GPS网络RTK技术在内河航道测量的应用

徐义坤　孙德鹏

[摘要]大力发展内河航道运输具有重要的国家战略意义，其中京杭运河的复苏是一项伟大的工程。然而，在内河航道工程中，水深测量数据的可靠性直接影响着工程设计和建设，因此本文通过对网络RTK技术定位原理分析，通过工程实例阐述了网络RTK在内河航道水深测量的应用。

[关键词]内河航道 网络RTK技术 水深测量

[中图分类号] P228.4 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-3-212-1

1概述

“十二五”规划以来，我国提出要大力推进内河航道建设，加强内河水运在经济发展中的基础和支撑作用。2011年年初，国务院出台了《关于加快长江等内河水运发展的意见》，将内河航运上升为国家战略。京杭运河获得了历史性发展机遇。京杭运河的改造是一项伟大的工程，是实现中华民族伟大复兴的重要举措。京杭运河的疏通意义非常重大，所产生的经济利益不可估量。山东省2011年出台了鲁政发[2011]48号文件，沿河各城市积极响应，大力建设和发展京杭运河，取得显著成绩。

近年来，由于信息化的不断发展，GPS网络也得到了快速发展并广泛应用于航道测量中，将GPS定位技术与通信技术结合起来，提高测量定位精度、使用RTK技术减小基站与移动站的误差，使航道测量中降低人力成本、减小维护成本实现智能化、远程传输、无人化管理的新型测量技术具有重要意义。

2 RTK 定位技术简介

GPS 实时动态定位 （Real Time Kinematic ， 简称 RTK） 技术是一种将 GPS 与数传技术相结合， 实时解算进行数据处理， 在 1～ 2 s 的时间里得到高精度位置信息的技术。20 世纪 90 年代初，这项技术一经问世就极大地拓展了 GPS 的使用空间，使GPS 从只能做控制测量的局面中摆脱出来，开始广泛运用于工程测量领域。使用 RTK 技术可以方便、快捷、高效、快速地实现高精度的测量作业， 但是 RTK 技术仍存在着一定的局限性， 使其在现实应用中受到了限制，主要表现为：

① 用户需要架设本地的基准站；

② 误差随距离的增长而增大；

③ 误差的增大使流动站和基准站之间的距离受到限制（<15 km） ；

④ 数据的可靠性和可行性随距离的增加而降低。为了解决常规 RTK 技术存在的缺陷，实现区域范围内厘米级、精度均匀的实时动态定位，网络RTK 技术应运而生， 其中比较有代表性的有 VRS（ Virtual Reference Station ） 虚拟基准站技术和 FKP区域改正参数法技术。这两种技术就是将全网架设的所有基准站的数据发送到一个数据处理中心， 经过解算，然后统一发送改正数据，所在区域就不能测量的问题。

VRS 技术的工作原理：

VRS 是 Trimble 公司提出的基于多基准站网络环境下的 GPS 实时动态定位技术， 通常把 VRS 技术归为网络 RTK 技术的一种。虚拟基准站技术就是利用地面布设的多个基准站组成 GPS 连续运行基准站网络 （ CORS ），综合利用各个基准站的观测信息， 通过建立精确的误差模型 （如电离层、对流层、卫星

轨道等误差模型）， 在移动站附近产生一个物理上并不存在的虚拟基准站 （ VRS ） 。由于 VRS 位置通过流动站接收机的单点定位解来确定， 故 VRS 与移动站构成的基线通常只有几米到十几米， 移动站与虚拟基准站进行载波相位差分改正， 实现实时RTK。VRS 技术是集 Internet 技术、无线通讯技术、计算机网络管理技术和 GPS 定位技术于一体的定位系统。由若干个连续运行的基准站、数据控制中心、移动站 （ 用户— GPS 接收机） 组成。其工作原理和流程如下：

（ 1 ） 各个基准站通过 Internet 连续不断地向数据控制中心传输观测数据；

（ 2 ） 控制中心实时在线解算各基准站网内的载波相位整周模糊度值和建立误差模型；

（ 3 ） 基准站将单点定位 /DGPS 确定的位置坐标（ NMEA 格式）；通过无线移动数据链路 （ 如 GSM/GPRS 、 CDMA ） 传送给数据控制中心，控制中心在移动站附近位置创建一个虚拟基准站 （ VRS ） ，通过内插得到 VRS 上各误差源影响的改正值，并按RTCM 格式通过 NTRIP 协议发给流动站用户。传统的GNSSRTK技术有许多缺点制约着测量中的使用，比如：

①每次测量都需要搭建新的基准站；

②获得的空间点误差与两站点距离成正比；

③基准站与流动站之间的数据通讯主要依靠UHF或VHF高频或甚高频电台进行数据直线传输；

④流动站距基准站较远时则无法使用，即不能实现远距离操作；

⑤获得的较远距离数据可靠性和可用性较低。这些问题都反映了传统GNSSRTK技术存在的问题影响测量精度和应用范围。

网络RTK技术则是一个令人兴奋的选择，其具有覆盖面广、点精度均匀、定位精度高、数据传输距离远等优势，所以具有较好的应用前景。

山东省卫星定位连续运行综合应用服务系统（ShanDong Continuously Operating Reference Station System，简称SDCORS）的建设在不同应用领域之间搭建了一个技术与服务平台，不仅向测绘用户提供统一的、动态的、连续的、高精度的时间和空间基准，还可以向社会各需求部门提供各种地理空间信息数据服务，是“数字山东”的基础设施之一，也是我省一项重要的空间数据基础建设工程。

