北斗地基增强系统在GNSS三维水深测量中的应用

黎鹏 张凌源

摘要：GNSS三维水深测量是长江河道勘测的重要测验要素，其中，三维定位方法更是关键技术。传统的单基站RTK等手段在日常生产中效率不高，在汉江固定断面测量中，对利用千寻北斗地基增强系统获取精确三维定位数据并用于GNSS三维水深测量的方案进行了验证，并对结果进行了分析。分析表明：北斗地基增强系统测得的水面高程稳定性与单基站RTK相近，河底高程可靠性也达到了与传统验潮法相当的水平，可以满足三维水深测绘的相关要求。

关键词：三维水深测量;地基增强系统;千寻北斗;GNSS

中图法分类号：P228 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.05.007

文章编号：1006 - 0081（2021）05 - 0026 - 04

1 研究背景

GNSS三维水深观测是利用GNSS动态测量技术、测深仪及其他附属设备实测的数据，通过实时或事后联合解算，计算出测深仪换能器声学中心的三维位置，从而获得水下测点的平面位置和高程[1]。由于传统单基站RTK测量误差的空间相关性随参考站和移动站距离的增加而逐渐失去线性，因此只能将作业范围控制在几千米之内，才能获得相对较高精度的三维水深观测值。而且，在测深的同时利用岸边控制点进行同步水位接测也存在效率较低问题[2]。因此，在实际工作中，无论是传统的单基站RTK测量还是同步水位接测均会降低作业效率，而且对控制点的依赖程度比较高，一旦出现测区内测量标识损毁情况会导致作业无法开展。PPK测量模式虽然较传统的单基站RTK测量模式先进，但在河道固定断面测量[3]等需要放样精确位置的测量中，RTK测量无法实时准确定位。千寻北斗地基增强系统能够实时提供高精度三维位置信息[4]，目前已覆盖全国大部分地区，能够有效弥补RTK和PPK测量模式的缺陷，可作为通过三维水深观测获取三维位置的一种新方法。

2 GNSS三维水深测量

2.1 基本原理

北斗地基增强系统是一套可以使北斗定位精度达到厘米级的系统，是由天上的北斗卫星和地上的“一张网”共同组成的具有高精度定位能力的基础设施。该系统于2016年5月18日由千寻位置[5]正式投入运行。2018年5月23日，千寻北斗地基增强系统已完成基本系统研制建设，具备RTK精度的千寻知寸（FindCM）[6]服务，通过移动4G网络传输RTCM（ Radio Technical Commission For Marine Service）V3.2多电文信息（ Multiple Signal Message，MSM） 格式的高精度北斗差分数据，实时获取了CGCS2000坐標框架参考历元2000.0的三维坐标。相较于省CORS系统，该系统覆盖范围广，在跨省测区使用更加方便，一个账号可跨区域全天候不间断使用[7]。

GNSS三维水深观测一般采用实时动态测量（RTK）或者后处理动态测量（PPK）的方法进行，GNSS三维水深测量基本原理如图1所示。

假设船舶静止在水面上，H为大地高，L为GNSS接收机天线相位中心到水面的高度，d为换能器到水面的距离（静吃水），T为船舶静态水面到当地基准面的距离（潮位），S为换能器到河道底边界面的距离，§为当地基准面到WGS84椭球面的距离，h为当地基准面下的河底高程。由图1可以得到以下3个关系式：

当地基准面为1985国家高程基准面时，§为高程异常，此时 H - § = H85高程。

由式（1）～（3）转换得到：

式中：S为测深仪实时测得水深;d + L为固定值（钢卷尺丈量），通过 GNSS接收机实时采集到的1985国家高程基准面下的正常高，便可实时测得水下1985国家高程基准的河底高程。

2.2 应用概况

本次实例采用GNSS结合单波束测深仪的方法进行三维水深观测，分别采用千寻位置和传统单基站RTK以及同步水位接测方法进行观测，其中单基站RTK仅在在汉江武汉河段部分固定断面进行了观测，水位接测与千寻位置在约139 km河段内的84个固定断面进行同步观测。在开始前利用千寻位置采集测区附近适量已知控制点的CGCS2000大地坐标，然后求取测区转换参数，并将其用于测量过程中1985国家高程的转换。

在测量开始前对整个测量系统几何参数进行标定，准确量取了GNSS接收机天线快释接头底部（图2中②处）至水面的高度和水面至测深仪换能器声学中心的高度。

由于定位系统和测深系统属于两个独立的系统，会产生系统性延时效应，给测量结果带来较大误差。因此，在水深测量前对测量系统进行了延时效应改正[8]。具体方法为选择河道陡岸处，将测船以正常航行速度往返于同一断面线上，采集水深数据计算时延值，验算正确后将求取的值设置在导航软件时延参数中，以消除系统延时导致的误差，其结果如图3所示。

