GNSS支持下的无验潮测深模式优化

高兴国，田梓文，麻德明,3，郑 剑，刘焱雄

(1. 山东电力工程咨询院有限公司,山东 济南 250013； 2. 国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061； 3. 中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100)

水深测量是海道测量和海底地形测量基本手段，也是海洋工程建设前要进行的基础工作，无验潮水深测量和人工验潮水深测量是目前水深测量中常用的两种方法。与无验潮水深测量方式相比，采用人工验潮站的方式，不仅成本高、作业效率低，而且由于人为因素干扰，水位改正误差被累积，有限的验潮站数据也很难构造精确的潮汐模型，导致测量结果可靠性差。

近年来，随着GNSS技术的发展，能够实时或准实时地将高精度的定位数据引入水深测量中，使得无验潮水深测量模式成为现实并得到了越来越广泛的应用[1-4]。桑金[5]在国内首先采用了GPS大地高的信息进行水深改正，认为它是一种实时的、与动吃水无关的、无验潮站的水位改正方法，可以认为是我国无验潮水深测量的初步探讨。随后不同学者利用GPS RTK、CORS等技术进行了无验潮水深测量应用[6-10]，奠定了GNSS无验潮技术大规模应用的技术基础。水深测量包含定位和测深两个方面，只有同时提高定位和测深的精度，才能提供高精度的水下地形信息数据，因此在开展无验潮测量应用的同时，学者们分别对无验潮测量作业模式的误差来源和测量精度进行了分析与评估[11-16]，特别是在定位精度、船舶姿态、时间延迟、姿态改正等方面进行了重点研究与探讨，并提出了消除或减小误差的技术方法，为优化作业方案提供参考。

1 无验潮基本原理

无验潮测深法是相对于传统的验潮测深的水下地形测量技术而言的，海上无验潮测量集成多种类型传感器和软件，包括高精度定位设备(GNSS)、姿态传感器(INS)和测深设备(SB/MB)及数据采集软件。基本原理是，采用GNSS椭球高及测深仪的深度，测得附近水准点的深度基准面大地高，通过比测求得转换参数，获取海底高程的一种方法。具体是指高精度定位(RTK、PPK、PPP)/定姿技术(INS)与测深技术(单波束/多波束)相结合，在已知海上似大地水准面(或似大地水准面未知，但测量区域较小，只需固定的高程异常)和深度基准面的海域上，基于GNSS瞬时椭球高、测深仪瞬时水深和姿态传感器瞬时姿态等观测信息，通过姿态信息对椭球高和瞬时水深进行改正，直接确定基于椭球面的水深(或高程)，再利用高程异常和深度基准面(垂直基准)，将水深换算到国家高程基准或理论深度基准面。以单波束(SB)测深为例，该系统由GNSS RTK系统、单波束测深系统、姿态传感器INS组成，其工作原理示意图如图1所示。

图1 海上无验潮单波束测深工作原理

GNSS天线到船上姿态仪的高度为H1，测深仪到船上姿态仪的距离为H2，测深仪测量到海底的深度为H，假设GNSS测得高程为Hd，即GNSS到参考椭球面的高度(大地高)，利用垂直基准模型，换算得到GNSS天线到理论深度基准面的距离H0，根据式(1)可得到测深仪到理论深度基准面的距离h，利用式(2)即可得到海底某点的水深值h0，这样就获取了此点的CGCS2000三维坐标。

h=H0-H1-H2

(1)

h0=H-h

(2)

2 工作流程及关键技术点

水深测量作业流程可分为三大步骤，即测前准备、外业数据采集和数据后处理形成成果输出。测前准备主要包括测区控制网建立、转换参数求算(如需要)及测线布设等；外业数据采集主要包括基站架设，GNSS接收机、测深仪等连接、配置及参数改正后进行测量；数据后处理即将采集软件获取的数据进行处理(GNSS、INS和测深设备之间坐标转换、垂直基准转换等)生成水深成果图，如图2所示。

为了获取精确的水深数据，需要高精度GNSS定位技术(GNSS RTK、GNSS PPK和GNSS PPP等)，而在海上进行水深地形测量时会受到波浪、潮汐等因素的影响，换能器探测的水深数据需要经过换能器吃水、海水声速、姿态、涌浪和水位等归算改正[16]，利用高精度的垂直基准模型，才能得到基于某一深度基准面的水深。具体包括以下关键技术点。

图2 无验潮测量作业系统构成及工作流程

2.1 GNSS精度控制与坐标转换

根据以上理论和方法，优化后的精密水深测量模式中每个历元的GNSS RTK平面和高程解均需准确，故对GNSS的观测数据进行质量控制，同时经过框架转换和历元归算把坐标转换成CGCS2000坐标。

