基于GNSSS技术模式下的无验潮水下地形测量方法研究
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[摘要]水库作为人类蓄水发电、灌溉和防洪调度等的重要设施，发挥着越来越大的作用，并取得了巨大的社会效益和经济效益。但水库库容和淤积量是水库调度的重要参数，其精度直接影响到水库的防洪安全与蓄水兴利。随着现代测控技术的迅速发展，将基于gnsss技术模式下的无验潮水下地形测量方法应用到水利电力和防洪调度值得值得研究和推广。
[关键字] GNSS 无验潮 水库
[中图分类号] TU198+.1 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-1-120-2
0引言
水下地形测量方法一般用GNSS作为测点定位， 回声测深仪测深， 根据瞬时水位的高程来反算河底点高程的基本模式。对瞬时水位资料获取方式而言，其资料大多来自于设立在岸边的水位站。在实际测量中，往往水位站很难设立或者水位站的数据不能很好地代表测量区域的水位，则常规的水下地形测量难以准确地实施。随着GNSS实时差分技术（RTK） 的日益成熟，能够在动态环境下，获得厘米级甚至毫米级的水平定位精度和厘米级的高程定位精度[1]。这使得人们对GNSS 的应用不仅局限于平面定位方面，而且深入到高程领域。因此提出了一种无验潮模式下的水下地形测量方法，该法不需要传统水下地形测量的潮水位资料，实施起来简单方便，且测量精度优于传统测量模式。
1 基本工作原理
GNSS差分测量可以非常精确地测定2点之间的相对高差，小区域范围内，通过该高差便可反算出流动站GNSS 相位中心的高程，该高程同基准站具有相同的高程基准面。假设参考站GNSS天线离已知点高度为ha1，参考站GNSS天线的大地高和正常高分别为Hg1 和Hm1；已知点的正常高为Ho1；高程异常值为Δh；流动台GNSS天线到水面的高度为ha2，流动台GNSS天线的大地高和正常高分别为Hg2和Hm2，测深仪换能器底部的瞬时高程ho2，测深仪换能器底部到海底水深为hi；测量的海底正常高为H = ho2 - hi。则下列等式成立：
Hml=h01+hal Hm2 = ho2+ha2 （1）
根据GNSS差分原理，基准站和流动站间的距离30km，可以认为下式成立：
Hg1- Hg2=Hm1-Hm2 （2）
故由（1） 和（2） 可以得出测深仪换能器底部的瞬时高程为：
Hg1-Hg2 = （ho1+ ha1）-（ho2 + ha2） （3）
ho2 = （ho1+hal）-ha2-（Hg1 - Hg2） （4）
（3）（4）两式中hol为已知，hal 、ha2 可丈量得到，Hg1、Hg2可以由GNSS实时接收到，故测深仪换能器底部的瞬时高程确定后，加上其测量的水深hi可以实时得到测点的海底高程H。
上述测量方法摒弃了传统水下地形测量对潮水位观测的严格需求，是集潮水位测量与水深测量于一身，直接获得河底点的高程，操作和实施比较方便、快捷。但上述方法同传统的测量方法一样，存在着船体姿态对测量的影响。在海况稳定的情况下，姿态对测量的影响较小；反之，影响较大，必须进行测量和补偿。
2 精度分析
2.1 定位和测深关系
水下地形测量是由定位和测深两部分各自独立进行数据采集的，要实现高精度的测点定位，需要进行定位与测深时间同步改正和位置偏移改正。因为在测量时，平面位置来自GNSS，一般为5 Hz （1秒5个定位数据），水深值取自测深仪，一般为10 Hz （1秒10个数据），用GNSS定位脉冲触发测深仪工作，那么可以说两者完全同步，不存在时间同步改正；如果GNSS天线与测深仪换能器处于同一垂直面上，则无需进行位置偏差改正；否则就应该根据航向和GNSS与测深仪的相互关系进行位置偏移改正。
2.2 姿态的影响
影响水深测量精度的水文因素很多，主要有潮位、波浪、换能器入水深度的变化等，传统的测深潮位改正时根据测区和潮位涨落规律布置一个或多个潮位站，派专人观测潮位资料，利用该资料，根据所测得水深点时间和位置实施潮水位改正。规范规定：当风浪引起的测深仪记录纸测深线起伏变化超过0.16 m （指海域， 内河为0.13m），应停止测深，可见波浪对测深影响是较大的；还有作业船只的负荷、航速、航向等影响测深仪换能器动态变化。
2.3 姿态测量及其补偿
波浪的瞬时变化使得船体姿态随之做瞬时的改变，这种变对GNSS在无验潮模式下进行水下地形测量影响较大，不容忽视。姿态补偿即通过姿态参数对观测值进行修正，削弱波浪测量的影响。
主要的姿态参数有四个：首摇Yaw、横摇Roll、纵摇Pitch和动吃水，除首摇Yaw外，其余的姿态均会给深度方向产生影响。姿态参数可采用通过姿态仪（光纤罗经Octans）进行测定。根据定义，动吃水发生在垂直方面，该方向上的位移量可通过架设在船体中心（重心）上方的GNSS天线相位中心的瞬时高程信息反映出来，该高程减去GNSS 天线到换能器的垂距，便是换能器发射面的瞬时高程，而换能器测量的深度正是建立在该高程面的基础上，因而说，船体的动态吃水不用专门去测定，换能器的瞬时高程已经包含了该信息。这是该法所特有的，也是相对传统方法测量精度较高的原因所在。
3 系统的误差分析及其误差处理
3.1 断面控制点的影响
GNSS定位技术以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测量中，如果测量范围比较小的话可以直接用已知点来进行水平方向的GNSS信号控制，而对于测量范围很大的区域，则要从已知控制点来新建控制点，建立大地控制网。较有效的方法就是利用高精度GNSS技术对原有老网进行全面改造、合理布设GNSS网点，并尽量与老网重合，再把GNSS数据和经典控制网一并联合平差处理，从而达到对老网的检核和改善的目的。作业中，首先进行D级网布设，网点选择可根据实际河道与两岸地势变化，同时考虑与当地已知几何水准点的校核，以及当地的卫星可预见性报表，基线长度一般可选择2km～15km。
3.2 GNSS信号与深度信号的不同步
在测量的过程中，由于定位和测深两部分各自独立进行数据采集，要获得正确的结果，就需要使定位和测深的数据在时间轴上对齐即时间同步，形成空间匹配的三维数据，如果定位和测深时间不同步，将使水下地形产生变形，所以数据的同步采集也直接影响测量的准确性。
3.3 后期软件处理方法
在获得了大量的测量数据后，首先将GNSS数据和深度数据进行分析，对相邻的两个数据之间进行比较，如果GNSS的两个数据差值超过某一范围，则认为后一测量点为GNSS系统漂移点，不予采用，而前点将跳过此漂移点，与其后一点相比较，依次类推，直到将所有测量点比较完毕，这样就把GNSS测量的错误点消除。
同理，对于深度测量所得数据也采用比较的办法消除测深仪所带来的错误数据。在每次测量的过程中，对测量结果的要求都是不同的，而在测量的过程中，测量点的疏密程度呈不规则的排列，所以有必要根据现场的要求对所有分析处理后的数据进行插值运算，所采用的插值方法为无网格方法。无网格方法（EFGM）其基本思路是利用移动最小二乘法，根据积分点附近一定影响范围 （称作影响域）内的节点的位移，用最小二乘法插值得到积分点附近的近似位移场函数。