基于GPS-RTK技术的水深测量研究

摘要：伴随着科技文明的进步，水深测量技术不断向前发展。论文阐述了RTK水深测量技术的基本原理，构建了基于GPS-RTK技术的水深测量系统结构，研究了其水深测量作业过程，并针对精度影响因素和注意事项进行了分析。

关键字：RTK 水深测量 注意问题

0 引言

在以航海为主要应用目的海道测量中，最基本的工作是进行水深测量。水深测量是水上定位与测深作业相结合的测量作业。水深测量常采用水面船只进行，测量船沿计划测线航行某一间隔距离采集定位与水深数据，经一系列的数据修正处理后，得到准确的水深。

以往的水深测量多采用交会定位，测量工作受气象因素影响较大，精度难以保证，测量工作难度大，外业测量人员也很艰苦，且成图时间长。实时动态测量(RTK)技术已在陆地测量中应用成熟，逐渐向海洋测量发展。

1 GPS-RTK测量技术基本原理

GPS(全球定位系统)是近年来普遍采用的水深测量定位法，它是继NNSS(子午卫星导航系统)之后美国推出的第二代卫星定位系统，已经广泛应用于航空及地面各种测量工作中。GPS 测量系统在水深测量定位方面通常采用两种定位方式:实时差分定位(DGPS)方法与实时动态(RTK)定位技术。

RTK(Real Time Kinematic)是一种基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。RTK测量技术被广泛应用于城市、矿山等区域性的控制测量、工程测量、地籍测绘、工程放样、航道测量、航空摄影测量以及运动目标的精密导航等。图1是RTK技术测量水深的原理图。

图1 GPS-RTK水深测量原理

图中，相对于某项目的高程基准面，流动站的天线高为H2，换能器的瞬间高程为H3，水底点0的高程为H0，H为测深仪测出的水深值(-H0表示大小和H0一样，但方向相反)。假设换能器长度为L，可以得出:

􀀁 􀀁式中测点的平面位置HO由RTK实时测出，则 则为水深。

2 基于GPS-RTK技术的水深测量系统结构

基于RTK 的水深测量系统由基准站和移动站构成。基准站主要由GPS接收机和数据发射电台组成。移动站架设在测量船上，GPS接收机与测深仪通过安装有专业的水下数字化测量成图软件的计算机连接起来，可同时定位测深。系统的整体结构如图2所示。

图2 RTK水深测量系统结构

装载流动站的测量船在水下数字化测量成图软件的实时监控下，可对江河、湖泊、浅海进行全天候的水下地形测量。操作人员可通过计算机对测量成果进行现场处理，并由外接绘图仪打印输出，从而真正实现测量内外业一体化。

3 基于GPS-RTK技术的水深测量作业步骤

测量作业分三步来进行，即测前的准备、外业的数据采集测量作业和数据的后处理形成成果输出。

3.1 测前的准备

(1)求转换参数。为了保证RTK的定位和高程测量精度，测区周围至少要有3个已知高等级的测量点， 且这些点连结的几何图形能够把测区包围在里面。通过点校正，求转换示意图。图3是选择A、B、C、D、E 五个校正点的情况。

图3 点校正平面示意图

① 将GPS 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WGS-84坐标后设置为基准站。② 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(WGS-84 坐标)。③ 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。设置好记录设置、定位仪和测深仪接口、接收数据格式、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了。

3.3 数据的后处理

数据后处理通常指利用后处理软件将所测数据进行后期处理，其中包括测深仪改正、动态吃水改正参数、定位及水深数据误差参数改正、采集水深取样、综合改正输出、图型的整饰等，将其转换成为现行成图软件所认可的数据，并在上面绘制出地形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。

4 基于GPS-RTK技术的水深测量的注意问题

基于RTK 的水下地形测量系统的主要误差影响因素有: 电离层折射误差、对流层折射误差、多路径效应误差、星历误差、接收机钟误差、天线相位中心位置偏差等。为了提高测绘成果的精度，在作业过程中应注意以下事项:

4.1 船体摇摆姿态的修正

船体在水面行驶的过程中，船体姿态是随时变化的。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。

4.2 采样速率和延迟造成的误差

GPS定位输出的更新率将直接影响到瞬时采集的精度和密度，现在大多数RTK方式下GPS 输出率都可以高达20Hz，而测深仪的输出速度各种品牌差别很大，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。

4.3 RTK 高程可靠性的问题

RTK 高程用于测量水深，其可信度问题是倍受关注的问题。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。

4.4 选择合适的基准站站址。

基准站站址应远离障碍物和干扰源，以免数据链失锁。视场周围15以上不应有障碍物，以防止GPS信号被遮挡或被障碍物吸收，并使接收机观测到尽可能多的卫星。点位附近不应有高压线、无线电发射源，以避免电磁场对GPS信号的干扰。站址应高于周围地物，以提高作业半径。

5 总结

相对于传统的测量手段, 基于RTK 的水深测量系统定位精度高，基准站与移动站之间无需通视，操作简便, 自动化程度高, 劳动强度小，可全天候作业, 效益高，具有广阔的前景。目前, 利用RTK 技术进行无验潮水深测量理论上已经成熟, 但这种方法在实际生产中广泛应用, 还需要进一步验证和总结, 从而形成规范的、得到管理机构认可的作业程序和统一标准。

参考文献

[1] 王风雷,卢清平.GPS-RTK技术在水深测量中的应用[J].山西建筑，2008，34(12):355-356.

[2] 王琼.RTK测量精度分析与研究[D].吉林大学，2008.

[3] 邹顺平,张德军.基于RTK的水下地形测量系统的探讨[J].山西建筑，2009，35(30)：358-359.

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