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差分GPS与RTK无验潮在水下地形测量中比较
来源: | 作者:ganghai | 发布时间: 2017-02-28 | 401 次浏览 | 分享到:

摘要:GPS技术不断成熟和发展,如何在海洋测绘中充分利用GPS技术,使测绘事业更好、更快的发展是不断研究的问题。

本文首先介绍了差分GPS,接着介绍了DGPS、RTK定位技术的原理以及工作组成部分,然后介绍了RTK无验潮情况下的水下地形测量工作原理和方法,最后分析比较了RTK无验潮与DGPS在测量水深中的优劣。

关键词:差分GPS,RTK,水下地形测量,海洋测绘,潮汐改正,无验潮

1、前言

RTK定位技术是基于载波相位观测值的实时定位技术,能够实时提供测量点在指定坐标系中的三维定位结果,并能够达到厘米级精度,是GPS应用的重大里程碑。目前水深测量比较普遍的是使用DGPS 定位技术,需要验潮水位对测深数据进行水位改正。如果使用RTK 技术加数字测深仪,那么就使得水上测量可以采用RTK无验潮方式进行,既提高测量自动化程度,又可提高测量精度,而且可实现全天候测量。

本文通过比较两种不同的定位技术优劣,对不同条件下的水深测量,可选择不同设备进行测量提供参照。

2、差分GPS定位

差分GPS定位是利用基准站和流动站两台GPS接收机同时测量来自相同GPS卫星的定位信号,用以联合确定用户的精确位置。

载波相位差分

载波相位差分技术简称RTK技术,是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的,它能以厘米级的精度实时提供测站的三维坐标。对载波相位精度引入的误差只有lmm。基准站传送的数据是伪距和相位的原始观测量。用户接收到基准站和本机观测的数据后,利用静态相对测量处理方法对基线处理方法对基线进行求解,然后推算出测量点的坐标,在求解中最棘手的问题是如何求解相位整周模糊度。求解相位整周模糊度方法很多,最常见的有:三差法,模糊度函数法,频率综合法,快速逼近法等。这些方法用于RTK技术可分为两大类:有初始化方法和无初始化方法。

初始化后,保持卫星信号不失锁。一旦信号失锁,需返回起算点重新捕获和锁定。采用双频接收机将有效地克服这一缺陷。

3 、RTK水下地形测量基本原理

3.1、RTK简介

RTK定位技术是基于载波相位观测值的实时动态定位技术,它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果,并达到厘米级精度。RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术,RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值,相位观测值)及已知数据传输给流动站接收机,数据量比较大,一般都要求9600的波特率,这在无线电上不难实现。

3.2、无验潮水下地形测量基本原理

当前GPS实时动态相位差分(RTK)的定位精度普遍为:平面10mm+1ppm,高程20mm+1ppm。无验潮水下地形测量的基本原理是利用RTK测得的GPS天线精确的三维坐标(XYH),其中XY确定定位点的平面位置,RTK高程结合由测深仪同步测得的水深换算出同一平面位置的水下泥面的高程或水深值,从而获得水下地形数据,如图:

QQ截图20130226114336.jpg

用户可以测得的数据:

 hGPS天线到水面的高度

 HGPS接收机测得的高程(水准高)

 S:测深仪测得的水面到水底的深度

用户需要得到的最终数据:

 B:水底到水准面的距离

    即通常说的水深值

 C:水准面到水底的距离

   即通常说的水底高程

由图得出:C= (H – h) – S B= S – (H –h )

3.3、无验潮水下地形测量作业时应该注意的问题

3.3.1、有关岸台的问题

(1) 因为RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术,RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值,相位观测值)及已知数据传输给流动站接收机。所以:

①选择地势较高、较开阔的控制点架设岸台,电台天线要尽量高

②电源电量要充足,否则也将影响到作业距离

RTK作业应尽量避开雷雨天气,为减小电离层干扰应该尽量避开中午时间

RTK作业前要进行严格的卫星预报,选择卫星分布好和数量多的时段进行测量

(2) RTK高程要保证精度,所以要精确量取天线高,并设入岸台中

(3) 岸台中输入根据已知点坐标转换出来的WGS-84坐标,输入已知点高程

3.3.2、有关流动站的问题

(1) 记录要限制为RTK固定解

(2) 精确量取天线高(天线至水面的高度),测深仪吃水改正参考同一水面线

(3) 差分天线最好使用高增益天线,天线姿态要尽量保持垂直,差分天线要尽可能的高

(4) RTK观测中,应确保流动站不受电磁干扰

3.3.3、有关绘图水位的问题

水位变化较大的区域,每公里约变化0.2m,,所以水深数据换算时分段处理,内插绘图水位数据,保证段与段之间的绘图水位差值小于0.1m,这样每个绘图水位控制的换算范围约为500m。

3.4、无验潮水下地形测量的优劣性

3.4.1、与传统的验潮法相比,无验潮水下地形测量具有如下优势

(1) 无须验潮数据,减少工作量

验潮法需要专门的人员测量水位或者到相关部门获取测量时段的水位数据。无验潮法只需在采集水深的同时在同一台电脑上采集GPS三维数据,这样起码可以减少一个读水尺的工作人员,还不须建一个或多个验潮站。

(2) 每个水位都同步、精确,提高精度 

GPS高程数据更新速度达10Hz,每个水深点都对应精确的水位值,无须内插或外推整个区域的水位。

(3) 减少浪涌等引起的误差

验潮法测量中由于浪涌影响,探头上下起伏使得测得的水深有瞬时误差,在最终的数据中无法消除。而无验潮法是通过GPS天线高程来推算水下高程的,天线与探头的相对位置固定,无论船怎样上下波动都不会改变处理后的水下高程。

(4)数据处理方便、快捷

由于所有的数据都采集到一个文件中,并且存在计算机中,减少获取和编辑潮位数据的时间,即时能进行后处理,编辑水下地形图或断面图。

3.4.2、相对而言无验潮水下地形测量的缺点是

(1) 造价高

必须用RTK型接收机,这种接收机价格相对DGPS高一些

(2)有效距离短

只能测量靠近基准站的区域,一般范围为半径20km,如果测量外海区域,将接收不到电台信号,便不能工作。

参考文献:

[1] 徐绍铨,张华海,杨志强,王泽民,GPS卫星测量原理与应用。武汉测绘科技大学出版社,1998.

[2] 吴子安,吴栋材. 水利工程测量. 测绘出版社. 1993.

[3] 刘基余,李征航,王跃虎等.全球定位系统原理及其应用测绘出版社.1993.

[4] 郭秉义,李洪涛差分GPS定位技术与应用北京电子工业出版社. 1996.

[5] 徐绍锉,张海华等.GPS测量原理及应用.武汉测绘科技大学出版社.1998.

[6] 王志林等:《GPSRKT技术》,天津,《海洋测绘》1996(3).

[7] 赵建虎,张红梅.水下地形测量技术探讨,探讨与研究.

[8] 王真祥,胡国栋. GPS RTK技术在无验潮水下地形测量中的应用初探,2001.

[9] 张发栋,虞祖培.GPS无验潮测深技术在水深测量中的应用,港工技术

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