RTK配合C在水下测量中的应用

柴勇 刘建军

摘要：随着测量仪器的发展，给测绘工作带来了前所未有的变革，不仅提高了测绘工作的工作效率，而且大大提高了测绘成果的精度。本文介绍了RTK配合测深仪采集数据，数字化成图，并就其精度问题和成图方法进行介绍。

关键字：水深测量；RTK；精度

Abstract: With the development of measuring instruments, it has brought unprecedented changes to the mapping work; it was not only improving the work efficiency of the mapping work, but also improves the accuracy of the surveying and mapping results. This article describes an RTK with sounder data collection, Digital Mapping, and described the problem of accuracy and methodology.Key words: depth measurement; the RTK; precision

中图分类号：S932.9+15 文献标识码：A文章编号：

0 引 言

传统的水深测量方法是采用前方交会、后方交会、侧方交会以及极坐标法等，通常是把一定精度的水准高程引测至测区附近，测得当天的水面高度，然后利用全站仪定位，测深仪进行测量水深再经过繁杂的数据处理，得到水深数据和水底高程，其定位精度都不高，而且操作较为繁琐、工作效率比较低，尤其对于那些大型水域的水下测量，工作量和难度是非常大的，特别是水面能见度低时，利用全站仪定位将难以完成任务。随着RTK技术的发展，其在平面精度和高程精度上都得到了保证，在高程拟合范围内利用RTK与测深仪联合作业将具有绝对的优势，利用测深仪随机导航软件均匀布置好测线，对测船进行导航，实时按照预定点位密度或预定时间间隔测出每一个水下点的三维坐标，并自动进行记录、存储测量数据，这样既保证了精度要求，又简化了作业过程，大大提高作业效率，降低劳动成本，而且带动水深测量走上数字化、科学化的作业模式。本文就介绍如何利用RTK与测深仪联机使用来完成水深测量任务，并对影响平面及高程精度的误差来源及精度加以归纳总结。

1 仪器设备及测深原理

1．1 仪器设备

1)随着测量仪器的发展，我公司为了提高测绘成果精度和工作效率，率先购进了中海达推出的HD-310数字化成像式测深仪。该仪器数字化图像显示，可以存储，随时回放，配有USB存储接口，可用移动硬盘直接将原始测量数据导出。测深仪的测深精度：±10mm+0.1%h，分辨率1cm，重量仅有9kg，功耗20 w。主要特点是将水底的跟踪技术与脉宽技术完美结合，高速A/D转换，此仪器采用WINDOWS操作界面，数字化图像技术，操作简单、直观。

2)南方GPS双频接收机，具有24通道。接收L1/I2全波位。标称精度：平面为±1 cm+1 ppm，高程为±2 cm+1 ppm。

1．2 测深原理

测深仪是利用发射换能器在水下发射声波，使声波沿水介质传播，直到碰到目标后再被反射回来，反射回来的声波被接收换能器接收，然后再由计算机处理收到的信号，进而确定此处水深。虽然回声测深仪的原理很简单，但水中的情况是很复杂的，如何从众多的杂波中跟踪真正的水底回波信号，需要采用相关的技术，以确保测深的准确性，比如：水底的跟踪技术，对回波的脉冲宽度加以限制，采用浅水抑制技术，自动增益控制技术等。

测深仪是利用声波在同一介质中匀速传播的特性来测量水深，如图1所示。

图1 水下测深原理示意图

Fig．1 The principle of underwater surveying

换能器至水底的深度为：Z=CT/2

式中：C——超声波在水中的传播速度，设计时一般以1500 m/s为标准声速（实际工作中要经测试之后计算得出正确的声速），T——声波在换能器和水底之间往返一次所需的时间，因此，Z值再加上探头吃水深度即为水深。

2 误差来源及精度分析

使用RTK配合测深仪联合进行水下测量，其主要误差来源及精度分析如下：

2．1 平面成果的误差来源及精度分析

平面坐标成果主要由RTK测量所得，RTK测量误差的来源一般分为：同仪器和GPS 卫星有关的误差包括天线相位中心变化、轨道误差、钟误差、观测误差等；同信号传播有关的误差包括电离层误差、对流层误差、多路径效应、信号干扰等。对固定基准站而言，同仪器和GPS卫星有关的误差可通过各种校正方法予以削弱，同信号传播有关的误差将随移动站至基准站的距离的增加而加大，所以RTK的有效作业半径是有限的(一般为10km内)。影响平面精度的主要误差来源及精度如下。

