劉福剛

(中石化石油工程設計有限公司，山東 東營　257000)

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利用RTK進行多波束水深測量時GPS高程數(shù)據(jù)的處理

劉福剛

(中石化石油工程設計有限公司，山東 東營257000)

利用RTK進行多波束水深測量時，GPS高程在提供瞬時垂直基準方面起著重要的作用。海上實際作業(yè)過程中，GPS信號經(jīng)常會發(fā)生失鎖現(xiàn)象,造成部分歷元高程數(shù)據(jù)突變，導致海底地形失真。該文以茂名某項目為例，首先介紹了根據(jù)EGM2008大地水準面模型，利用高程擬合法將多波束水深測量時GPS橢球高轉換為正常高的方法；然后針對GPS信號失鎖現(xiàn)象，提出了利用RTK高程中的固定解來求算海水潮位面的方法，同時闡述了該方法的優(yōu)勢。

RTK；水深測量；多波束；橢球高；正常高;高程數(shù)據(jù)處理

引文格式：劉福剛.利用RTK進行多波束水深測量時GPS高程數(shù)據(jù)的處理[J].山東國土資源，2015，31(9)：90-93.LIU Fugang.Elevation Data Processing of GPS in Multibeam Bathymetric Measuring by Using RTK Technology[J].Shandong Land and Resources,2015，31(9)：90-93.

0　引言

多波束測深系統(tǒng)是水聲、計算機、導航定位和數(shù)字化傳感器等多種技術的高度集成。是利用安裝于船底或拖體上的聲基陣向與航向垂直的海底發(fā)射超寬聲波束，接收海底反向散射信號，經(jīng)過模擬/數(shù)字信號處理，形成多個波束，同時獲得幾十個甚至上百個海底條帶上采樣點的水深數(shù)據(jù)。其測量條帶覆蓋范圍為水深的2～10倍，與現(xiàn)場采集的導航定位及姿態(tài)數(shù)據(jù)相結合，能夠繪制出高精度、高分辨率的數(shù)字成果圖。與單波束回聲測深儀相比，多波束測深系統(tǒng)具有測量范圍大、測量速度快、精度高的優(yōu)點。

對發(fā)射聲波瞬間換能器的定位、定姿是多波束水深測量的重要一步。目前，可利用差分GPS(DGPS)系統(tǒng)或RTK的方式求出換能器平面位置，利用電羅經(jīng)、姿態(tài)傳感器求出換能器瞬時姿態(tài)，定位定姿中的導航延時、橫搖、縱搖、艏偏通過檢校場檢校計算得出。傳統(tǒng)多波束測量中，換能器瞬時高程是由潮位、吃水參數(shù)和涌浪參數(shù)(Heave)聯(lián)合提供，理想條件下，該高程是準確無誤的。但是實際測量過程中，潮位是由測區(qū)多個驗潮站數(shù)據(jù)線性內(nèi)插得到，吃水參數(shù)易受船速等因素影響，Heave在船速突變時會有長周期信號異常，使得計算出的換能器瞬時高程值精度大受影響[1]。

GPS-RTK定位技術是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術。在RTK解固定時，通過量測、計算GPS天線相位中心與換能器間的相對關系，能實時求出換能器瞬時高程。

在已知GPS天線高程的情況下，只需量測GPS天線位置到換能器之間的高差值h1，便可求出換能器瞬時高程，從而消除了潮位模型選擇、動態(tài)吃水測量不準確及船速突變時Heave異常帶來的影響(圖1)。

圖1　GPS接收機天線與換能器相對位置示意圖

1　工程應用

茂名某海洋測量項目，由岸邊往海中東南方向延伸約15km，水深20m左右，需要測量管線兩側各250m內(nèi)水下地形。項目采用WGS-84 坐標系統(tǒng)(UTM投影)，1985國家高程基準。該次采用設備有天寶GPS 2臺、Geo Swath Plus多波束測深系統(tǒng)(250Hz)和處理軟件GS+。

GPS測得的是點位的橢球高，工程需要的是該點的正常高，兩者間的差值(高程異常)不是一個常數(shù)。同時海上作業(yè)過程中經(jīng)常出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象，GPS信號失鎖部分的高程無法利用。以該項目為例介紹橢球高到正常高的轉換方法及利用GPS高程計算潮位數(shù)據(jù)的方法來消除GPS信號失鎖的影響。

1.1GPS橢球高到正常高的轉換

橢球高到正常高的轉換，一般有2種方法：

1.1.1七參數(shù)法

測區(qū)范圍內(nèi)取3個以上已知控制點，通過輸入已知點的WGS84坐標及當?shù)刈鴺耍蟪?個平移參數(shù)、3個旋轉參數(shù)及1個尺度比參數(shù)，從而在2個橢球間建立聯(lián)系，實現(xiàn)由橢球高到正常高的轉換。此方法要求測區(qū)在已知控制點范圍內(nèi)或邊緣，不要超出控制區(qū)域太遠，否則得出的高程值不具可信性。同時，該方法無法處理測區(qū)內(nèi)高程異常值凹下或凸起的區(qū)域。

1.1.2高程擬合法

在傳統(tǒng)的大地測量中,高程異常是通過重力測量和天文測量的方法確定的,但對大多數(shù)測量單位來說,并不具備這2種作業(yè)的條件。目前國內(nèi)外常用的方法是采用數(shù)學擬合的方法[2]。

