应用PPP技术确定海外水运工程高程起算面

2020-06-18孙洪瑞

水运工程 2020年5期

赵磊,孙洪瑞

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200038)

随着中国“一带一路”倡议的推进，海外水运工程项目日益增加。由于一些国家的经济、技术水平较低，没有完善的大地控制网，平面控制点和高程控制点资料稀少，甚至个别国家连国家控制网都没有。此外，一些拟建地区地质稳定性较差，比如西非海岸以沙滩为主，南亚地区有大面积的冲积平原，南太平洋岛国经常发生火山爆发、地震等情况，造成建成的控制点经常发生沉降位移，给工程测量控制网的建立和后期维护带来很大的困难，而且项目建设设计与建设周期较长，前后期高程基准的统一问题亟待解决。

1 工程控制网布设现状

1.1 有官方控制点的情况

以收集到的官方控制点为起算点，与项目新布设的工程控制点进行联测，获取工程平面和高程数据。

1.2 无官方控制点的情况

平面控制点采用独立坐标系统，以GPS单点定位坐标起算，利用GPS同步观测，建立工程控制网，然后以WGS-84椭球为参考面进行高斯投影，中央子午线根据工程位置进行选择，建立平面坐标系统。高程是通过工程所在海域设立临时潮位站，通过30 d潮位数据计算出平均海平面，按三等水准精度把临时潮位站高程与各GPS控制点联测。

1.3 存在的问题

工程区域的平面和高程坐标完全依赖于测量控制点而存在，一旦布设的控制点被毁损或发生沉降位移，这些重要的测绘资料将不复存在,后期使用很难重现或恢复。

平面坐标数据还有可能通过重复GPS测量重新建立起来，高程数据将不可能复现，因为短期临时潮位站测得的月平均海平面并不稳定，会随时间变化而变化。图1a)、b)分别显示2017、2018年我国东海和南海月平均海平面与常年同期月平均海平面变化情况[1]。

图1 东海、南海沿海月平均海平面变化

2 高程起算基面的确定

随着GPS单点精密定位技术的出现，通过GPS测量能提供地面点精确的三维坐标值,其高程数据依据地球椭球面，称之为大地高程；而海外工程偏远地区使用的高程数据，来源于前期水文测量人员建立的临时潮位站一个月的平均海平面测量数据。为充分利用GPS所提供的大地高程数据，将工程上使用的高程数据与GPS所提供的大地高数据进行关联是使工程上使用的平均海平面数据得以长久保存的关键方法。

2.1 精密单点定位的定义

精密单点定位是利用国际GPS地球动力服务局(IGS)提供的精密星历和精密钟差对单台双频GPS接收机所采集的相位及伪距观测值进行定位解算，获得高精度控制点的ITRF坐标的定位方法,简称PPP。

2.2 精密单点定位的基本原理

GPS精密单点定位一般是采用单台双频GPS接收机采集的载波相位观测值,利用IGS提供的精密星历(事后精密星历或快速精密星历)和钟差进行的高精度定位。

精密单点定位计算的主要过程包括预处理观测数据、精密星历和精密卫星钟差拟合成轨道多项式、各项误差的模型改正及参数估计等。

2.3 精密单点定位中的坐标框架

精密单点定位采用IGS精密星历，所以精密单点定位解算出的坐标与所使用的IGS精密星历的坐标框架(ITRF系列)一致，与常用的WCS-84坐标系统有差异，这是因为IGS精密星历与GPS广播星历所对应的参考框架不同。另外，不同时期IGS精密星历所使用的ITRF也不同，所以在进行精密单点定位数据处理时，需要明确所用精密星历对应的参考框架和历元，并通过框架和历元的转换公式进行统一。坐标计算框架见图2。

图2 坐标计算框架

2.4 解算软件及解算精度分析

2.4.1解算软件

可为用户提供免费在线服务的解算软件主要包括加拿大的CSRS-PPP、GAPS-PPP和美国的 APPS-PPP等软件。

2.4.2解算精度

夏朋飞等[2]通过处理多个IGS跟踪站的数据对这3种精密单点定位软件进行了精度评估，其精度结果见表1。

表1 3种软件计算的中误差 cm

注：E为东向，N为北向，U为垂直方向。

徐永斌[3]于2011年用BJFS IGS站的观测数据，对APPS和CSRS两种在线软件解算结果进行分析，结果与BJFS IGS的真值进行比较，其精度结果见表2。

表2 2种软件计算的中误差 cm

可见，在线精密单点定位解算软件的解算精度可以满足工程建设需要。

2.5 高程基准

2.5.1高程系统

在测量中常用的高程系统有大地高系统、正高系统和正常高系统[4-5]。

1)大地高系统是以地球椭球面为基准面的高程系统。大地高的定义是：由地面点沿通过该点的椭球面法线到椭球面的距离。大地高也称为椭球高,一般用符号H表示。利用GPS单点精密定位技术可以直接测定观测站在ITRF中的大地高。

2)正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。正高的定义是：由地面点沿通过该点的铅垂线至大地水准面的距离。正高用符号Hg表示。

3)正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统。正常高的定义是：由地面点沿通过该点的铅垂线至似大地水准面的距离,正常高用Hγ表示。

2.5.2平均海平面

水运工程上经常使用的平均海平面是以似大地水准面为基准的高程系统，平均海平面与大地高的差值可以视为大地异常，记为ζ。大地高与平均海平面之间的关系式：

H=Hγ+ζ

(1)

式中：H为平均海平面，Hγ为正常高，ζ为大地异常。

2.6 海外水运工程高程基准的确定

在没有长期资料的海外国家主要通过潮位观测确立高程基准面，潮位站的基本水准点埋设应利于点位长期保存和水尺零点联测。根据公式(1)可以得到当地的大地异常值ζ，从而将平均海平面归算至ITRF下的大地高。

我国水运工程统一采用理论最低潮面为深度基准面。由于初勘阶段时间有限，潮位观测一般以1个月为主，推算出当地月平均海平面。再利用1个月的潮位数据，通过最小二乘法进行准调和分析，得到11个调和常数，利用这11个参数可以初步计算理论最低潮面，供设计人员进行参考使用。缺少的2 个长周期分潮Sa和SSa待日后进行1 a以上潮位观测获取。

3 工程实例

3.1 巴布亚新几内亚科考瑞深水港可行性研究项目GPS测量

在巴布亚新几内亚科考瑞深水港可行性研究项目中，利用CSRS-PPP在线服务，对G002、G004点进行了精密单点定位计算。

G002控制点在2019年5月5日使用双频GPS接收机静态观测了4 h21 min,其解算结果和精度指标见表3。

表3 G002控制点三维坐标 ITRF14(2019)

G004控制点在2019年5月3日使用双频GPS接收机静态观测了6 h25 min,其解算结果和精度指标见表4。

表4 G004控制点三维坐标 ITRF14(2019)

从表3和表4可知，平面和高程的解算精度均在5 cm以内，成果精度均满足测量规范要求。

3.2 潮位观测

巴布亚新几内亚科考瑞深水港可行性研究项目中在河口处建立了T1潮位站，潮位观测为期1个月，临时水尺高程按三等水准精度与水准点G004接测。潮位观测采用自容式小型验潮仪，采用当地时间(东十区)，高程系统为ITRF14(2019)大地高为基准，每10 min记录1次，提供整点潮位资料，其整点潮位观测曲线见图3。