该项目由山东省国土资源厅和山东省气象局合作建设。山东省国土资源厅主持，山东省国土测绘院具体组织实施。以“共建共享”的方式，纳入地市和行业已建CORS系统，实现在山东省境内的定位服务，项目于2007年正式启动，于2010年09月系统一期建成，11月底系统全网试运行。 SDCORS工程由参考站网子系统、系统控制中心子系统、数据通信子系统、用户服务子系统四个子系统组成，各子系统通过计算机网络连接，形成省市两级系统数据共享、协同运行的多中心有机整体。 SDCORS建设的意义在于：为山东省的大地测量、国土测绘、城市规划等应用提供了统一的空间数据参考框架；向各类用户提供高精度的实时定位服务；进一步发展了省级系统的设计方法、标准化、系统联网等技术。

3 SDCORS在京杭运河航道测量应用

3.1水下地形测量

水下地形测量在航道、港口、水利、资源等领域拥有越来越广泛的应用。在河道整治和航运方面，为了保证船只安全行驶，用以了解河底地形，查明河中的浅滩、沙洲、暗礁、沉船、沉树等影響船只安全行驶的障碍物；在港口码头建设方面，为了在建港地区进行疏浚工作及停泊轮船而要修建码头，需要进行水下地形测量，作为其设计和施工的依据；在水利工程建设方面，利用水下地形测量资料，可以确定河流梯级开发方案、选择坝址、确定水头高度、推算回水曲线；在桥梁工程建设方面，用以研究河床冲刷情况，决定桥墩的类型和基础深度，布置桥梁孔径等；在科学研究方面，通过水下地形测量和有关河道纵、横断面测量，可以研究河床演变及水工建筑前、后的水文形态变化规律，监视水工建筑物的安全运营，观测水库的淤积情况。现代水下测量定型为采用 GPS作为平面定位手段 ，回声声纳设备作为测深手段 ，并根据水位面的高程反算水底点高程的基本模式。在实际生产中 ，当测量水域位于验潮站作用范围内时 ，该模式可被采用 ；但当工作水域超出了验潮站的有效作用距离范围或因无法架设验潮站而不能获取验潮资料时 ，该模式难以实施。传统GPS-RTK作业方式需用户架设基准站； 且误差随距离的增长而增大，流动站和基准站之间的作业距离受到限制。由于传统GPS-RTK上述特点，在长距离航道测量中受到限制，采用网络RTK技术即可解决距离问题。

3.2 工程实例

京杭运河山东段分黄河以北和黄河以南两段。黄河以北从德州第三店至位山，长235公里，由于水资源缺乏，已于20世纪70年代末期断航。黄河以南从位山至陶河口，长275.6公里，由梁济运河、南四湖和韩庄运河组成，为京杭运河山东段的通航河段。2000年济宁至徐州段续建工程完成，其中济宁段130公里已由六级航道提高到三级航道，使千吨级货轮可往返于济宁至江南航线。枣庄段运河航道里程93.9公里，建有台儿庄、万年闸两座国家二级标准船闸，年通过能力2500万吨，可通千吨级货船，辖区内还建有枣庄、滕州、万年、台儿庄四个吞吐量在100万吨以上的港口及20个吞吐量在50万吨以下的作业区。港口总设计能力1300万吨。年吞吐能力200万吨的滕州港是京杭运河的第一大港，枣庄的煤炭、建材等资源可通过运河运往江、浙、沪。

本次京杭运河航道水下地形测量由山东济宁测至江苏大王庙，全长192公里。采用传统GPS-RTK测量方法，受作业距离限制，降低了工作效率。为了保证测量精度，提高作业效率，采用SDCORS进行测量。京杭运河山东省段采用了C级GPS成果求得转换参数，C级GPS成果是平差后的WGS-84坐标成果，与SDCORS 采用的84成果一致，求取转换7参数，转换残差平面3cm，高程5cm。到已知控制点进行校核，能够满足平面和高程精度在10cm以内。在进行水深测量时，由于全线有4个船闸将测区分为5段，采用四等水准测量要求，分别在每一测段固定位置引测临时水位站。分别采用水位站数据与RTK水位处理水深，通过比较水深值确定RTK水位测量精度。选取万年闸至台儿庄船闸落差较大区域比较水深数据，此段区域航道长度14.5km，落差38cm，抽取水深数据500个进行比较，误差在0.1m以内486个，0.1-0.2m14个，大于0.2m无，通过上述水深数据比较，SDCORS网络RTK测量精度能满足规范要求。

4结论

在控制点均匀分布整个测区，采用C级以上控制点成果的WGS-84坐标求得的转换参数，外业工作中平面及高程测量精度完全能达到规范规定。2、现阶段网络RTK技术已经成熟，在内河航道测量中，定位精度是完全能够达到要求的，主要是水位控制精度，在航道落差较大的区域，网络RTK实时水位能够满足要求。3、在大面积测区，特别是100km以上航道，网络RTK技术比常规架设基站方法，节省了大量人力和物力，极大的提高了工作效率。通过分析表明，网络RTK技术提高了测量的精度，减轻了作业人员的负担，提高了工程质量。

参考文献

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