水下测量GPS-RTK技术应用
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摘要:GPS实时动态测量技术(即RTK技术),利用GPS接收机接收导航卫星载波相位进行实时相位差分实施地形测量,不受通视条件的影响,且RTK配合测深设备可以对水下点进行快速定位,优势明显。文章通过对GPS-PTK工作原理的阐述,结合具体工程实践,分析了GPS实时动态技术在地形测量中的精度,说明了GPS在地形测量中能充分发挥它快捷、灵活、精度高的特点,具有广泛的实用价值。
关键词:gps-rtk;水下测量;测区控制测量;外业数据采集;数据处理
中图分类号:U674文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)04-0038-02
在进行水下地形测量时,传统的施测方法如前方交会法、全站仪极坐标法等作业效率低下,而且精度低,测量和定标很难同步,RTK技术的出现为高效测量水下地形提供了一个新的方向。真正实现外业数据采集、内业数据处理及成图自动化。
一、GPS RTK的工作原理
RTK实时动态测量技术是以载波相位观测为根据的实时差分GPS技术,它是测量技术发展里程中的一个突破,由基准站接收机、数据链、流动站接收机三部分组成。RTK基本工作原理:在已知高等级点上(基准站)安置1台接收机作为参考站,对卫星进行连续观测,并将其观测数据和测站信息通过无线电传输设备实时地发送给流动站,流动站GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时,通过无线接收设备接收基准站传输的数据,然后根据相对定位的原理,实时解算出流动站的三维坐标及其精度,即基准站和流动站坐标差ΔX,ΔY,ΔH,加上基准坐标得到的每个点的WGS-84坐标,通过坐标转换参数得出流动站每个点的平面坐标X,Y和海拔高H。
二、仪器配置
Trimble5700双频GPS两台套,其动态平面定位精度为10mm±2ppm,高程定位精度为20mm±2ppm;25W数传电台一套;HD―17型数字测深仪一台,如图1其测深精度±2cm+1‰×H;笔记本电脑一台;测船一艘。作业时连接方式如图2所示:
三、水下地形实际测量
(一)基本工作方式
岸上控制点设置基准站,测船上设置流动站。GPS天线固定在测深杆上,保持GPS相位中心与测深仪水下换能器中心位置一致,通过RS-232接口与GPS接收机连接,以获取定标数据。再通过专用的高频探头接口连接水下的换能器,以获得所测水深数据。
(二)测区控制测量
为了提供基准站固定坐标点,首先根据测区的实际情况和交通状况在1∶2 000比例尺地形图的基础上在整个测区内进行E级GPS控制网的布网设计。沿水域边界布设,构成GPS骨架控制网。
(三)陆地部分地形测量
陆地部分地形测图采用草图导引作业法,全站仪极坐标法采集野外数据,建立原始数据文件传输给计算机,采用在AutoCAD2002平台下的南方公司CASS6.0版编图软件处理生成绘图信息数据文件进行成图分幅,形成DWG格式文件。
(四)外业数据采集
进行水下地形测量前,在控制点XT01启动基准站。在流动站上开始测量,先打开HD-17测深仪专用测深软件进行测深,可先只测深,不记录;然后再打开配套导航软件设置好航线名与起始点号,并在流动站初始化完成,RTK有固定解之后,根据显示屏上所显示的实时航迹将测船行驶到要施测航线上。这时先开始记录测深,再开始记录定标平面位置和水深同步采集。根据计算机屏幕上显示的实时航迹与事先设计好的测线进行比较,指挥测船行驶在断面上。
(五)使用软件及内业数据处理
导航软件的主要功能是在预设测区内实时显示测船航行状况,保证测船沿预定测线行驶,并将点号、定标位置、水深数据、时间等野外实测数据,以电子文件的形式存贮在计算机的存贮器上。