1)参考站点位精度

参考站点位精度是RTK点位一项重要的系统误差来源。根据我国地方网精度不一的情况，如果作业前做了相容性检验和剔除，则拟和残差可控制在±3 cm以内。

2)基线解算精度

整周模糊度确定后一个历元输出的观测基线精度将优于1 cm±1 ppm。

3)系统转换精度

地方网相对于GPS网的尺度误差参差不一，回差绝大部分在5ppm以内，影响流动站相对于参考站的点位精度。以3ppm估计，则10 km边长的中误差在±3 cm以内。

4)观测误差：主要是对中、整平及天线高量取的误差。要求对仪器要认真细心地架设，要有高度的责任心，对天线高的量取可采用两次量取，量取部位要准确，尽量减小观测误差。

5)动态误差

在测深时，测深船瞬时姿态改正将是一项重要误差来源，在平稳的时候测量可以控制在±1 cm以内。

根据误差传播原理及实际作业验证，在RTK固定解的情况下，点位平面精度在±5 cm以内。

2．2 高程成果的误差来源及精度分析

1)仪器本身误差

RTK高程精度为±2 cm+1 ppm，根据基线10 km计算，最大为±3 cm；测深仪测深误差，以HD-310测深仪标称为例，若以水深20 m计，测深误差为±3 cm。

2)参考点高程数据的误差

如果水准测量以四等接测，闭合路线以6 km计，根据规范推算，误差约为±2 cm。

3)多参数改正误差

对采用3个或3个以上的高等级点拟合可减少误差，对于平原地区可以忽略不计。

4)外业人员施测误差

对中杆的稳定度，采取有效的作业方法，其误差可控制在±2 cm以内。

5)水下情况的影响

水底情况复杂，流动的泥沙、浮游生物、摆动的水草对声波都有不同程度的影响，水质的不同对时间的延迟，经过水质的鉴别，声波的增益改正，可以降低影响，根据资料误差大约在±3cm以内。

根据误差传播原理及作业验证，点位高程精度在±6cm以内。

综上所述，RTK配合测深仪联合进行水下测量，平面精度满足大比例尺测图的需要；对于测深而言，根据规范要求在水域地形测量中，若使用测深仪，在流速V<1 m/s时，测点深度中误差应小于±15 cm，所以高程精度也可以达到规范要求。

3 水深测量所需要的设备

1)基准站设备

基准站GPS双频接收机一台，电台一个，三角架兩个，接收机天线盘一个，12 V电瓶一个，电子手簿一个。

2)流动站设备

流动站GPS双频接收机一台，测量船只一艘，测深仪一台，各种连接线若干条，12 V电瓶一个。

3)软件设备

电子手簿内置软件，测深仪外业测量软件，测深仪数据处理软件，内业成图软件。

4 外业施测

现以我公司承接天津市宁河区的水深测量为例，水塘位于津宁公路以北，宁河生态园以东，面积约51000平方米，考虑精度的需要，采用3个三等GPS控制点进行平面坐标转换，而高程除上述3个控制点外，另加2个控制点进行高程拟合。

4．1 准备阶段

包括测区的划定，坐标转换和椭球参数的输入等，如果没有椭球参数，可在作业工程中通过工地校正来现场求出各项参数。

4．2 测量阶段

1)设置好基准站，采取在已知控制点上设站，正确设置各项参数，确保和流动站的设置一致。

2)流动站控制点的采集，流动站接收机置于已知点上，气泡严格居中，固定解时点“确定”即可。

3)RTK和测深仪联合作业

A、流动站接收机与测深仪通过连接线连接好，接收机安置于测深杆的顶部，把测深杆连同探头固定在船的一侧，准确测量探头吃水深度，根据测深仪内置程序计算出此水域的实际声速并正确设置声速值。

B、打开水深测量软件，在新建任务菜单中输入坐标系、比例尺和右下点坐标。在记录菜单中输入航迹为实地行走，坐标类型为经纬度，记录限制为固定解；端口配置：定位仪端口com2；测深仪端口com3；波特率：19200；字长8；检验：无检较；停止位：1；协议：无；数据格式：GPS数据格式选择GPGGA V2.0或3.0，姿态仪、涌浪仪等无需设置。设置好后要进行通讯试验，观察卫星信号、卫星个数，观测是否同步，RTK是否达到固定解，一切就绪后便可入水进行测量，点击记录菜单开始记录。

5 内业处理

把测深仪中的数据用移动硬盘拷进计算机，利用中海达数据处理软件进行数据处理，主要步骤如下：

完成数据处理之后通过数据格式转换可生成CASS数据，导入南方CASS软件成图。

6 结束语

与传统的水下测量方法相比，RTK配合测深仪联合进行水下测量具有巨大的优势，在保证测量成果精度的同時，极大的提高了作业效率、解放了劳动力。因此，RTK技术在近岸和内陆水下测量中将占有越来越重要的地位，此种作业方法也将得到极大的推广。

参考文献

[1] 潘正风．数字测图原理与方法[M]．武汉：武汉大学出版社．2004．

[2] 徐绍铨．GPS测量原理及应用[M]．武汉：武汉大学出版社．2005．

[3] GB/T 18314-2001．全球定位系统(GPS)测量规范[S]．2001．

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。