浅谈RTK技术在水下地形测量中的应用

发布时间：2022-10-05 21:44 热度：

　　摘要：随着GPS技术的不断发展，尤其是RTK技术的广泛应用，水下地形测量中的定位精度也越来越高,数据传输的距离越来越远,可靠性越来越高，文章针对RTK的技术优势及无验潮水下地形测量的理论基础，介绍了水深测量作业系统的基本步骤指出了作业时应注意的事项，供同行业参考。
　　关键词：水下地形测量 RTK 优势
　　前言
　　水下地形测量成果作为工程勘测设计中重要的前期资料广泛的应用于：1)海塘达标工程、保滩工程的建设、岸线演变趋势分析、码头工程以及现有港口的扩建和改造等都需要每年的水下地形资料。2)在水利工程的规划设计阶段，为了确定开发方案、选择坝址、确定水头高度、推算回水曲线等所需要的河道纵断面图，都是由测量人员收集的水下地形资料来编绘的。3)在桥梁勘测设计中，为了研究河床的冲刷情况，决定桥墩的类型和基础深度，布置桥梁的孔径，需要在上下游地区施测横断面图并且编制河道纵断面图，同样要收集水下地形测量资料来完成。4)监测桥梁的安全，观测水库的淤积和研究河床演变规律等。
　　1RTK的技术优势
　　RTK定位技术(RealTimeKinematic，简称RTK)是以载波相位观测值为依据的实时差分GPS定位技术，实施动态测量。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时通过输入相应的坐标转换参数和投影参数，实时得到流动站的三维坐标及精度。
　　随着GPS技术的不断发展，特别是RTK技术的出现，使得水上测量可以采用GPS无验潮方式进行工作(RTK方式)成为可能。大大减少了测量人员的劳动强度，自动化程度高，省工省时，精度高，全天候，提高了工作效率，使工程变得更经济。
　　2无验潮水下地形测量的理论基础
　　载波相位差分测量的定位精度很大程度上依赖于整周模糊度能否在航精确确定。整周模糊度在航解算(OTF)是一种动态环境下的模糊度确定方法，它可省去在精密动态定位中的静态初始化过程。常规精密定位中复杂的整周跳变问题也因OTF的引入变得十分简单。载波相位差分测量整周模糊度的确定模型为：
　　
　　(1)
　　其中，为状态向量；为状态转移矩阵；为载波相位的测量矩阵；为载波相位的方差阵；为系数阵。
　　(2)
　　由式(2)计算得到整周模糊度N后，代入载波相位观测方程，便可以获得厘米级的平面定位精度。
　　回声测深仪是一种单波束测深设备，深度的测量是根据最小声程决定。按照使用频率个数的不同，又可分为单频和双频。双频测深仪根据两个频率测量深度较差获得淤积层厚度。
　　水下地形测量现状如图1所示，设h为测深仪探头吃水线到RTK测点M的高度；为设定吃水深；Z为测深仪测得的水深；为水底高程；H为RTK流动站在船上测得的高程。则：
　　(3)
　　(4)

