GPS RTK技术在青草沙水库水下地形测量中的应用

　　摘要：GPS全球定位系统在工程测量方面的应用已越来越普及,在上海市青草沙水库工程中,利用GPS实时动态(GPSRTK)测量系统,成功地解决了水深测量时的平面定位和高程测量。通过工程应用，本文对GPSRTK测量精度的影响因素进行了分析，并提出了相应的控制对策。
　　关键词：GPSRTK；水下地形测量；精度影响因素
　　
　　
　　一．工程概述
　　上海市青草沙水库工程位于长江口北港上口长兴岛的北侧、中央沙下游与长兴岛北沿相隔上口封闭的北小泓涨潮沟。总面积约70平方公里，年均径流总量为4896亿立方米。水库的建成，可形成有效库容5.53亿立方米，日原水供应规模达950万立方米，受益人口超过1000万人。工程预计2010年实现向市区供水，2012年全部完工。
　　水库原水工程系统主要由水库及取输水泵站工程、过江管道工程和陆域输水系统以及输水泵站等工程组成。水库环库大堤包括新建堤线和原海塘加高加固堤线，其中新建堤线可划分为南堤、西堤、北堤和东堤，总长度约33.1km，原海塘加高加固堤线总长度约16.3km。
　　为满足工程可行性研究阶段的需要，对库区进行1：5000水下地形图测量。经论证，确定采用GPSRTK技术进行水下地形测量，该技术可以减少实际作业人数，提高工作成效。
　　二．GPSRTK原理
　　GPS（GlobalPositioningSystem）全球定位系统定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知点的起算数据，采用空间距离后方交会的方法来确定待测点的位置。常规的GPS测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得高精度的测量结果，而RTK(Real-timekinematic)技术即动态实时载波相位差分技术，是实时处理两个测点载波相位观测量的差分方法，是能够在野外实时得到厘米级的定位精度的测量方法，它的出现是GPS定位技术上的又一项重大突破，它使GPS技术向更深、更新、更广泛的方向发展。这一高新技术已在工程测量、地藉测量、和大面积测图等领域得到广泛应用，极大推进了测量行业技术的革新。
　　在RTK作业模式下，它分为基准站和流动站，基准站通过数据链实时地将测量的载波相位观测值、伪距观测值、基准站坐标及差分改正数等用无线电传送给运动中的流动站。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，得到基准站和流动站坐标差△X、△Y、△H。坐标差加上基准站坐标得到每个点的WGS-84坐标，通过坐标转换参数转换得出流动站每个点的平面坐标X、Y和海拔高H。得到厘米级定位结果，历时几秒钟。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。在整周未知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持4颗以上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。
　　三．GPSRTK仪器介绍
　　本次作业所使用的仪器为集GPS接收机、天线为一体的美国Trimble5800测量系统。它包括先进的24通道双频GPS和WAAS/EGNOS接收机，并内有增强实时动态测量的eRTK技术完全集成的内置无线电调制解调器。实时定位精度为：平面10mm＋1ppm，高程20mm＋2ppm。初始化时间小于30秒。单个基准站作业半径可达20～30公里。
　　
　　四．作业准备
　　(一)测区D级GPS控制网的建立
　　库区海塘上布设加密GPS平面控制网，控制网控制范围尽量覆盖整个测区，按D级GPS要求进行施测，结合已有此区域控制网资料，根据GPS网形要求和工程要求，共选取了17点与已知平面点G3355、G3354、G3357组网。采用静态双频GPS进行观测。经过数据处理和基线解算，D级GPS网的最弱点点位中误差、最弱边相对中误差、边长相对中误差等各项精度指标均远高于规范规定，点位平面误差详见表1。所有GPS点的高程均按照水准测量规范进行四等水准测量以确定。
　　表1GPS网平差后点位平面精度表
　
　　(二)坐标转换
　　平面坐标转换是将GPS测量结果转换为测区地方坐标，一般采用二维相似转换算法，GPS测得的纬度和经度转换到地方地图投影平面，然后再用转换参数（尺度比、旋转角和平移量）将其转换为地方坐标。GPS测量技术得到的是WGS84坐标系的坐标。为使满足本工程的使用的需要，就要建立WGS84坐标到地方坐标系、WGS84大地高到地方高程的转换参数。用控制点联测法求解坐标转换参数适用于当测区已有地方假定坐标系。在此次作业过程中我们联测了测区的GPS控制点GQ1、GQ6、GQ19、GQ22、GQ26、GQ30,获得精度较高的转换参数。
　　(三)基准站位置的确定
　　GPSRTK基准站架设点的选取不仅要考虑点周围遮挡物，以及大功率无线电发射台、变电站、高压输电线等无线电干扰源对GPS信号的影响，还要考虑基线长度对测量精度的影响。通过比较分析，选取地势较高、无遮挡的GQ6、GQ19、GQ22点作为水下地形测量时的基准站，详见图1。
　　
　　图1GPSRTK基准站点位示意图
　　
　　五．水下地形测量实施
