基于GPS RTK技术的海洋测深技术研究

杨海忠

摘 要：本文以RTK运用于海洋测绘为研究对象，通过分析无验潮测深方法及其各种影响因素的产生机理，结合当前常用的测深设备的性能指标，模拟计算这些因素在各种海况下引起的定位和测深的误差量级，然后通过对计算结果的分析给出相应的解决办法，为开展海洋测深工作的外业实施提供参考和借鉴。

关键词：海洋测绘 RTK 精度

中图分类号：P228 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）03（c）-0003-02

高精度海洋测深是21世纪海洋测量发展的主要方向之一。海洋测深包含定位和测深两个方面的重要内容，只有同时提高定位和测深的精度，才能提供高精度的海底地形信息数据。由于海洋测深通常在运动载体上完成，因此传统的定位手段无法满足实时定位的要求。随着GPS测量技术的发展，GPS-RTK技术能够在动态环境下获得厘米级甚至毫米级的水平定位精度和厘米级的高程定位精度。在测深方面，单波束测深仪通过水下换能器发射和接收测深脉冲信号，可准确测量换能器至海底泥面的距离。

因此，海洋测深中通常采用GPS-RTK进行定位、单波束测深仪进行测深。目前，国内外广泛开展了GPS-RTK无验潮测深方面的研究，虽然该方法可从理论上消除潮汐模型误差的影响，但都没有综合考虑声速校正、GPS和测深仪信号不同步、测深仪信号延迟、测量船测量瞬间姿态误差等因素给测深精度带来的影响。并且在海况复杂时，这种简易的无验潮测深方法往往难以取得令人满意的效果。为此，本文通过分析无验潮测深方法及其各种影响因素的产生机理，结合当前常用的测深设备的性能指标，模拟计算这些因素在各种海况下引起的定位和测深的误差量级，然后通过对计算结果的分析给出相应的解决办法，为开展海洋测深工作的外业实施提供参考和借鉴。

1 GPS RTK测深技术原理研究

随着GPS全球定位技术的不断发展，GPS实时动态测量在实时导航定位方面的应用越来越广泛。目前GPS定位中应用较多的是DGPS技术，这是一种采用简单的码数据（波长300m）相位平滑的技术，定位精度在纳米级，水下地形高程则需要通过验潮确定。对于大比例尺的水下地形测量或作业区远离陆域不便于验潮的地方，DGPS技术已难于满足要求，而GPS实时动态相位差分（RTK）是一种直接应用L1和L2载波（波长分别为19cm和24cm）相位的GPS定位技术，它在三维坐标上可以提供厘米级的精度，在水下地形测量中无需通过验潮确定泥面高程，这种方法称为GPS无验潮测深。

假定参考站天线高为h1，参考站的正常高为h2，流动站的天线高为h3，参考站GPS天线处的正常高和大地高分别

为h4、h5，流动站GPS天线相位中心的大地高和正常高分别为h6、h7，换能器的瞬间高程为h8，测点高程为h，如图1所示。

h4=h1+h2

h7=h3+h8 （1）

根据GPS差分原理，参考站与流动站间的距离小于30km，可认为下式成立：

h5-h6=h4-h7

h7=h4-（h5-h6）

根据（1）式有：h3+h8=h1+h2-（h5-h6）

则换能器的瞬间高程h8=h1+h2-h3-（h5-h6）。换能器的瞬间高程确定后，所测的水底点的高程就很容易求出：h=h8-测深仪所测的深度。

这样就实现了在水深测量中，无需通过验潮来确定泥面高程，这种方法称为GPS无验潮测深。众所周知，动吃水发生在垂直方向，在实时动态定位时，该方向上的位移量可通过架设在船体中心上方的GPS天线相位中心的瞬间高程信息获得，该高程减去GPS天线到换能器的垂距，便是换能器发射面的瞬间高程，而换能器测量的深度正是建立在该高程的基础上，因而说，船体的动态吃水不用专门去测定，换能器的瞬间高程已经包含了该信息。这是无验潮测深模式所特有的，也是相对传统方法测量精度较高的原因所在。

2 测深误差影响因素分析

2.1 测量误差对测深精度的影响

海水是一种高度流动的介质，其温度、盐度特征不仅受径流淡水和洋流高盐水入侵的影响，同时还受到气温、季节、海流等因素的共同影响。一般而言，海水中声速大致在1430～1550m/s（水温每增加1°，声速增加4.6m/s）。海水介质显著变化的温、盐特征必然导致声速结构的时空变化。由于介质声速不仅受水团运动而经常发生复杂变化，而且不同的声速结构又将直接影响波束射线的传播路径，因此，声速改正在各项误差改正中最重要也最复杂。只有精确确定海水中声速在垂直方向上的变化数值，才能为测深仪、声呐等水下声学设备探测水下目标提供准确的声速校正数据。

