潮是基面 GPS RTK 技术的发展 可以分为静态与动态验潮 较常用的是动态实 时潮位改正 用 GPS 进 无验潮模式的水深 测 潮位观测步骤 减少 野外工 作 由于直接得到海底点高程 因而也减少 内业水深 测数据潮位改正后处 的工作 相对传统作业方式 该方法可以说是一项很大的变革 但受海况条件的限制 以及 GPS 讯号接收遮蔽问题及无线电传输 径等之限制 对于海上作业 无验潮模式的水下地 形测 要受电台作业距离的限制 一般作用半径不超过 20 公里 2 3 外海潮位仪 外海潮位仪往往应用于近岸潮位观测站无法控制测量区域瞬时水位时 采用增设临时 水位站 在距离陆地较远的海上地区 潮位数据的收集主要采用自容式压力式潮位仪 要 确保仪器在恶 海况下可以正常运作 又要考虑是否会因为人为因素使得仪器的布放位置 产生变化而无法回收或影响数据准确 所以外海仪器置放及维护的成本较岸边置放仪器 为高 且外海布放仪器损耗较大 人员出海布放或检视需视天候许可 维护困难 故外海 潮位仪器的点位密 与分布范围无法与陆上与近海相比 也造成外海实时潮位资 的缺乏 受临时潮位站观测时间段短等缺点 虽可采用同步改正法 潮差比法 最小二乘潮位法模 式及方法来进行邻近测区长期验潮站测深基准面之传递 以获致较为精准的临时点基准面 资料 但难以满足精度要求 3水位改正方法对比 3 1 传统的水位改正 传统的水深测量必须同时观测潮高 并利用瞬时水面作为媒介 将岸测潮高引算至测 船施测位置 以进行潮汐改正 进而得到与岸测潮高位于同一高程基准之水深值 但由于 测船施测位置的潮高 会与岸测潮高间存有不一致 其将直接影响到水深测量成果的正确 性 水位改正的方法较多 在水运工程水深测量中 大部分采用分带法 分带方法一般可 分 3 种 单站分带水位改正 双站分带水位改正 三角 三站 分带改正 水位分带改正法 是基于假定两个水位站之间的水面是一个倾斜的水平面 这就有可能按直线内插的方法 求取水深点的水位改正数 按照同样的假定 还将这个方法延伸应用于三站之间的分带改 正 5 测区较大水域有必要采用加权系数平均值计算法确定测深点的水位改正值 加权系 数平均值的计算理论依据是水深测点的瞬时水位与其测区内潮波同相的各水位站的水位是 呈相关关系 即各站间潮时和潮高变化与距离成正比 6 3 2 RTK GPS 实时潮位改正 无验潮实时潮位改正的的其工作原理是在基准站安置一台 GPS 接收机 对所有可用 GPS 卫星进 连续性观测 并将其观测数据通过无线电传输设备 实时地发送给流动观测 站 在用户端 GPS 接收机在接收 GPS 卫星信号的同时 通过无线电接收设备 接收基准 站传输的数据 然后根据相对定位的原 实时的计算并显示用户观测站的三维坐标 结 合 GPS 天线在船体坐标系 VFS 下的坐标 海面相对 VFS 原点的垂直距离 获得瞬时海面高 程 最终获得在实时潮位 4水深测量误差来源及提高精度的措施 4 1 水面高程传递误差 海洋测量海底的高程获得是依靠水面进行传递 在高程传递的过程中 需进行潮位站 水尺零点的测定 潮位观测 潮位改正过程 以下逐一展开讨论 1 潮位站水尺零点的测定误差 潮位站水尺零点的精度直接关系潮汐观测的准确度 其测定是通过水准测量的方法测 定 在水准测量过程中基准点 仪器 水准尺 观测过程 标石下沉因素会带来误差 从 而给水尺零点高程式带来误差 2 潮位观测误差 潮位观测方法主要有水尺观测法 验潮井观测法和传感器式水位计观测法 本次抄录 长期观测站的潮位资料是采用验潮井观测法观测的 它是在特制的竖井中引入海水 保持 井内外水压平衡 在井中设置浮子 由浮子带动记录滚筒转动从而记录水面高程变化 在 井与海水连通环节上设置了阻尼设备 这样在一定程度上消除了波浪的影响 提高了水位 判读精度 同时也会引起水位的滞后和压缩 3 潮位改正误差 由于潮位改正数学模型是将验潮站之间的海面及潮位基准面作为直线来处理 仅适用 于潮差均匀变化且测点恰好位于两验潮站连线上的情况 局部水域潮位的变化规律与潮位 站间水位的变化规律不一致且实际情况是海面为不规则的曲面采用此方法 会带来潮位内 插的误差 4 2 GPS RTK 实时潮位误差来源 GPS RTK 实时潮位的误差与 GPS 技术的误差一致 主要与卫星有关的误差 卫星轨道 误差 卫星钟差 相对论效应 与传播途径有关的误差 电离层延迟 对流层延迟 多路 径效应 以及与接收设备有关的误差 