差分GPS 水深测量系统在港口工程中的应用

前必须开展水下地形图的测绘工作。2
3 年 12 月
笔者作为项目负责人承担了此项工作， 并较为成功 地将差分 GPS 水深测量系统应用于此项工 作 中 ， 取得了令人满意的结果。
1
差 分 GPS 水 深 测 量 系 统 的 系 统 组 成 和 基本工作原理
本次南京港区水下地形测量采用了差分 GPS
1.1 系统组成
RTCM-1 4 所制定的标准； （3）基准站能提供所有卫星的改正数， 而用户 站只需接收 4 颗卫星即可进行改正， 无需与基准站
接收相同的卫星数。因此， 用户站采用具有差分功 能的简易接收机即可。 伪距差分能将两站间的公共误差抵消， 但随着 基准站与用户站之间距离的增加， 系统误差将会明 显增加， 且这种误差采用任何差分方法都不能予以 消除。因此， 基准站与用户站之间的距离对伪距差 分的精度有决定性影响。 为了在一个广阔的地区内 提供高精度的差分 GPS 服务，需将若干个基准站 和主站组成差分 GPS 网，主差分接收来自各个监 测站的差分 GPS 信号，然后将其组合并形成在扩 展区域内的有效差分 GPS 改正电文，通过卫星通 信线路或无线电数据链把扩展 GPS 改正信号传送 给用户站， 这就形成了扩展的差分 GPS。 扩展差分 GPS 的基本思想是对 GPS 测量的误 差源加以区分， 并单独对每一种误差分别加以 “模 型化” ， 然后将计算出的每一误差源的数值， 通过数 据链传输给用户站， 改正用户站的 GPS 定位误差。 广域差分不仅扩大了差分 GPS 的 有 效 工 作 范 围 ， 而且保证了该区域的定位精度。
Application of DGPS water depth measuring system in harbor project
GA O Cheng-fa, ZHA O Y i (Transportation College of Southeast University, Nanjing 21 96, China) Abstract: The article chiefly introduces the princinple component and working process of DGPS water measuring system. In addition, it also introduces experience derived from the practice, and discusses some problems existing probably in the application. Key words: DGPS; water depth measurement; harbor project
j j j 2 j 2 j 2 1 2 j j j j
（1）
2
差分 GPS 水下地形测量的工作流程
差分 GPS 水下地形测量的工作流程大致可以
设此时测得的伪距为 p ， 则伪距改正数为
Δp =R -p
其伪距变化率为
j
j
j
（2）
分为两个阶段： 外业数据采集阶段和内业数据整理 阶段， 其工作流程如图 2 所示。
.18.
测
绘
工
程 加以改正， 以尽可能地消除系统误差。
第 13 卷
影响。 仪器调试主要是对测深仪的吃水深度和声速 在船只航行时， 由于受船速、 波浪和水流等因 素影响， 动态吃水改正数和静态吃水改正数是不同 的， 为此， 针对特定船只可测定换能器在不同船速 时的吃水值， 通过不同船速对吃水值进行多项式曲 线拟合，按照最小二乘拟合方法解算出拟合系数， 然后通过测深线的不同测深点的时间和位置信息 解算出船速，代入拟合公式可求取动态吃水改正 数。静态吃水改正数是一个基本恒定的量， 在改正
2.1 外业数据的采集
在进行外业数据采集前， 做好必要的前期准备 工作是顺利完成外业数据采集的基础和关键， 前期 准备工作主要包括测量船的选择、 仪器的安装与调 试， 区域坐标转换参数的确定及测线的布置等。
1）水尺制作
水位测量是水深测量不可缺少的数据， 因此在 测量过程中每隔一段时间都要从现有水文站上获 取观测期间的水位数据， 以便对测得的水深进行改 正。若测区既无水文站， 又无已有的水文资料可供 参考， 则只能用水准仪制作临时水尺以获得测段的 水位数据。 本次测量是从 6 个港区的水准点上用水准测 量的方法分别制作了 6 个临时水尺。 由于长江南京 段受潮汐影响较大，因此观测过程中每隔 15 min 在临时水尺上读取一次水位数据。
引言
传统的港口水下地形测量一般采用经纬仪、 平 板仪、 六分仪交汇定位， 配置回声测深仪进行测深 和手工绘图。这种测绘方法不但需要大量的控制 点， 而且受天气、 视场、 地形条件等影响， 其测量精 度较低， 劳动强度也很大。 随着差分 GPS 定位模式 的产生， GPS 已广泛应用到工程勘察、车辆定位， 与此同时，差分 GPS 在水深测量中的优越性也日 渐突出， 将其应用于沿海水下地形图的测绘已取得 成功。 工程实践表明， 利用差分 GPS 水深测量系统 进行海图测量，极大地提高了成图质量和作业速 度， 降低了劳动强度和工程成本， 提高了工程效率。 但如何针对内陆港口工程的具体特点，将差分
GPS 信标机是本系统的核心部件，本系统采 用 ASHTECH BR2G 信标机，该仪器在接收 GPS
第3期
高成发等: 差分 GPS 水深测量系统在港口工程中的应用
.17.
