GPS—RTK技术在水下测量中应用原理及误差分析

周广宇

【摘要】本文简要分析水下测量工作原理，结合GPS RTK技术在水下测量工程中的应用，对水下地形进行实时定位。文章给初入测量领域者提供了一些参考，并在作业中细节完善方面给出一些建议，对影响测量误差的因素进行分析，列出减小误差，提高测量精度的几种方法和注意事项。

【关键词】水下测量； GPS RTK技术；误差控制

1、 GPS-RTK技术

GPS-RTK指的是实时动态卫星定位，由一座GPS接受基准站和一个或多个流动站组成，RTK工作原理是：利用2台以上GPS接收机同时接收卫星信号，其中一台接收机在已知高等级点上（基准站）安置，对所有可见卫星进行连续的观测，并将其观测数据和测站信息，通过无线电传输设备，实时地发送给流动站，即未知点上的另一台GPS接收机。流动站GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线接收设备接收基准站传输的数据，然后根据相对定位的原理，实时解算出流动站的三维坐标及其精度，即基准站和流动站坐标差△X，△Y，△H，加上基准坐标得到的每个点的WGS-84坐标，通过坐标转换参数得出流动站每个点的平面坐标X，Y和海拔高H[1]。

2、水下测量工作原理

水下地形测量方法大多采用经纬仪交汇或全站仪以及GPS配合测深仪，目前采用较多的是GPS加测深仪组合测量方法，测深仪的换能器与主机之间有电源线和数据线相连，测深工作由换能器来完成，其工作原理如图1、图2所示：

图1

图2

H水深=H吃水深度+H测，H测≈

3、 GPS-RTK技术在水下测量中的应用

随着经济社会的发展，水下测量技术广泛应用于水利工程建设、工程质量检测、河道、航道地形分析、防洪评估等领域。然而传统水下测量方法测量精度不高，测区范围有限，工作量大等制约了测量的质量和效率，GPS-RTK测量技术在水下测量中的实现了空前发展。

水下地形测量采用GPS-RTK技术，基准站架设在高精度大地控制点上，流动站GPS架设在测量船上，H水下底面高程=H流动站-HGPS相位中心到换能器的高-H测，如图3所示：

图3

进行GPS-RTK水下地形测量的步骤是： 1.布设基站控制点，首先，选择合适控制点架设基站电台，宜将其架设于地形开旷、稳固地基之上。其次，需要在电台信号控制范围内有3个以上且包含测区的高等级测量控制点。在首级控制网的基础上，為满足地形图及断面等测量的需要，必须进行加密控制点的测量。2.水下地形测量，基准站以及电台架设完成后，将流动站GPS、测深仪和笔记本电脑通过数据盒连接成一体，导航软件指导测量船在预设测线上航行，并将GPS和测深仪实时测得数据导入笔记本电脑，由海洋测量软件处理生成水下地形图或导出测量*.dat数据，再由成图软件绘制水下地形图，还可根据需要制作成3D地貌图，更直观的展现出水下地貌特征。

4、误差分析与控制

4.1 GPS-RTK误差分析与控制

4.1.1 GPS-RTK误差分析

导致RTK测量误差的常见因素包括：GPS卫星和RTK仪器引起的误差：1.GPS卫星轨道误差、RTK天线相位中心变化等；2.信号传播误差：因大气延迟、对流层、信号干扰及多路径效应所产生的误差；3.设备操作不当造成的误差：包括基准站误差、参数转换误差、基准站与流动站操作人员（数据链）误差等[2]。为确保RTK测量的精准度及其成果质量.就必须对RTK误差及质量进行控制。

4.1.2 GPS-RTK误差控制

1） RTK天线相位中心变化误差，可通过观测值的差分削弱相位中心偏移的影响，接收机天线定向应以天线附有的方位标志为准，必要时进行天线检验校正。

2） GPS卫星信号受天空云层影响较大，在一天的中午，电离层造成的干扰是最大的，此时共用的卫星数量少，因此，测量人员可以避开中午时段作业，当GPS信号稳定且获得固定解，垂直精度达到3cm左右时方可进行测量。

3） 基站架设前应加强对周边环境的检测，尽量远离无线电、电磁波及雷达站等信号干扰源[4]，高大建筑物附近以及高压线下面也要避免架站，宜选择高处、开旷处，在稳固地基上架设基站，实现基站电台信号强大稳定。

4） GPS测量要选择基线精度不低于5mm+1 ppm、高程精度不低10mm+2ppm、性能较为稳定且受外界环境因素影响小的仪器[3]。GPS-RTK测量时宜尽量多布控加密点，且各加密点须呈多边形分布，避免加密点线性排列，最后应选择1～2个已测点核查，RTK定位平面误差大致控制在1～2cm。高程误差大致控制在1～4cm。在相应加密点要做好标识，在参数转换时选择误差较小的点参与，删除误差较大的点，保证转换参数的准确度。