声速剖面正是描述随深度的增加声速不均匀变化的二维断面图形，反映了海水中声速随深度变化的规律。根据《海道测量规范》的要求，对于0～20m水深，需要用校对法直接求测深仪总改正数；对于20～200m的水深，需要采用水文资料进行声速改正；对于大于200m水深的声速改正数，使用《回声测深改正数表》，或者使用拟合公式进行改正。海水介质声速结构可以分解为4种类型：等速的均匀层结构、随深度增加声速线性增加的递增型结构、随深度增加声速线性减小的递减性结构、两个不等速均匀层相互叠置的跃层结构。

在不进行声速剖面测量的情况下，通常使用检查板进行测深仪改正数的校对，并且尽量选择在海况好，风、流速小的区域进行。进行声速改正的方法是在不同水深值声速改正数时，从换能器吃水深度起（换能器吃水1.2m），不同声速水层一直到水深值深度的各水层声速改正数的总和。

声速改正的公式如下：

ΔZV=（Ci-CO-1）Zi （2）

式（2）中，ΔZV为声速改正數，C为测深仪实测声速，C0为测深仪设计声速，Zi为各水层厚度。在水深12m处，用检查板校对了某测深仪声速调整后的结果发现，如果不进行声速校正，随着水深值的增加，水深改正数呈线性增加的趋势，20m的水深可以引起0.5m左右的测深误差。如果进行声速校正，各水层和水深值改正数的精度均可以提高一个数量级以上。因此在近岸水深不大的地方进行测深时，如果没有进行声速剖面测量，必须利用检查板进行声速的校正。

2.2 定位和测深不同步引起平面位置误差

近年来，随着GPS硬件技术和数据处理方法的快速发展，GPS硬件的采样率越来越高，并且高频GPS技术也被广泛用于地震形变监测等方法，显示出其独特的优势。目前GPS-RTK定位的采样率也可达到10Hz甚至更高。另外，单波束测深仪的采样率也可达到25Hz。由于定位和测深是两套分别独立的系统，那么定位和测深的时刻就难以准确对齐，并且这种时间偏差会逐渐积累形成系统误差，因此必须定期对定位和测深的时刻进行配准。

若定位和测深采用相同的采样率f，定位和测深时刻之间存在的时间偏差为δtl，则：

0≤δtl≤1/f

若定位采样率为f1，测深采样率为f2，定位和测深时刻之间的时间偏差0<<δt2≤|1/f1-1/f2|。

由此分析，若船速为5km，且定位和测深的采样率均为10Hz，则一个历元可能引起最大5cm的平面定位誤差，若均采用25Hz的采样率时，一个历元将会最大引起2cm的定位误差。当定位采用25Hz采样率，测深采用10Hz采样率时，一个历元将会引起最大2cm的定位误差。由于采样时刻无法准确对齐，则随着历元数的增加，定位误差也将呈线性增加。由此可见，采样率相同时，同时提高定位和测深的采样率有助于降低单个历元平面定位误差。在采样率不同的情况下，应尽量使两者的采样率接近。由于时间偏差会随历元数增加而逐渐积累，因此，不管定位和测深采用何种采样率，都需要定期及时进行定位和测深信号的对齐。这种误差可通过对硬件进行同步配置或者作业时记录参数、作业后进行数据后处理的方式进行减小和消除。

2.3 测量船横/纵摇引起平面位置和测深误差

由于测深仪安装在测量船上，测量船受风浪影响将产生晃动。这种晃动可以分解为横摇和纵摇两种运动。横摇和纵摇的中心与测量船的重心以及测深仪的安装位置有关，测量船的晃动会给测深和定位带来巨大影响，现在从平面和垂直两个方向来分析这种误差的影响。

在进行测深时，需要尽量选择好的海况条件，将横摇角控制在10°以内。如果海况恶劣，则必须要在测深的同时增加罗经、姿态仪、涌浪补偿仪等，只有利用姿态数据对测深数据进行实时或后处理，测深的精度才能满足要求。

3 结语

海洋测深的主要工作载体是船舶，由于海水受风浪、海流以及潮汐等作用的影响，海面及船舶的运动必然是动态且无序，因此，海洋测深的精度必然受到较大的影响。另外，为了降低成本，海洋测深时定位和测深必须同时进行，同时测深数据的精度直接依赖于定位数据质量，即使测深精度再高，测深的位置偏差将直接导致测深数据质量的下降，因此必须同时考虑定位和测深精度，才能保证海洋测深数据成果的有效。当前在各种航道和近岸水下工程中，单波束测深数据作为基础的测量数据，其准确性和精度的要求越来越高。本文结合航道测量规范，分别从定量和定性的角度分析了各种影响单波束测深仪定位和测深数据精度的因素，并给出了减小和降低这些误差的操作措施和建议，希望能为测深外业工作的开展提供有益的参考和借鉴。

参考文献

[1] 刘雁春，暴景阳，李明叁.我国海洋测绘技术的新进展[J].测绘通报，2007（3）：1-7.

[2] 何润财.GPS-RTK和数字测深技术联合在海洋工程勘察中的应用[J].电源技术应用，2013（12）：6-7.