      
　　
　　图1水下地形测量现状示意图
　　当水面由于潮水或者波浪升高时，H增大，相应地z也增加相同的值，根据式(2)，将不变。因此从理论上讲，RTK无验潮测深将消除波浪和潮位的影响，是一种理想的水上测量方法。
　　3水深测量的基本作业步骤
　　3.1测前的准备
　　(1)求转换参数。a．将RTK基准站架设在已知点A上，设置好参考坐标系、投影参数、差分电文数据格式、发射间隔及最大卫星使用数，关闭转换参数和七参数，输入基准站坐标(该点的单点84坐标)后设置为基准站。b．将GPS移动站架设在已知点B上，设置好参考坐标系、投影参数、差分电文数据格式、接收间隔，关闭转换参数和七参数后，求得该点的固定解(84坐标)。C．通过A，B两点的84坐标及当地坐标，求得转换参数。
　　(2)建立任务，设置好坐标系、投影、一级变换及图定义。
　　(3)作计划线，如果已经有了测量断面就要重新布设，但可以根据需要进行加密。
　　3.2外业的数据采集
　　(1)架设基准站应在求转换参数时架设的基准点上，且坐标不变。
　　(2)将GPS接收机、数字化测深仪和便携机等连接好后，打开电源。设置好记录、定位仪和测深仪接口、接收机数据格式、测深仪配置、天线偏差改正及延迟校正后，就可以进行测量工作。
　　3.3数据的后处理
　　数据后处理是指利用相应配套的数据处理软件对测量数据进行后期处理，形成所需要的测量成果——水深图及其统计分析报告等，所有测量成果可以通过打印机或绘图机输出。
　　3.4影响水深测量精度的几种因素及相应对策
　　(1)船体摇摆姿态的修正。船的姿态可用电磁式姿态仪进行修正，修正包括位置的修正和高程的修正。姿态仪可输出船的航向、横摆、纵摆等参数，通过专用的测量软件接入进行修正。
　　(2)采样速率和延迟造成的误差。GPS定位输出的更新速率将直接影响到瞬时采集的精度和密度，现在大多数RTKGPS最高输出率可达20Hz，而测深仪的输出速度各种品牌差异很大，数据输出的延迟也各不相同。因此，定位数据的定位时刻和水深数据的测量时刻的时间差造成定位延迟。对于这项误差可以在延迟校正中加以修正，修正量可在斜坡上往返测量结果计算得到，也可以采用以往的经验数据。
　　(3)RTK高程可靠性的问题。RTK高程用于测量水深，其可信度问题是备受关注的问题。在作业之前可以把使用RTK测量的水位与人工观测的水位进行比较，判断其可靠性，实践证明RTK高程是可靠的。为了确保作业无误，可从采集的数据中提取高程信息绘制水位曲线(由专用软件自动完成)。根据曲线的圆滑程度来分析RTK高程有没有产生个别跳点，然后使用圆滑修正的方法来改善个别错误的点。
　　4作业时应该注意的问题
　　4.1有关基准站的问题
　　(1)因为RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值，相位观测值)及已知数据传输给流动站接收机。所以：a．电台天线要尽量高。B.电源电量要充足，否则也将影响到作业距离。
　　(2)设站时要限制最大卫星使用数，一般为8颗。如果太多，则影响作业距离；太少，则影响RTK初始化。
　　(3)如果不是使用七参数，则在设置基准站时要使TransformTowg；ss4(转换到WGS84坐标系)处于off(关闭)状态。
　　(4)如果使用七参数，则AX，AY，AZ都小于±100较好，否则重求。
　　(5)在求转换参数前，要使参数转换和七参数关闭。
　　(6)在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不到1S。基准站和移动站必须要保持4颗以上相同卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果；所以有时偶尔RTK没有固定解也是很正常的。
　　4.2有关流动站的问题
　　1)解的模式要使用RTKExtrap(外推)模式。2)数据链接收间隔要与基准站设置的发射问隔一致，都要为1。3)如果使用海洋测量软件导航、定位，则：a．记录限制要为RTK固定解。b．高程改正要在天线高里改正。4)差分天线要尽可能的高。
　　5结束语
　　利用RTK技术进行水深测量，使得水深测量这项工程变得简单、方便、快捷、轻松、高效、经济，所以不失为一种先进的测量技术，必将得到更加广泛的应用。
　　参考文献：
　　[1]赵建虎，张红梅．水下地形测量技术探讨[J]．测绘信息与工程，1999，88(4)：22—26．
　　[2]梁开龙．水下地形测量[M]．北京：测绘出版社，1995．
　　[3]原宜坤，汪洋．浅谈GPSRTK技术在工程测量中的应用[J]．山西建筑，2007，33(32)：359—360．