j
!=Δp (Δ) Δp
j j j
j
（3）
! 通过电台发送给用户站， 基准站将 Δp 和 Δp
用户站在测出的伪距 p 上加以改正，即可求出经 改正后的伪距为
GPS 水深测量系统应用于内河港口水深测量仍处
于探索之中。 南京港是我国最大的内陆港口，地处长江下 游， 由 6 个港区组成， 每年冬天由于水位较低， 加之 泥沙淤积， 导致港口船只吃水深度不够。因此每年 冬天都要进行一次清淤疏浚工作， 疏浚工作开始之
收稿日期： 2 4- 2-26 作者简介： 高成发 (1963～)， 男， 东南大学交通学院副教授。
图 2 差分 GPS 水Leabharlann Baidu地形测量的工作流程
时可按照时间区间改正吃水或者按照不同测线改 正吃水， 方式比较灵活。在此次南京港区的实际测 量中， 船速一般都很 低 （低 于 1 km / h） ， 采用静态 吃水改正已能满足精度要求。 目前常用的声速改正方法有校对法、 水文资料 改正法、 直接查表法和拟合公式法 （马休斯法） 、 水 文统计法、 声速仪直接计算法等。其中校对法是经 常采用的一种方法， 该方法是利用校准工具， 如金 属绳水铊、 检查板或水听器等， 置于测深仪换能器 下方一定深度处， 测量其实际的深度与测深仪在当 时、 当地测得的深度作比较， 其差值即为测深仪总 改正数。校对仪器应在水况平静， 船只处于漂泊和 平稳状态， 测深仪器处于正常工作状态下进行。试 验结果表明该方法已能满足 1:1 绘精度要求。 水下地形图测
水深测量系统，该系统主要由便携式计算机、 GPS 天线、 数字化测深仪及电源五部分组 GPS 信标机、 成， 如图 1 所示。 便 携 式 计 算 机 需 用 PC 扩 展 卡 扩 展 为 两 个 以便连接测深仪和 GPS 信标机的两个串 COM 口， 口，进而接收实时的水深信息及其相应的平面坐 标， 同时还需制作一个专用电源为其供电， 另外， 由 于是水上作业， 便携式计算机应注意防水 （特别是 键盘） 。
（) ） （j =1， 就可按以下伪距观测方程计算 p* 2， 3， 4） 用户站的坐标为
（X -X * ）+ （Y -Y * ）+ （Z -Z* ）] ++・ p * =[ δ ),- （5）
j j 2 j 2 j 2 1 2
j
式中， δ ) 为钟差； - 为接收机噪声。 伪距差分具有以下优点： （1）由于计算的伪距改正数是直接在 WGS即得到的是直接改正数， 不需变 84 坐标上进行的， 换为当地坐标， 所以能达到很高的精度；
4）区域坐标转换参数的确定
进行外业数据采集之前还需要确定区域坐标 转换参数。为了将 GPS 测得的 WGS-84 坐标转至 南京地方坐标， 应在至少 3 个四等以上的南京地方 坐标系统下的起算点上安置 GPS 接收机，各自观 测 5 min 以上， 以便准确地求得系统转换参数。
2）测量船的选择
所选择的测量船要便于固定 GPS 天线及换能 仪， GPS 天线和换能仪的平面位置要尽可能地保持 一致。测量船的驾驶舱至少能容纳两人 （驾驶员和 仪器操作员） ， 而且舱内要便于摆放测深仪、 便携式 计算机、 电池、 信标机以及逆变器等仪器。 测量船的 大小对测量精度也有影响，考虑到长江的实际情 况， 在距离江心较近的水域， 因船的航向受水流及 风向的影响较大， 出于安全因素的考虑， 应选用较 大的测量船， 而在靠码头边沿及岸边的水域， 因水 深较浅以及需要船只频繁转向， 则需要较小的测量 船， 所以， 在这次南京港的水下地形测量中， 我们在 靠江心及岸边的不同水域带选用了大小不同的测 量船分别进行测量， 保证了测量的效率和精度。
