GPS水下地形测量误差分析及改正

　　摘要：从GPS水下地形测量出发，粗略地分析研究了GPS的误差来源以及误差对水下地下测量的影响，同时，提出了相应的改正办法。
　　关键词：GPS、误差、改正
　　
　　差分GPS水深测量的误差来源传统划分为平面定位误差和水深测量误差，事实上，由于GDPS水道测绘系统是由多种系统设备所组成，单纯地考虑三维定位测量是不全面的。GDPS定位测量的误差来源应分为GDPS平面定位误差、水深测量误差、水面高程传递误差、系统延时和船舶姿态等综合误差进行讨论。
　　1差分GPS定位误差
　　1.1差分GPS平面定位误差
　　差分GPS是利用基准站和移动站GPS接收机之间误差的相关性，用差分技术消除和削弱两者的公共误差提高移动台的动态定位精度。但采用伪距差分和载波相位差分时，其误差的相关性是随着两站间距离的增加而减弱，定位精度随之下将。
　　DGPS差分技术在30Km内，基本消除了卫星钟差、卫星轨道误差、大气层延迟误差，但随着距离的增加，卫星轨道误差、大气层延迟误差及RMS显著增大，因此可认为差分GPS技术在局部范围内对移动台定位精度有很大改善。
　　1.2差分GPS的时间延迟
　　由DGPS的定位原理，移动台是接收来自基准站的差分信号进行差分改正而实时计算出移动台的位置.在此过程中，移动台GPS接收机要经过基准站差分改正数的计算→改正数发射→差分信号接收→观测卫星→差分改正→发送位置信息→计算机接受信号的过程。在这个过程中，包含两方面的时间延迟:其一是由基准站GPS接收机计算出差分改正数，经过数模转换、数传机到移动台的数传机，再经过数模转换进入移动台GPS接收机的时间延迟。其二是进入移动台GPS接收机的差分信号经接收机进行处理计算，在送至计算机，由计算机进行计算和存储的时延。
　　此外，若系统采用事后差分模式，由于目前大多数的导航软件在设计的过程中，移动台记录的定位数据中的时间系统采用计算机的时钟，而基准站进行数据采集时，一般为UTC时间，这样在后处理过程中进行数据合并时，如果计算机的时钟同UTC时间不能保持严格同步，则会引起基准站和移动台数据的时间系统误差而影响最终的处理结果。
　　2水面高程传递误差
　　海洋测量中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要进行深度基准面的确定、潮位站水尺零点的测定、潮位观测、潮位改正过程。在这个过程中，必然会产生这样或那样的误差。
　　2.1深度基准面的确定误差
　　深度基准面是一种相对基准面，是为方便船舶航行、便于海图的水深换算以及满足海洋航道科研、设计的基准面，有时也称为设计水位，深度基准面在理论上是同大地平均水准平行的，我国普遍采用理论深度基准面.但在内河，此相对基准面是倾斜的，大致同河床平行，称为航行基准面，在长江航行基准面呈西高东低的形态，在长江下游地区感潮河段，则采用理论深度基准面。
　　理论深度基准面的确定一般是以水文计算的办法来确定，以航行保证率的方法计算。通常以95%的通航率为标准，而航行保证率是用统计的方法确定的，统计资料的时间愈长，得到的保证率愈高.然而，在最初确定某处深度基准面时，是很难依据保证率来确定。因而，理论深度基准面虽然是顾及潮汐变化的一个人为的深度起算面，但它对海图使用的影响最终与潮位预报的准确程度有关，只要获得准确的从深度基准面起算的潮高，就可获得实际水深值。我们知道理论基准面是依验潮站多年的资料确定的，其实质是确定理论深度基准面同平均海面的差值.但在多年的潮汐观测过程中，地壳的形变、水尺基准水准点的不规则下沉，水尺零点水准测量过程、潮汐的观测以及统计资料时间区间上仪器、观测方法的更新必然会带来系统误差和观测误差，直接影响理论深度基准面的确定精度，最终影响到理论深度基准面之间及同国家高程基准间的换算精度。
　　2.2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到潮汐观测的准确度，测定。在水准测量过程中基准点，仪器、水准尺、观测过程、从而给水尺零点高程带来误差。
　　2.3潮位观测误差