接收机天线相位中心的偏差和变化 接收机钟差 接收机内部噪声 等有关 除受上述因素影响外 RTK 测高精度主要与以下因素有关 1 适用范围 本文 4 2 中提到 WGS84 大地高向正高的转化中必须按经典的布尔莎 七参数模型进行转化 坐标转换参数不准确可影响到 2 3cm 左右 RTK 测量误差 模型的 建立应根据测量目的 要求精度 卫星状况 接收机类型 测区已有控制点情况及作业效 率等因素综合考虑 按照优化设计原则对测区进行控制 控制网要求控制整个测量区域 对于外海区水深测量 受控制点限制往往采用陆地上范围跨度较大的控制网镜像到测量区 域 以达到 GPS 测高的精度要求 2 受制于基准站的影响 由上述原理可知 水位的确定是由 GPS 通过 RTK 方式获 得的 因而基准站点位的准确与否对水位的确定有着直接的影响 其次差分 GPS 技术在 20Km 内 基本可以消除各种卫星误差 但随着距离的增加 垂直误差显著增大 所以差 分 GPS 应在相应的作用范围内进行作业 3 受制于地理环境的影响 采用 RTK 工作方式时 差分信号起着至关重要的作用 由于地理因素的作用 如高山的遮挡 河流的转弯等 差分信号往往强度减弱或被中断 致使 GPS 接收机难以进入 RTK 工作模式 其次海平面作为信号反射物会增加多路径效应的 干扰 4 其他因素的影响 接收机的性能 软件解算误差 不同时刻卫星状态和观测条件 引起的误差等因素也制约着 GPS 测高的推广应用 4 3 船舶姿态变化产生的误差 测深系统工作载体是测量船舶 在测量过程中 由于船舶姿态的变化 必然会引起船 上的 GPS 天线和换能器产生相应的变化 引起平面定位和测深误差 1 船舶横向 纵向摇摆带来的测深误差 船舶横向 纵向摇摆造成换能器姿态的变化 使发射波束相对船舶四周方向发射 偏 离垂直方向从而引起误差 如图 1 图 2 设 为测船横摇角 设 为测船纵摇角 两者 综合对测深有下列关系 d Sm cos cos 式中 Sm 为实测水深值 2 船舶横向 纵向摇摆带来的平面位置误差 在测深系统安装时 尽管 GPS 天线同测深仪的换能器布置在同一铅垂线上 然而在实 际测量过程中 由于船舶载体姿态的变化 纵摇和横摇 造成 GPS 天线和换能器的中心 偏差 此偏差在载体坐标系中分别表现在沿纵轴和横轴方向的偏差 如图 3 考虑到纵摇 和横摇对平面的影响类似 其偏差为 D H L sin 式中 为载体纵摇和横摇时的角 度 为测深仪实测深度 为 天线至水面的高度 从公式可以看出 船舶姿态的 变化造成的纵摇和横摇对平面位置的影响显著 而且同测区的水深有很大关系 实测越深 平面定位误差越大 3 船舶动吃水产生的测深误差 船体动态吃水发生在垂直方向 对在航潮位的确定有着比较大的影响 因此必须考虑 动态吃水与船速 船型和水深等因素相关 可以通过霍密尔动态吃水经验模型确定 9 5徐圩航道水深测量 图 4 工程区域及潮位站分布图 5 1 系统设备配置 水深测量作业系统主要包括法国 Z MAX 双频 GPS 接收机系统按 RTK 实时动态定位 无 锡海鹰 HY1600 测深仪测深 英国 TSS HS 50 升沉传感器进行动态补偿 Hypack 导航软件同 步采集观测数据 为了使差分信号有足够的辐射距离 基准站站位选择在测区附近的地势 较高的徐圩海洋站 船上 GPS 接收机天线固定在船舱上方开阔位置 易于观测且避免了多 路径效应对海上 GPS 测量的影响 测量中 GPS 接收机输出定位数据的时间间隔设置为 1 s GPS 天线相位中心 TSS 姿态传感器与测深仪换能器保持在同一垂线上 TSS 的采样频 率设置为 5 Hz 测量期间 GPS 的定位信息 TSS 姿态传感器的 heave 和测深仪测量深度均 被 Hypack 读取和存储 外业包括数据采集 导航 航迹断面等显示 坐标转换 设备监 控 格式转换 后处理包括潮位改正 姿态改正 外业数据编辑 等深线图等 5 2 质量措施 为了提高监测的精度 在工程实施中着重做好 GPS 高程的转换 GPS 高程是确定潮位 的重要参数 其精度直接影响着最终潮位测量成果的精度 因此 在确定潮位之前 需要 在已知的控制点上校核 对 GPS 平面及高程进行质量控制 其次在监测过程中必须监控定 位系统的定位模式 一旦失锁 必须重新初始化 确保 RTK 的模式为固定解 由于风浪的 作用船体会发生横摇 roll 纵摇 pitch 以及起伏 heave 