GPS中继站在浅海地形测量中的实际应用

刘风学,代永辉,冯 浩,王志强，高 源

(黄河水利委员会山东水文水资源局，山东 济南 250108)

潍坊港西港区位于寿光市羊口镇北部的小清河下游南岸，港口距离河口约10.0～20.0 km，西港区分为羊口作业区和寿光作业区。羊口作业区现有5个3000～5000 t级泊位，寿光作业区处于起步阶段，已建成9个5000 t级泊位。潍坊港西港区进出港航道目前利用天然水深通航，仅能满足吃水不超过4.2 m的船舶乘潮进出港。本工程按5000 t级单向航道进行疏浚、整治。设计航道自13#泊位水域东边线起，疏浚至-8.3 m，长度约28.0 km， -5.0 m等深线以外航段航道设计底标高为-8.3 m，通航宽度110.0 m；-5.0 m等深线以内航段航道设计底标高为-7.9 m，通航宽度96.0 m。根据本海域的泥沙淤积特性，在航道的南、北两侧建设防波挡沙堤，防波挡沙堤总长度为39.4 km，其中北防沙堤长度为19.8 km，南防沙堤长度为19.6 km。测量范围需覆盖工程范围并略有富余，同时兼顾航道平面方案比选需要，测量范围西起寿光港现有13#泊位以西100.0 m，东至中港区航道边线，其中K1～K15所围区域为推荐方案测量范围，测量面积约40.9 km2，测图比例1∶2000；K4-B1-B2-K5和B3-B6所围区域为考虑方案比选和远期规划所需要的测量范围，测量面积共23.6 km2，测图比例1∶10 000(见图1)。

1 浅海滩涂地形测量

对于浅海滩涂地形测量而言，就是根据测深仪和GNSS RTK联合施测水下地形的曲折变化，淤泥表面高程。但是，普通水下地形测量只需根据水温改正声速，而海洋水下地形测量需根据盐度、水温改正声速。

1.1 此次用于浅海滩涂地形测量的仪器

GNSS基站一套、GNSS RTK流动站接收机三套、GNSS无线中继站电台一套[1]、两套数字测深仪、两台计算机和两套水上导航测量软件。常用辅助仪器、测具包括：声速仪、盐度计、水温计、测深杆、钢卷尺、水深-声速校正器等。

1.2 基准点

用于架设GNSS基准站的控制点，平面等级一般为D级,地面不易沉降的地区，基点埋设较稳固的，可放宽到E级。高程为三等水准点，测定或校测时间不超过三年。校测点平面一般为E级；高程为四等，应为当年测定或校测的水准点。甲方在目前港区范围内提供了8个地方坐标系高等级控制点。

1.3 坐标值参数求解

用测区内已知控制点的WGS84坐标与测区的测量坐标系解算出两个坐标系统转换关系。 转换关系的正确性将直接影响定位精度[1]， 因此，已知点最好布设在测区四周和中心，由图1可以看出此次测量范围比较狭长，最远处伸入内海30.0 km，甲方提供的控制点不能有效控制测区。

图1 参数求取坐标点位置示意图

为了控制测量范围，求得良好的转换参数，利用山东COSS(▲表示)，北上黄河入海口的东南角垦东12-0#海油陆采平台上布点，沿渤海湾由北向西南-向南-向东南沿程依次布点(两点间距约3.0 km)到昌邑县下营镇，共布点50余个。在山东COSS管理部门帮助下，舍弃精度较差的7个COSS点，加上甲方提供的8个地方坐标系高等级控制点(■表示)，共用51个控制点，求得一套精度较高、完整的七参数。

表1 GPS基准转换参数求解最大残差

2 测深原理

用竖直波束回声仪进行水深测量是目前水深数据采集的主要手段，它安装在测量船底的发射换能器垂直向水下发射一定频率的声波脉冲，以声速c在水中传播到水底后产生回波，回波被接收换能器所接收，发射声波与接收回波的时间为t，则换能器表面至水底的距离(水深)为H=1/2·ct。

2.1 换能器安装要求

(1)测深仪换能器应尽量远离发动机和螺旋桨，安装在距船头1/3～1/2船长处，静态吃水深度以0.3～0.5 m为宜，以避免和减小测船航行产生的气泡干扰[2]。

(2)换能器可固定在测船底部或船舷一侧，尖头逆向流向[2]。

(3)尽可能保持换能器安装杆处于垂直、稳定状态，防止出现松动、摇晃和倾斜、俯仰现象[3]。

(4)水面平静时，换能器可尽量减小吃水，以最大限度地发挥测深仪作用。但换能器吃水不得过小，尤其在风浪较大时要适当加大吃水，以免产生气泡影响测深的准确性[3]。

(5)GNSS天线中心应与换能器中心设置在同一条铅垂线上[3]。

2.2 安装GNSS天线和测深仪换能器

安装GNSS天线和测深仪换能器的连接杆，应固定长度并标有距离刻度，设置换能器底端为0.00 m。

2.3 天线高量取

天线高可以用钢卷尺由天线底部量至水面，或根据连接杆顶端和水面的读数相减，然后按式(1)计算：

L=h+p

(1)