成图软件将外业采集的数据导入,在经过数据检查、展点、建立数字模型、生成等值线、图面整理及精度检查后,就形成了资用成果水下地形图。
(六)水下地形测量精度估算分析
利用RTK进行水下地形测量误差来源主要有平面定位误差和水深测量误差。
GPS-RTK平面定位误差决定于卫星钟差、卫星轨道误差、电离层效应误差、对流层效应误差等。并与基准站和流动站之间的距离有关。距离越大,卫星轨道误差、大气延迟误差等显著增加。本次RTK定位作用距离均在1～3km。假定HDOP=2.5 m,那么其卫星钟差m1=0.05 m,卫星轨道误差m2≤0.08 m,电离层效应误差m3≤0.23 m,对流层效应误差m4≤0.28 m,接收机噪声误差m5≤0.19 m,RMS误差m6≤0.42 m。流动站单点定位误差m7≤0.02 m,流动站测船姿态摇摆误差m8≤0.14 m,平面位置定位精度:
由于水下地形测量是在水上进行流动作业的,因此,水下地形测量平面位置误差还应该包括水深测量系统延迟误差。由于这些误差的影响,水下地形测量实际误差应在±1 m范围内,而本次水下地形测量平面位置精度要求为图上±1 mm,因此满足要求。
水深测量误差一般包括深度误差、换能器静吃水误差、江底质地误差、江底地貌起伏误差、船舶动吃水误差、读数误差等。
本次测量中采用数字模拟两用测深仪,换能器静吃水深度的测量与调整不可能完全与实际吃水深度完全吻合。故认为静吃水深度的误差M静吃水=±0.02 m;由于江底土质相对较硬,对声波吸收与反射,从而对测量产生影响。因此我们按经验取M质=±0.08 m。由于江底较平坦时对换能器发射角影响很小。故,所测深度与实际深度误差不大,我们把此项误差定义为M倾=±0.12 m;在测量过程中由于测量船受风浪、航速等因素影响而引起测量船动吃水误差,在测量船姿态摇摆±4°以内,此项误差M动吃水=±0.14 m;由于水深记录由仪器自动测记,故读数误差不予考虑,但顾及到人工检波读数,而认为M读=±0.1 m;水深深度误差取决于设计声速,在实际工作中,水深误差为M水深=±0.22 m,此外由于温度变化等其他因素,认为M其他=±0.15 m,因此可计算出水深测验量中误差。
以上水深测量精度只是分析结果,在实际水下地形测量过程中通过人工测深比较,精度要远远高出上述结果。
为了检查水深测量的精度,在工程最后要进行检查测量。通过检查测量的水深数据和平面定标数据,同已生成的方格网状水深地形图上的数据进行比较,计算水深点的深度比互补差及水下地形点的高程中误差等。
四、结论
目前,国内GPS-RTK技术广泛应用于陆地测量、水下地形测量,RTK技术除了具有GPS全天候、不受通视条件限制等优越性外,与传统水下地形定位测量方法相比,还具有以下优点:
1.精度高。GPS-RTK平面定位精度可达厘米级,测深仪标称精度为±2cm+1‰×H。
2.工作效率高。传统定位测量方法,一个外业组需要几个人配合一起才能完成作业。而GPS-RTK+数字测深仪模式,只需两人就可完成工作。一个人在水上流动站进行水深测量,另一个人在陆上流动站同时进行水边测量,可加快整个工程的进度,缩短工作周期。
3.同步观测。定标与测深可以同时进行,几乎没有时间延迟,采用一步法成图,减少了误差的累积。
4.实时定位。专用海洋测量软件预置设计航线,野外作业时,可在屏幕上显示实时定位信息,可准确指导航行,在补测地形与施工放样中优点尤其突出。
5.适用性强。只要水域上空较开阔,卫星信号遮挡少的地方,就可全天候作业,极大发挥了RTK的效能。
6.出图时间短。GPS-RTK+测深仪模式,适应数字化成图的需要,外业工作短,并且缩短了成图周期,因而具有较好的经济效益和社会效益。
7.劳动强度低。较之传统测量方法劳动强度大为降低。
参考文献
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作者简介:陈学辉(1979-),新疆呼图壁人,新疆水利水电勘测设计研究院测绘工程院助理工程师,研究方向:测绘。