　　其测定是通过水准测量的方法标石等下沉因素会到来误差，受太阳、月球及起天体引力和地球自转的相互作用，地球瞬时海面形成一个动态起伏的面。影响瞬时海面高程变化的因素很多，但主要是由潮汐和波浪所引起。潮汐是一种长周期波，具有极强的规律性，通常将其看作为一个确定性过程，而波浪为一种短周期的波动，具有一定的随机统计性，通常将其作为一个扰动因素。目前，几乎所有的潮位观测方法均是针对波浪的扰动，消除和消弱其扰动影响，以期获得准确的潮汛水位值。潮汐观测(或水位观测)方法主要有水尺观测法、验潮井观测法和传感器式水位观测法等。
　　水尺观测法是海洋测量中普遍采用的方法，多应用于临时验潮站上。基本方法是选择一个合适的验潮位置，竖立验潮水尺，某时刻在水尺上读取2-3个瞬时水面观测值，取其平均值作为该时刻的水位观测值.此方法简单易实施，生产成本较低，但在动态环境上读取水位观测值，受观测者的主观因素很大，虽然人工读数用平均法消除了部分波浪的影响，但又附加了一部分人的随机观测误差.因此，读数平均法的滤波性能不稳定、数据精度不高。
　　2.4潮位改正误差
　　在沉PS和水深测量仪器联合作业中，所测得的水深值是测船定位点处的瞬时海面至该点海底的深度。除了声速改正、吃水改正等影响测深仪读数的改正外，还必须将实际测量的水深值换算为相对于理论深度基准面或平均海水面的高程，也就是得到稳定的深度场，需要进行潮汐改正(或称水位改正)。由于测量船所处的海面受到潮汐的涨落起伏，作周期性的升降运动，水深测量是在这个不断升降的海面上进行的，测得的深度是由瞬时海面起算的深度，为了正确地表示海底地貌、就要把测得的深度化为规定的深度基准面(我国采用理论深度基准面)起算的深度，在工程测量中，有时采用当地多年平均海面作为起算的深度，这就是水位改正。如图l所示
　　
　　图1潮位改正误差图
　　潮位改正的数学模型为:
　　H=h-Hc
　　式中，h为实测水深；Hc为瞬时相对于理论深度基准面的水位(或潮位)；H为测深瞬间海底相对于理论深度基准面的高程。
　　从式中可看出，Hc的观测精度会直接影响最终海底的相对高程。
　　在上段中，我们讨论了潮汐的观测方法及其误差来源，这个讨论是基于单个的潮位站开展的。事实上，在水深测量的过程中，随着测深位置同潮位站的距离的增加，其潮位的相关性显著减少，因而在一定的精度误差约束下，验潮站存在一定的有效作用范围。对于大范围的海洋水深测量，则必须设置多个验朝站进行验潮，并进行内插改正。
　　3时间测定误差
　　测深仪的发射器由震荡、功能、发声等电路组成，回声信号放大器由功放、检波、限幅、射极输出等电路组成，时间的测定是在这两者间对信号放大比较测定，由于受分辨率的限值和信号在线路及电路上的延迟，必然存在时间的测定误差，则对深度值的影响为
　　
　　式中，为时间测定误差。
　　随着电子技术的发展，对于测深仪的时间测定问题目前已得到很好的解决，时间测定误差己不再是影响水深测量的主要误差源。
　　4波浪对测深数据的影响及其消除
　　引起海面起伏的原因很多，如风浪，潮汐，海啸等。由风引起的波浪，是海上分布最广，出现概率最高，对水深测量产生影响最大而最不容易消除的一种随机误差。
　　波浪与普遍物理上的规则波有所不同，规则波的振幅、周期，波状是有恒定的值，而波浪的振幅变化无章，相位杂乱;周期、波长变化和方向分散;波浪发生的时间是随机的，形状也极不规则。在水深测量中，测区内每一测点的波浪是随地点变化的，其变化无法预知，没有规律性。例如相隔几米其波面高之差比两点的潮汐差大得多。因此，对于波浪的影响的消除是件不易的事。
　　波浪除了随机性外，还有方向性、传播性。波浪是带有方向性的物理现象，它是跟当地的风的方向以及外海波浪的传播方向有关，而且还表现在波浪本身的方向分散。对于某个海区的一个大范围来说，波浪又具有统计特征，由于海区波浪的时空变化的随机性，一般可采用概率统计的方法去估算、预报波高、波周期和波长，所以可以得到某海区一定范围内的统计值。但并不能预测到海区内每一点波浪要素，因此，波浪的这一统计特征并不符合水深测量对测深点的同步要求。
　　
　　参考文献：
　　[1]郭秉义，李洪涛.差分GPS定位技术与应用[M].北京电子工业出版社，2005.
　　[2]吴定邦.TRD-GPS技术在水下地形测量中的应用及探讨[J].江西水利科技，2004(10).