2.2 时延修正

水深测量中，由于GNSS内部算法、数据传输与编码等问题常导致定位时间与测深仪获得定位信号时间不同步，即存在时间延迟，为确保二者严格同步，必须进行时延探测与修正。时延确定方法通常利用往返观测的方式，寻找同一特征点的两个位置，也可采用断面整体平移法等。

2.3 姿态改正

确定理想船体坐标系与瞬时船体坐标系之间的关系，构建由横摇和纵摇组成的瞬时旋转矩阵，计算GNSS天线在船体坐标系下的瞬时坐标，再结合其瞬时定位和测深信息及垂直基准模型，最终获得海底点的高程[17]。

3 应用试验

3.1 研究区概况

本次试验选取在山东省烟台海阳市万米沙滩海域，布设了20条测深断面作为试验对象。根据现有资料可知，测区东西跨度约为9 km，地形变化平缓，总体走势呈北高南低。测深断面长度约为4 km，平均间隔为400 m，如图3所示。

图3 测区示意图

3.2 数据获取与处理

本次试验租用当地渔船作为测量船，测深仪换能器安置在船舶前1/3处，以减少螺旋桨等振动装置造成的噪声干扰，测线航偏距控制在10 m以内，水深数据采集与处理基于Hypack软件完成，Hypack集导航、采集与数据处理功能于一体。测量导航窗口(如图4所示)可按要求加载底图、测线等测区信息，实时显示船行位置和水深变化情况，也可对船向、导航参数、打标方式适时修改；Hypack同时提供了数据处理模块——单波束编辑器，水深数据处理以单个水深原始记录文件为单位，单波束编辑器读取的水深原始记录文件中的所有数据会在图表窗口显示，RTK潮位改正信息和水深改正值也可在表格中显示(如图5所示)。水深数据处理的重要工作是水深值去噪，由Hypack自动滤波模块完成。经改正后的水深值即为海底高程值，Hypack以海面向下为正，故在数据输出时应取负输出。

图4 导航窗口

3.3 精度验证

(1) 为验证测深精度，本次试验采用正交比对进行内符合精度检测，并将经过同步验潮数据改正所得的海底高程作为真实值，进行精度评定。

图5 单波束编辑器

统计项互差/m00.10.2≥0.3合计个数55121068百分比/(%)811810100

由表1可知，水深值正交对比互差为0的占所检验总数的81%，而互差≥0.2 m的点数仅有1个，证明无验潮测深数据内符合精度良好，无验潮测深模式稳定性较高。

(2) 无验潮测深数据外符合精度，是以经验潮改正的水深值为真值，采用同名点对比的方法进行评定。为使潮位改正更加真实有效，本次试验在测深时先进行了动态吃水的测定。测量船在测深时动力稳定，船速始终维持在5节左右。本次试验采用RTK方法，对测量船动态吃水进行了测定，测量时正处于高平潮期，且测量时间较短，在5 min左右，因此可不考虑潮位影响。测定结果如图6所示。

图6 动静态水面高程变化

由图6可知，船在运动状态时吃水加深。进一步分析测量数据得出，动静态水面高程平均值差值为0.09 m，即测量时船舶动态吃水为+0.09 m。动态吃水将在后续数据处理中改正。

(3) 验潮式水深数据改正，同样由Hypack软件完成，以避免数据处理软件在数据处理方法上的差异对处理结果可能造成的影响。表2为不同测深模式下，水深同名点不符值统计结果。分析统计结果可知，测深同名点不符值为0的点数占总点数的41.52%；而不符值仅为0.1 m的点数占总点数的42.13；不符值≥0.3 m的点数仅占总数的3.34%。这说明，无验潮测深模式测深成果与传统验潮测深模式测深成果是等价的，证明无验潮测深模式具有同等精度。

表2 同名点不符值统计

分析水深同名点不符值正态统计图(如图7所示)，可以得出，两种模式测深不符值大致分布在-0.15～0.5 m之间，不符值平均数为-0.05 m，完全满足当前测深规范对测深精度的要求。

图7 水深同名点不符值统计

综合分析本次试验结果可知，优化后的无验潮测深作业模式可行，在GNSS定位精度可以保证的情况下，测深数据成果精度可靠。

4 结 语

本文基于无验潮测深原理，提出了优化的海上无验潮测深模式，能有效消除动态吃水及波浪等因素影响，避免了由于潮位观测带来的水位改正误差，节约了作业成本，简化了数据后处理程序，有效地提高了水深测量的工作效率，并得到了实践的检验，从内符合精度和外符合精度两个方面进行了精度评估与验证，无验潮测深模式是可行的，可在海洋工程的水下地形测量中推广普及应用。