　　工程作业时采用两台TrimbleRTKGPS流动站及一台TrimbleRTKGPS基站进行水上平面定位和水面高程测定。水深测量采用两台中海达HD-27测深仪进行，导航软件采用“Haida海洋测量软件28”，软件自动同步定位、导航和采集水深。为了消除计算机和GPS时钟误差，导航软件的定位、导航和采集水深的时间统一为GPS的时钟时间。
　　(一)GPSRTK测量的实施要点
　　测量船停泊在平静的水域,测深仪换能器安装在距船首1/3～1/2船长处，以消弱船动吃水误差。在换能器探头中心的同一竖轴线上架设GPS接收机天线，并连接GPS接收机与测深仪,打开水深测量软件,设置好相应的连接参数及记录格式、数据格式等环境参数。要利用GPSRTK的实时高程替代水位,需要把流动站的接收机天线高度设置正确，应在测深软件中修改为接收天线中心到静止水面的高度。根据以上设置，RTK接收机天线到换能器中心的距离应等于RTK接收机天线高的数据加上换能器吃水数据。此时，就可以利用RTK的实时高程,替代水位观测,且其精度达厘米级。
　　测量前用声速仪对测深仪进行校正。流动站天线到水面高每天作业前均用小钢尺精确量取，并设定到导航软件(在测深仪计算机中)和RTK手簿中，同时岸上用全站仪测定水面高程，与导航软件测定的水面高和RTK测定的水面高进行比对，再用测尺测定水深，与测深仪测定的水深进行比对，所有比对结果一致后才开始作业。
　　水下数据采集为每秒一组，然后内业进行数据筛选。为了保证水面高程测定的精度和可靠性，每天水下测量的同时在岸边进行全站仪直接验潮，在水下作业开始前10分钟进行测定，时间间隔10分钟，一直持续到水下作业结束后10分钟。水下地形测量按断面法进行布线，断面间距100m，断面与堤线连线垂直。计划测线覆盖整个测区。水下地形测量除按计划测线进行测量外，还在测区测量了约75km的重合或相交测线进行水下高程比对，经检核重合区域的高程较差不大于±10cm。水下地形测量数据采集的数据转换采用“Haida海洋测量软件28”转换成“南方CASS成图系统”软件的数据格式，与陆地地形合并，进行数字化成图。
　　(二)实时高程替代水位观测的优点
　　1.不用考虑测量船的动吃水,因为船体上升与下沉时,在RTK测量的实时高程中得到了反映,省去了动吃水改正这一项。在涨潮与退潮时间段,潮位变化大,此时RTK实时高程测量解决了水位不断变化问题,实时测出测点处水面高程。
　　2.测量时测船会因波浪等原因有上升或下沉的情况,此类垂直方向的变化,都能够由RTK实时高程做出真实的记录。RTK实时高程测量,减弱了水深测量过程中因许多瞬间不确定因素对最终水深观测量值的影响,使最终水底高程测量值更接近于真值。
　　六．影响RTK精度的因素分析及对策
　　通过实际作业，本文发现GPSRTK精度的影响因素主要有：
　　（一）基准站坐标精度。由RTK的工作原理可知，如果基准站的坐标精度较低，流动站得到的三维坐标都带有系统偏差，因此基准站坐标具有较高精度非常重要；
　　（二）坐标转换参数精度；
　　（三）作业环境。基准站的选择要合适。要尽量远离大功率的无线电发射台，如高压线、变电站、飞机场等；
　　（四）人员因素。测量员作业不熟悉，在作业时，如果屏幕显示不是RTK固定就记录数据，会使测量点的精度很低，甚至出现粗错；如果接受机天线未保持垂直，测设的成果就不可取，人为地减低了测设点坐标精度；如果电瓶电量不足，也会降低流动站测设坐标精度和可靠性。
　　为提高GPSRTK测设精度，在作业工程中需要采取一下必要的措施：
　　（一）基准站尽量选取在较高的位置，要适当提高基准站发射天线的高度。尽量采用已建成的国家高等级GPS点或在一个控制网内经过统一平差的GPS点，使用适当多的已知控制点。
　　（二）根据卫星星历预报，选择几何图形强度因子较小、卫星数量较多的时间段进行测设。适当延长在每个测设点的时间，并且流动站天线尽可能保持垂直，以确保测设出的数据是固定解。
　　（三）将流动站的作业半径控制在10km以内，若想提高作业距离，可用定向天线，定向天线可以使信号集中在某一个方向上，因此当将天线指向正确的方向时，能明显提高作业距离，或者也可以选择电台中继站，即在合适的距离增设一台中继站电台，中继站电台一边接收来自基准站发射来的数据，一边发射这些数据，这样也能明显提高作业距离。
　　（四）求取转换参数时，严格检查各控制点的坐标，并仔细检查RTK点校准的H残差和V残差值，看其数据是否在规定允许的范围内。
　　（五）供电电瓶一定要有足够的电量。
　　7结语
　　本文通过GPSRTK技术在水下地形测量中的实际工程应用，深切的体会到：
　　（一）GPSRTK作业有着极高的精度，观测速度快，在水上测量中不需要预报潮位，平面定位方便，非常适合于大规模的水下地形测量及其它地形测量等。
　　（二）GPSRTK测量可以大大提高成果质量，自动化程度高，它不受人为因素的影响，整个作业过程由电脑控制，自动记录、自动数据预处理、自动计算，大地降低劳动作业强度，减少工作量。
　　（三）在工程测量中，可以直接运用GPSRTK技术进行实地实时放样、点位测量、导线控制测量等，提高作业效率，越来越受到人们的青睐。
　　（四）运用GPSRTK技术测量得到的三维数据形成了相应的电子文件，这些数据便于保存和方便其他工程或建立工程管理数据库使用。
　　
　　参考文献：
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