式中：L为天线高，m；h为天线底部至水面的垂直距离，m；p为根据所用仪器，填写天线座底部到相位中心的常数，m。

2.4 测深仪静态换能器入水量取

换能器静态入水，应用钢卷尺由水面量至换能器底部，或直接在安装杆上读取。

2.5 天线高和吃水的关系

任何情况下，天线高加吃水应等于天线相位中心至换能器底部的距离。如天线高量测不准，则会影响水面高程；吃水量测不准，则会影响水深数值，但最终不会影响最后计算的河底高程。天线高和吃水的关系，可用式(2)表示：

R=L+d

(2)

式中：R为天线相位中心至换能器底部的距离，m；d为换能器吃水，即水面至换能器底部的垂直距离，m[2]。

3 水下地形测量的具体实施

(1)此次测量在确定水下地形测图规格后，应用水深测量的专用软件，根据甲方提供的坐标转折点，先确定了水下地形图的测量范围与比例尺，在甲方提供的坐标转折点，两点间放线。如(K1-K2)间放直线，再根据比例尺要求(1∶2000)，平行(K1-K2)线，依次间隔25.0 m，实施测量。其他转折点依此类推。设定测量断面线后，将断面数据导入测量手簿，根据放样断面线把测量船导航至断面位置，再按指定的时间(或者间距)进行测点的定位与测深，并实时修正测量船的航向。

(2)根据所求解的参数，测量时分别以部分已知点为基站点，并对其他已知点进行校核，其校测结果在测区范围内精度较高，同时也说明参数求算结果符合测区的实际情况。

GNSS RTK测量：首先基站架设在已知控制点上，架设基站时严格整平对中，在量取天线高时，从三个方向分别进行量取，其互差不大于3.0 mm，取其平均值，然后启动基站。各流动站启动后逐个在已知点进行检校，其检校结果与已知结果进行对比，校核结果符合规范要求，则进行测量，误差偏大时，查找原因，重新校核，直至符合规范的要求为准，表2为已知点GPS校测记录，进行分析说明。

表2 已知点GPS校测情况

(3)基站架设、GNSS RTK校桩，校核结果符合规范要求，在测船上连接测深仪、测深软件，进行浅海水下地形测量。

此项目我们共安排两条测船同时测量，基站架设在寿光港向海洋伸进最远、稳定的现有码头的已知点上；测船A在寿光港现有13#泊位以西100.0 m开始，在测船A上除安装了GNSS RTK、测深仪、测深软件等必须的测量设备，另外安装了一套天宝PACIFIC CREST无线电中继站一套，测船A在接收由基站发来的基站信息的同时向测船B转发基站信息；测船B在寿光港现有13#泊位以西15.0 km处开始，测量仪器接收测船A发来的基站信息。两船平行向深海推进测量。

因海洋上空开阔，无线电传播可以达到20.0 km，大半工作量，由两船平行测量完成，因测船B有跑航时间，后几天，测船A担当无线电中继站功能。

4 注意事项

(1)GNSS流动站接收机作业应严格遵守国家规范要求。

(2)连接好仪器及设置坐标转换参数之后，应对测量的数据进行严格的作业前校核，校核误差符合限差范围要求后方可进行测量。

(3)测深作业过程中，测船应慢慢行驶，航速不宜超过10.0 km/h，且应尽量保持稳定；测船进入浅水水域和接近岸边时，航速宜控制在2.0 km/h以内。

(4)换能器露出水面时，严禁启动测深仪，否则可能对仪器造成损坏。

(5)水下地形测量，应保证人员和测船安全，根据风浪、潮汐，合理安排作业时间，作业中，如遇大风大浪、船只摇摆幅度过大，造成换能器安装杆倾斜超过3°时，应暂停测深作业。

5 结论与建议

(1)测深仪与GNSS RTK通过数据同步线相连接，定位、测深、潮位采集高同步进行，自动电子存储。因此在外业完成数据采集后，无须等待验潮资料即可使用软件，及时进行自动化数据处理，数据成果精确。

(2)测量精度高，数据安全可靠，没有误差积累。

(3)此项目的实施、完成，大大提高了测验精度，无验潮站、减少了人员开支。

(4)可以再架设一套无线电中继站，测量范围可以达到50.0 km。

(5)渤海湾地形成弧形，可以尝试扩大求参范围，更好的实施应用。在其他海域可以考虑在岛屿上设点，求得更精确的参数。

利用GNSS RTK和数字测深仪联合作业、无验潮测量技术进行水深测量，使得水深测量这项工程变得简单、方便、快捷、轻松、高效。它彻底改变了以往的作业模式，是对传统测量方法的一次重大变革。