为了保证比对结果的严谨性，对于不同方法均使用完全相同的设备，测量系统组成及系统延时参数结果如表1所示。从延时测定结果可以看出单基站RTK电台模式的延时略小于千寻位置的网络传输模式。

3 观测结果与分析

3.1 单基站RTK和千寻位置对比分析

将单基站RTK和GNSS三维水深观测方法所采集的断面数据通过软件处理后，得到各点的水面高程。两种方式所得的水面高程中误差分布如图4所示。

从图4可以看出，在汉江河口附近市区内河段RTK的水面高程波动较小，相对稳定。对所有测点水面高程中误差进行统计，结果见表2。

从结果可以看出，两种方式下求得的水面高程中误差相差不大，RTK模式下相对更稳定，但两种方式测得的水面高程中误差均优于SL257-2017《水道测量规范》要求。将两种方式测得的断面图进行叠加分析，叠加结果如图5所示。

根據断面结果可计算断面各点高程差值的平均值[h=（∑ΔHi）/n]，将断面起点距按照1 m间距进行插值计算可知断面各点高程之差平均值为0.008 m。采用面积积分法求得两断面面积较差比为0.1%。从以上结果可以看出，千寻位置模式下测得的断面稳定性和河道断面图形相互符合度较好。

3.2 验潮法和千寻位置对比分析

将约139 km河段内的84个固定断面按照验潮法获取的河道高程结果（共1 555个点）与千寻位置测得的结果进行比对分析，其较差分布见表3。

从统计结果可以看出，超过81.1%的测点河底高程较差在0.10 m以下，满足SL257-2017《水道观测规范》要求，互差小于或等于0.10 m的点数占总点数的80%，互差小于或等于0.20 m的点数占总点数的95%。考虑到GNSS三维无验潮方法可以消除测量过程中水面波动导致测船在竖向起伏运动所致误差，千寻位置三维水深观测方法可达到传统水位接测方法的精度。

4 结 语

本文通过实际数据验证了千寻北斗地基增强系统在三维水深观测中的可行性，其结果满足规范要求。该系统结果具有可靠性且与单基站RTK和验潮法相当。相较于单基站RTK模式，该系统工作不受距离限制，可使长距离河道测绘效率大幅提高。相较于传统验潮法，该系统可有效降低水面波动误差以及河道横比降带来的误差，在长江潮汐河段等潮位变化频繁区域也具有较大优势。

随着北斗三号全球卫星导航系统正式开通，北斗地基增强系统也将逐步完善，在河道测绘领域的应用也会越来越广泛由于精度可靠以及覆盖范围广阔，该技术可发挥重要的作用。

参考文献：

[1] 中华人民共和国水利部. SL257-2017水道观测规范[S]. 北京：中国水利水电出版社，2017.

[2] 魏凌飞，魏为. 无验潮模式水下地形测量技术应用研究[J]. 人民长江，2016，47（增1）：56-62.

[3] 张潮，冯传勇，张振军. 湖北CORS系统在长江固定断面测量中的应用[J]. 测绘与空间地理信息， 2013， 36（10）：124-126.

[4] 江木春. 千寻位置在江乌航道测量中的应用[J]. 水运工程，2019（7）：179-183.

[5] 张同. 千寻位置服务[R]. 武汉：千寻位置网络有限公司，2016.

[6] 千寻位置. 高精度定位服务 [EB/OL]. （2016-05-18）[2017-08-10]. http：//www.qxwz.com/help-document-locationservice.html#link-5.

[7] 刘东军. 千寻位置服务与CORS系统的精度探讨[J]. 石化技术，2018，25（4）：236.

[8] 薛剑锋，王真祥，沈理，等. 精密水深测量中延时效应的研究[J]. 人民长江，2008，39（4）：17-19.

（编辑：李 晗）

Abstract： GNSS three-dimensional bathymetric survey is an important measurement element of the Yangtze River channel survey， and three-dimensional positioning method is its key technology. The traditional single base station RTK and other means are not efficient in routine work. In this paper， GNSS three-dimensional bathymetric survey scheme of using accurate three-dimensional positioning data obtained by land-based Qianxun Beidou Augment System is verified， and the results are analyzed. The results show that the stability of water surface elevation is similar to that of single base station RTK， and the reliability of river bottom elevation reaches the same level as that of traditional tide measurement method， which meet the relevant requirements of three-dimensional waterway mapping.

Key words： 3D water depth measurement; land-based augment  system; Qianxun Beidou System; GNSS