GPS PPK技术在远海水下地形测量中的应用

杜锐

(上海勘测设计研究院有限公司,上海 200434)



GPS PPK技术在远海水下地形测量中的应用

杜锐

(上海勘测设计研究院有限公司,上海 200434)

在远海区域进行水下地形测量，水面高程的获取成为技术难题，采用GPS PPK技术进行水面高程传递能够取得较高的精度，并且满足工程项目的需求。

GPS PPK；远海；水下地形测量；高程传递

0 引 言

近年来海上风电发展迅速，风电场选址已从近海区域延伸至远海区域(离海岸线30 km以上)，为工程勘测中水下地形测量带来了技术难题。

目前，水下地形测量技术方案主要有两种，一种是传统的潮位法[1](潮位观测、潮位推算、潮位传递)，该方法在测区附近设置多个临时潮位站进行观测或利用周边有效距离内验潮站数据，从而获得测区潮位进行高程传递，再配合测深仪数据获取水下地形点；另一种为RTK三维水深测量法，该方法利用GPS RTK技术动态实时获取水面高程，与测深仪数据匹配或利用测深仪七参数模式直接获取水下地形点。

上述两种技术手段均有各自的局限性，潮位法精度没有足够保障，且周期长成本高，在远海区域更是会将这种局限性放大；RTK三维水深测量法虽然精度高且实时获取数据，但受限于基准站电台信号的发射距离，流动站通常只能在20 km范围内进行作业，无法在远海区域进行水下地形测量。

为了解决技术难题，满足工程需求，经研究论证及实验数据分析，GPS PPK技术可用于远海区域水下地形测量，并在实际工程项目上进行了成功的应用。

1 技术原理

动态后处理差分技术(PPK)，在测量过程中，只需连续记录基准站和流动站的原始观测数据，而无需在站间进行实时数据通讯。事后利用IGS 提供的精密星历或广播星历、原始记录数据和基准站的已知坐标，计算出基准站的相位改正数。根据GPS 定位原理，基准站和流动站在一定距离范围内定位误差具有较好的空间相关性，故可以利用基准站的相位改正数对流动站的相位观测数据进行改正，进而获得流动站的精确三维坐标[2]。

载波相位观测的校正值Δs可描述为

(1)

将校正值带入载波相位观测方程，可得：

{[Xi(t)-Xr(t)]2+[Y(t)-Yr(t)]2+

(2)

从式(2)中未知数的个数可知，只要流动站接收机和基准站接收机均观测了4～5 颗以上的在视GPS卫星，利用最小二乘法即可算出在航GPS的三维位置。

2 精度分析

为了分析GPSPPK技术的定位精度能否在远海区域达到工程需求，本文从理论精度及实验精度两个方面进行了分析，且重点分析高程精度是否满足需求。

2.1 理论精度

双频GPS在PPK作业模式下，其测量精度的计算公式为[1,3]

平面定位精度

M(x，y)=±10 mm+1 ppm×D,

(3)

高程定位精度

M(h)=±20 mm+1 ppm×D,

(4)

式中：D为基线长度，单位是km.根据式(3)及式(4)，在基线长80 km 范围内，平面和高程定位精度均≤±10 cm，在远海区域(离岸边不超过80 km)可以满足海上风电工程水下地形测量对水面高程的精度要求。

2.2 实验精度

本文应用PPK技术进行了两次实验，两次实验的配置参数一致，采样间隔均为1 s，流动站初始化时间均为5 min.

实验1是PPK成果与静态成果进行对比，在已经做了静态测量的控制网上选取一已知点架设PPK基准站，流动站分别到不同距离的已知点上以地形点的方式采集数据，PPK采集的数据与静态网无约束平差成果比较如表1所示。由表1数据表明采用PPK技术所测成果与静态成果高程差值均在5 cm以内。

表1 PPK成果与静态成果比较

实验2是PPK成果与RTK成果进行比较，在汽车顶部固定两台GPS流动站，两者天线高一致，其中一台设置为RTK流动站，按1秒采样率采集连续地形；另外一台设置为PPK流动站，同样按1 s采样率采集连续地形。RTK基准站架设在实验场地附近的已知点上，PPK基准值架设在约30 km以外的已知点上，汽车以23.7 m/s的速度在平整的路面缓慢行驶，图1示出了两台流动站的高程曲线，由该曲线图可知两者成果非常接近。

图2示出了两台流动站的高程差值曲线，由图可知RTK与PPK成果高程差值绝大部分在5 cm以内，少数历元超过5 cm且不超过8 cm.

3 工程实例

本次应用的工程案例为沿海某风电场水下地形测量，该风电场场址中心距离岸线约30 km，面积约70 km2，场址范围海底等深线为11到22 m.测量时采用PPK技术按一秒采样率采集水面高程，用测深仪采集水下地形，二者通过UTC时间进行匹[5]，再加以姿态改正、声速改正，最终获得水下地形点，图3示出了最终地形测量成果，通过收集的第三方资料可知，测区附近验潮站的水准点高程异常值为12.009 m，本工程采用PPK解算该水准点高程异常值为11.980 m，差值为0.029 m，表明成果数据精度可靠[4]。

4 结束语

文中介绍了远海区域海上风电项目水下地形测量的技术难点，分析各种测量技术的优缺点，提出以GPS PPK技术进行水面高程的传递，通过理论分析及实验研究证明该技术定位精度满足工程需求，并在沿海某海上风电场项目得到了成功的应用，对同类工程项目具有一定的参考意义。

[1] 李素江，王华原.GPS PPK潮位测量技术在疏浚测量中的应用[J].水道港口,2012,32(2)：178-184.

[2] 赵建虎，王胜平，张红梅,等.基于GPS PPK/PPP的长距离潮位测量[J].武汉大学学报(信息科学版)，2008,33(9)：910-913.

[3] 谌业良,姜晓晖.双频GPS PPK技术在西藏公路线路测量中的应用[J].水道港,2002,23(2)：97-99.

[4] 李凤斌,柳光魁,王晓丽等.长距离跨海高程基准传递方法及精度[J].现代测绘, 2007,30(2):7-8,16.

[5] 美国国家海洋电子协会.NEMA-0183协议[EB/OL]. http://wenku.baidu.com/

GPS PPK Technology Application in Offshore Underwater Topographic Survey

DU Rui

(ShanghaiInvestigationDesignandResearchInstituteLtd,Shanghai200434,China)

In the offshore area of underwater topographic survey, access of surface elevation become a technical problem , GPS PPK technology for the surface elevation transmission can achieve higher precision, meet the requirements of the project.

GPS PPK； offshore； underwater topography survey； height transmission

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.023

2016-07-11

P228.4

A

1008-9268(2017)01-0111-03

杜锐 (1986-)，男，硕士生，主要从事测量数据处理工作。

联系人： 杜锐E-mail:tjduruiboy@163.com