5） 为减小基准站的误差，可选择同时架设两台基站， 在作业半径内进行测量时，在同一个测量点使用手簿切换两个基站分别进行测量，将得到的两个测量数据进行比较分析。但这种方法工作量较大，比较繁琐。

6） 一般基站电台信号较弱以及GPS卫星接收机电池电量不足也会对测量数据产生一定影响，测量时将流动站的距离大致控制在基站点10km半径之内，在测量过程中注意及时更换电量不足的GPS接收机电池。

4.2 水下测量误差分析与控制

4.2.1 水下测量误差分析

水下测量环境复杂，情形特殊，影响测量精度的因素较多，忽略误差较小（单项因素影响结果1%以内）以及不可避免的情况，在可控范围内的误差主要包括：1.系统误差方面主要是由声线弯曲引起的相位测量误差[5]；2.随机误差方面主要是由噪声引起的相位测量误差[5]；3.仪器操作和其他人为误差一般包括换能器静态吃水误差、船舶动吃水误差、读数误差；4.测区环境误差主要是水底质地误差等。

4.2.2 水下测量误差控制

1） 系统误差方面主要取决于作业区的声速结构，这是由声波传播路径中水体的温度和密度变化引起的。一般情况下在夏秋两季，声线存在明显弯曲，而且弯向海底并经海底反射，声能被大量损耗，传播条件很差；而在冬季，由于声速上下层相差不大，声线弯曲较小，而且弯向海面，海面反射的损耗远比海底小，声能传播较远，测量精度也较高。这类误差在夏季影响最严重时可达2%以上，而在冬季只有0.2%。鉴于声速剖面在时间和空间上的可变性，为保证精度就必须实测声速剖面，并尽可能在入射角小于30°的锥形体内测量。重要水下地形测量任务可避开夏季进行。

2） 控制随机误差方面，由于相位测量误差与信噪比的平方根成反比，提高信噪比能有效地减少海洋噪声对测量结果的影响，提高整个系统的精度。采取各种措施对噪声源进行抑制并降低噪声是提高信噪比的主要方法之一。噪声根据来源可分为海洋环境噪声和舰船噪声2种，海洋环境噪声主要是海面波浪产生的空化噪声，舰船噪声主要是机械噪声、水动力噪声和螺旋桨噪声。选择流线型的测量船和换能器，选择低噪音的发动机，增大换能器吃水，在低风速时测量，降低船速都可以有效地降低海洋噪声、提高信噪比。

3） 测量前需要进行动态吃水实验，可在测区岸边架设全站仪，在测量船上设立标杆，在船行驶过程中连续观测读数并记录数值，并将船只逆流和顺流行驶的情况和行驶速度一并考虑进行测试，求得船只吃水深度变化平均值。

4） 考虑到测区水底质地的影响，测量前先做儀器调试实验，在换能器正下方水底面垫放钢板，钢板尺寸在80*80（cm）左右，不宜过小，多次进行测深标尺测量取平均值，再与仪器测量的读数相比较，不断调整测深仪主机参数，当测深仪水深读数最为接近实际数值时保存参数设置。

5） 量取换能器静态吃水深度时，需要注意船体的整体受力平衡，避免船只因压力向一边倾斜较大，导致读取的吃水深度误差较大。当遇到风力较大的情况时，水面和船只的大幅度波动会导致较大的测量误差。

6） 测量过程中，在不同的水深测区，要调整测深仪主机相应参数，较浅 （约小于1.5m）时应避免同时设置高频率和高增益，这样会导致水深值跳点，误差较大，深度增加时可适当调高增益。

7） 为了检查水深测量的精度，在工程最后要进行检查测量。通过检查测量的水深数据和平面定标数据，同已生成的方格网状水深地形图上的数据进行比较，计算水深点的深度比互补差及水下地形点的高程中误差等。

5、结 语

随着GPS-RTK技术在工程建设领域的广泛应用，如何更加熟练利用GPS-RTK定位，保证高质、高效的完成工程建设任务已成为众多工程建设人员面临的重要课题。将GPS-RTK技术应用到水下测量中，有效提高了测量工作的效率与测量的准确度，进一步将测量误差控制在最小范围之内，使得水下测量应用到更广泛的领域。

参考文献：

[1]刘基余，李征航，王跃虎，等.全球定位系统原理及应用[M].北京：测绘出版社，1993.

[2]杨玉光.GPS RTK测量技术在水利水电过程中的应用[J].2013（14）：128-129.

[3]尹景伟.浅谈GPS RTK技术在水利工程测量中的应用[J].江苏水利，2012（11）：325-326.

[4]张冠华.论水利水电工程中GPS RTK测量技术应用[J].广东科技，2011，9（10）：68-70.

[5]隋海琛，田春和，韩德忠，等.水下定位系统误差分析[J].水道港口，2010，31（1）：70-71.