变化 这些变化改变了 GPS 天线在理 想船体坐标系 VFS 下的坐标 为了获得瞬时海面高程 必须进行姿态改正 7 姿态改正的 主要作用 一是根据 GPS 天线处的瞬时测量高程获取瞬时海面高程 二是补偿船体姿态变 化给潮位测量带来的影响 GPS 测量基于 WGS84 椭球面的大地高 而潮位多用基于理论深 度基准面的海图高程表示 因此需把大地高转换为海图高 因此 要实现 WGS84 椭球面与 海图理论深度基准面之间的转换需要通过两步来实现 8 第一步是高程基准面从椭球面到 似大地水准面之间的转换 即大地高向正常高转换 第二步是高程基准面从似大地水准面 向理论深度深度基准面的转换 即正常高向海图高的转换 5 3 观测成果 以某测次徐圩航道中心线观测资料为例 实施现场观测条件较为理想 观测时通过海 洋站同步观测波浪资料 最大浪高 28cm 平均波高为 11cm 根据 GPS RTK 数据获得的瞬 时海面高程按 1 分钟的平均值作为实时潮位 并与用供油站 徐圩海洋站 车牛山潮位站 改正得到的潮位进行比较 潮位站及 RTK 基准站站位图如图 4 比较结果如图 5 若以潮 位模型内插潮位为参考 则 GPS RTK 潮位的最大偏差为 0 18 m 最小为 0m 均方根为 0 09 m 这些参数表明 在 18 km 航槽范围内 GPS RTK 潮位和潮位站内插潮位具有很好的 一致性 图 5 有验潮潮位模型改正与 GPS RTK 实时潮位修正值比较 该先导试挖 徐圩航道浚挖至 8m 工程于 2010 年 5 月 30 日交工验收 交工后长达 4 个月的对徐圩航道回淤观测里 采用无验潮和有验潮多站改正的测量方法进行了 3 次大 规模的徐圩航道水下地形及固定断面测量 通过成果对比结论 总体对比来说 两种测量 方法水深互差平均值为 0 07 米 第 1 次和第 3 次互差均小于 15cm 具有较好的对比性 5 4 提高测深精度的措施 根据上述水深测量误差的来源 可以提高测深及定位等精度的措施来提高测深精度 下面着重讨论提高 RTK 测高精度的措施 1 RTK 的作用距离 RTK 技术当前的测量精度 RMS 平面 10mm 2ppm 高程 20mm 2ppm 受 RTK 数 据链的传播限制和定位精度要求 RTK 测量一般不超过 10km 在 GPS 接收机的性能要求 方面必须选择 RTK 型双频接收机 其次选择电台性能要好 传送距离要远 能正确无误的 将基准站的数据发送到流动站 在满足精度的前提下 可以采用中继站进行中转差分信号 2 基准站架设 为了保证 RTK 测高的精度 必须严格选择性能优的基准站 因为基准站接收机每次卫 星信号失锁将会影响网络内所有流动站的正常工作 其次选择基准站的站位也十分重要 选择视野开阔 截止高度角应超过 15 周围无信号反射物 尽量设置于相对制高点上 以 方便播发差分改正信号 远离微波塔 通信塔等大型电磁发射源 200 米外 要远离高压输 电线路 通讯线路 50 米外 3 流动站测量 为了检验当前站 RTK 作业的正确性 必须检查一点以上的已知控制点 当检核在设 计限差要求范围内时 方可开始 RTK 测量 在 RTK 测量水下地形时 利用确定的动态吃 水与船速的关系 为了保持数据链的连续 应尽量保持稳定的姿态测量船匀速 不出现显 著的加速度 4 观测条件 船姿对测深及平面定位精度的影响较大 必须尽量避免在风浪中进行测量 特别是深 水作业时特别注意船舶姿态对测量的影响 另一方面 开发研制对测量船航行时姿态的实 时同步记录系统 如在各个航迹点的船舶纵向 横向摇摆变化 通过建立模型 对所测量 的深度 平面位置轨迹进行修正 6结语 本文结合水位的观测方法及其改正对水深测量的影响进行了分析 通过对水位改正这 一重要环节的讨论提出有助提高水深测量的精度的措施 通过工程实例连云港徐圩航道回 淤研究水下地形监测中采用无验潮与有验潮相结合的办法 发挥各自的优势 提高对测深 的精度 满足回淤观测研究的需要 有验潮水位改正的优点体现在固定长期验潮站水尺零 点固定 基面关系清晰 潮高资料具有很好的连续性 无验潮水位改正的优点体现在速度 快 动态水位能够消除船体上下起伏带来的测深误差 大大提高水深测量精度 相对传统 的测量方法 该法具有方便 快捷和简单等特点 具有很强的可操作性和可行性 7 参考文献 参考文献 1 赵建虎 刘经南 周丰年 GPS测定船体姿态方法研究 J 武汉测绘科技大学学报 2000