PPK无验潮技术在杭州湾跨海大桥河势断面观测中的应用

2022-12-17夏晓亮龚令平魏荣灏陈佳兵

浙江水利科技 2022年6期

夏晓亮，龚令平，魏荣灏，郁蕾，徐达，陈佳兵

（1·宁波市杭州湾大桥发展有限公司，浙江宁波 315336；2·浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江杭州 310017；3·浙江省河口海岸重点实验室，浙江杭州 310017）

1 问题的提出

杭州湾跨海大桥北起嘉兴市海盐枢纽，南至宁波市庵东枢纽立交，线路全长36.0 km，桥梁总长35.7 km，桥面为双向6车道高速公路，设计速度100 km/h[1]。大桥所处的杭州湾气象复杂多变，台风、龙卷风、雷暴及突发性小范围灾害性天气时有发生。同时杭州湾河口潮汐强、潮差大，悬沙与床沙的粒径基本一致，导致河床泥沙冲淤复杂多变、海底槽沟发展变化较快、桥墩涉水结构受到冲刷成为大桥安全运行的潜在隐患。

桥梁涉水结构的冲刷基本由3部分组成：自然冲刷、一般冲刷和局部冲刷。为了研究河势变化和不同冲刷对大桥的影响，一般采用在桥梁上、下游布设不同间距的河势断面进行观测。当前河势断面观测一般采用实时动态载波相位差分（RTK）技术结合单波束测深技术进行RTK三维水深测量，该作业方式不受验潮站布设影响，适用于强潮河口区作业，但常规RTK基站的无线电信号仅能覆盖10~15 km作业半径，远远小于大桥长度。浙江省连续运行卫星定位综合服务系统（ZJCORS）的网络RTK技术在该区域应用时，时常发生差分信号失锁导致无法获取高精度三维定位结果的问题；而无需数据链接的全球导航卫星系统（GNSS）载波相位后处理（PPK）技术可较好地解决该问题，并已在水库、河口及开阔海域得到应用[2-6]。

本文主要讨论PPK技术在杭州湾跨海大桥河势断面观测中的应用，介绍载波相位差分的工作原理、PPK作业流程并分析PPK作业精度。验证结果表明，PPK获取的垂向数据与潮位数据具有较好的一致性，能满足RTK三维水深测量工作要求，并可大幅减少由于差分信号链接丢失而导致的复测现象，有效提升工作效率。

2 工作原理

载波相位差分技术原理是利用GNSS观测误差在时间和空间的强相关特性，通过对基准站和流动站的原始载波相位观测数据进行双差计算，消除接收机和卫星时钟的偏差、卫星误差以及大部分电离层、对流层延迟的影响，达到厘米级定位精度[7]。

GNSS接收机在锁定某颗卫星后，在L1和L2/L5（如果具备双频或多频接收能力）上采用C/A码和P（Y）码进行伪距测量的同时，根据L1和L2/L5载波上出现的多普勒频移保持对运行周数的统计。对于每个历元，运行周数可以从接收机获取，即1个历元期间，载波相位前进（或后退）是通过对该历元期间多普勒频移（fD）的积分来测定，接收机在每个历元结束时进行小数相位测量。

虽然接收机可以精密地测量载波相位，但在总相位测量值中仍含有未知的载波周数，即载波相位整周模糊度N，求解出N后即可测定接收机与卫星的距离。

从至少2个相隔某一固定距离（称为基线）的GNSS接收机中获得相似的测量值组合并形成线性组合（差分），就有可能消除2个接收机共有的误差，这样的1个组合称为单差；对来自同一颗卫星的2个单差测量值求差可得到双差。利用双差技术处理载波相位观测值，可消除大部分误差源[8]。

3 作业流程

基于PPK的无验潮技术工作流程见图1。

图1 基于PPK技术的无验潮技术工作流程图

3.1 施测准备

使用GNSS设备和单波束测深仪进行河势断面测量。由于GNSS设备直接观测得到的结果为大地高，采用七参数转换的方法将大地高转换至目标高程系统前，需要验证测量设备和转换参数的精度，因此施测前在已知控制点对GNSS基站和流动站进行比测。另外，对单频测深仪进行稳定性和一致性测试，保证设备满足水下地形测量需要。

3.2 数据获取

每天测量前在GNSS控制点上架设基准站记录数据。测船开始作业前，先用声速计在测区测量声速并输入测深仪进行声速改正，然后将测深仪输出接口、GNSS流动站接收机定位输出接口同时与计算机连接，实现定位、测深同步，GNSS流动站接收机同时记录原始观测数据。采用海洋测量软件导航，并记录实时测量点的平面位置、瞬时水深和瞬时潮位高程，实现三维水下地形测量。测量结束后下载GNSS基准站与流动站的原始观测数据。

3.3 数据处理

数据处理主要包括3部分，分别是定位数据的预处理、测深数据的预处理、定位数据和测深数据的融合。

第一部分是采用PPK技术处理GNSS三维定位数据，本研究主要使用Trimble Business Center（TBC）软件。分别从Trimble的GNSS基准站和流动站上以T02的格式下载原始观测数据并导入TBC软件中，选择正确的天线型号并输入天线高后，选择截止观测角为15°，对所有的观测卫星使用后动态差分模式进行后处理，将解算结果以1 Hz频率输出。

第二部分中，河势断面一般采用8 m或16 m间隔记录，人工检查测量过程中是否漏记局部最深点和最浅点，并根据记录的声图文件对错误的水深数据进行修正。

第三部分的流程见图2。PPK计算得到的结果是频率为1 Hz的观测序列，而水深数据根据测量间隔记录，因此需要通过时间戳将两者融合。首先采用自主编程将测深数据与定位数据自动匹配，然后通过七参数转换的方式将CGCS2000经纬度、大地高的成果转换到目标坐标系统，最后输出河势断面观测成果。

图2 定位数据和测深数据的处理流程图

4 精度分析

野外测量共获取9 966个定位数据，RTK定位数据（含单点解与浮动解）、PPK定位数据的定位较差见表1，部分RTK定位垂向分量、PPK定位垂向分量与潮位数据比较见图3。

由表1可见，RTK与PPK定位结果的中位数基本处于厘米级，可以反映两者的定位结果基本一致；两者在北向、东向和垂向较差的最大、最小值都超过1 m，主要原因是实时记录的三维位置数据在丢失差分数据链接时，定位精度衰减较为严重，导致统计精度明显偏低。由图3可见，RTK定位的垂向数据与验潮站数据存在较大偏差，而PPK解算的垂向数据与验潮站数据的一致性较好，能满足RTK三维水深测量需要。