第 13 卷 第 3 期
测 绘 工 程
Vol.13, No.3 SEP., 2 4
2 4年 9月
ENGINEERING OF SURVEYING AND MAPPING
差分 GPS 水深测量系统在港口工程中的应用
高成发， 赵 毅
96 ）
（东南大学 交通学院， 江苏 南京 21
组成和工作流程， 同时 摘要： 结合南京港水下地形测量 的 工 程 实 践 ， 阐 述 了 差 分 GPS 水 深 测 量 系 统 的 原 理 、 还对工程实践中得出的体会以及存在的一些问题进行了探讨。 水深测量； 港口工程 关键词： 差分 GPS ； 中图分类号： P228 文献标识码： A 文章编号： 1 （2 4 ） 3- 16- 4 6-7949
km。
虽然仅需一台机器即可实现差分定位， 但其基本工
GPS 信 标 机 主 要 采 用 的 是 扩 展 伪 距 差 分 技
术， 其基本原理如下： 在信标基准站上观测所有卫星， 根据基准站的 已知精密坐标 （X ， 和由星历数据计算得到 Y ， Z ） 的某一时刻各卫星的地心坐标 （X ， ， 按 （1 ） Y ， Z ） 式求出每颗卫星在该时刻到基准站的真正距离 R （Y -Y ）+ （Z -Z ）] R =（ [ X -X ）+
!， （2）这种改正数能提供 Δp 和 Δp 所以在未
得到改正数的空隙内能继续精密定位，这达到了
j
j
1.2 基本工作原理 差 分 GPS 水 深 测 量 系 统 的 核 心 部 件 是 GPS
信标机， 它与传统差分定位的不同之处是信标机仅 需一台即能实现亚米级的定位， 从而无需设立基准 站，其差分信号来源于我国交通部在沿海建立的 并且其作用距离可达 3 GPS 公用信标台站， 作原理仍是差分 GPS 定位技术。 差分 GPS 定位技术， 是将 GPS 接收机安置在 基础站上进行观测， 根据已知的基准站的精密坐标 计算出坐标、 距离或相位改正数， 并由基准站通过 数据链实时将改正数发送给流动的用户接收机， 从 而改正其定位结果， 提高定位精度。根据基准站发 送信息方式的不同，差分 GPS 定位可分为位置差 分、 伪距差分、 相位平滑伪距差分和载波相位差分 四种形式。
j j j j ! ） （) ） （)-) ） p（ +Δp （)） +Δp * ) =p
（4）
只要同时观测 4 颗卫星， 利用改正后的伪距
图 1 差分 GPS 水深测量系统组成示意图
测距信号 （C / A 码） 的同时还接收来自我国沿海信 标台的差分 GPS 信号， 其定位精度可达亚米级。 数字化回声测深仪采用无锡海鹰牌的 SDH其测深精度可达 .1 m。 13D 测深仪， 电瓶电源可通过逆变器为计算机、 测深仪和差 分 GPS 信标机供电。 由于采用了性价比较高 的 差 分 GPS 信 标 机 ， 整个系统的仪器设备费一般可控制在 8 万元之内， 仅相当于一台全站仪的费用。
5）测深线的布置
测深线的布置可分为平行布线、区域布线、 扇 形布线以及沿中心点垂直布线等几种。 根据码头测 量区域的形状以及码头附近水下地形的变化情况， 我们采用了间距为 2 m 的垂直于航向的水平布 线， 其结果已能满足 1:1 水下地形图的需要。