通過EGM2008大地水準面模型，結合模型內(nèi)不同點的高程異常，以線性內(nèi)插的方式求出待測點高程異常值，從而實現(xiàn)橢球高到正常高的轉變。此方法在測區(qū)周圍控制點不多或不能有效覆蓋測區(qū)時，可以獲取高可靠性的RTK高程。同時，該方法降低了測區(qū)范圍內(nèi)局部地區(qū)高程異常值凹下或凸起帶來的危害。 由于海上作業(yè)的一側是海洋，很難搜集到覆蓋測區(qū)的控制點資料，在采用RTK測量海深的作業(yè)模式上，不推薦用七參數(shù)法。該次文采用高程擬合法。圖2為該次作業(yè)GS+導出的某條測線的部分導航數(shù)據(jù)。

圖2　某測線的部分導航數(shù)據(jù)

圖2第一行中的“4”表示固定解，“17.777”表示正常高，“-10.323”表示大地水準面差距，兩者之和為橢球高。此處的大地水準面差距是由集成在GPS接收機中粗略的大地水準面模型得出，誤差較大，同時GS+的算法較簡單，在每條測線只取了1個大地水準面差距值。因此需要對導航數(shù)據(jù)進行后處理，以便求出正確的正常高。

基本思路為：首先利用公式H=h+ζ(式中H代表該點橢球高；h代表該點正常高；ζ代表該點高程異常，下同)，恢復橢球高H，然后根據(jù)EGM2008模型查找測量點位區(qū)域內(nèi)四周點的ζ值，利用線性內(nèi)插的方式求出待測點位的ζ值，最后利用公式h=H-ζ求出待測點位的正常高。

理論上，要求得測量點位的正常高，有如下兩種方法可用：

方法一：直接法。要想求得點2的正常高，利用該點的橢球高直接減去該點的高程異常值，公式為：

(1)

方法二：間接法。若要求得點2的正常高，利用已知點1的正常高加上兩者間橢球高的差再減去兩者高程異常的差，公式為：

(2)

圖3　基準站點、流動站點橢球高與正常高關系圖

如圖3所示，公式(1)(2)中h2為RTK測量點位正常高；h1即為已知點(基準站點)正常高；H1為基站點橢球高；H2為導航數(shù)據(jù)中正常高與大地水準面差距的和；ζ1，ζ2由選用的EGM2008模型求得(公式中的正常高、橢球高、在實際工作中要考慮儀器高、天線高等)。

方法一得出的正常高為EGM2008高程基準，要想得出1985國家高程基準的正常高，還需減去兩者間的差距。另外，該方法需準確搜集到已知點的高精度WGS-84坐標(B，L，H)。方法二消除了WGS84坐標H絕對精度低及2個高程基準面差距的影響，實際工作中主要應用此方法。

該項目15km測區(qū)內(nèi)，Δζ(ζ2—ζ1)從岸邊(基準站)往測區(qū)深處基本呈線性逐步增大，在5km處值約為16cm，在10km處約為34cm，在15km處約為46cm。Δζ通常情況下表現(xiàn)為使測區(qū)海底傾斜，離基站越遠，傾斜(誤差)程度越深。因為它是一個系統(tǒng)誤差，通過布設重合、交叉測線的方式無法將其檢測出來。所以在用RTK結合多波束進行水深測量時，一定要考慮Δζ的影響。

1.2RTK高程計算潮汐數(shù)據(jù)

實際海上測量中，受風浪、船體操縱等影響，GPS信號會出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象，此時的GPS高程不能直接利用。目前，國內(nèi)主要研究采用對GPS高程數(shù)據(jù)進行修正的方式來確保GPS高程數(shù)據(jù)的質量，修正后的GPS高程數(shù)據(jù)直接用于求算換能器瞬時高程。其中常見的有Kalman濾波、Heave修正等。

項目中，首先利用GPS高程求算隨船移動的潮位面數(shù)據(jù)，然后根據(jù)潮位面數(shù)據(jù)去求算換能器瞬時高程。

1.2.1GPS高程常用修正法

Kalman濾波法：Kalman濾波是一種對動態(tài)測量數(shù)據(jù)實施濾波的常用方法，隨著觀測數(shù)據(jù)的增加，狀態(tài)估計應愈來愈精確。但在實際應用中，當GPS觀測存在連續(xù)異常時，則采用傳統(tǒng)的Kalman濾波易出現(xiàn)發(fā)散問題[3]。

Heave修正法：Heave修正法利用的是正常的GPS高程時序和Heave時序反應的都是船體的垂直運動，在短時間內(nèi)應該具有一致性的原理通過姿態(tài)傳感器測得的Heave值來對GPS高程進行修正。但是，Heave具有零均值特征,其變化反映的是船體的高頻運動特征,無法表現(xiàn)船體的全周期垂直運動,即潮位、波浪和船體操縱等產(chǎn)生的綜合垂直運動；GPS高程序列不但可以呈現(xiàn)船體的瞬時變化,還可以呈現(xiàn)其中、長周期垂直運動波。因此，Heave對GPS RTK高程的修正只能在短時間段內(nèi)進行。根據(jù)潮位、波浪和船體操縱的周期特征，這種修正的有效時間段最長不能大于2min[4]。

經(jīng)過修正后的GPS高程數(shù)據(jù)直接用于求算換能器瞬時高程。得出的高程起著提供瞬時垂直基準的重要作用,每個歷元的觀測數(shù)據(jù)均須可靠穩(wěn)定,否則將會引起水下地形的異常[4]。因此,該方法要求GPS原始數(shù)據(jù)信號失鎖時間不能太長，同時處理過程中對GPS高程成果的質量要嚴格把控。

1.2.2利用RTK高程求算潮位數(shù)據(jù)文件

鑒于該項目多條測線出現(xiàn)了持續(xù)2～3min的RTK浮點解或單點解數(shù)據(jù)，利用Kalman濾波、Heave修正無法消除GPS失鎖對水深成果造成的影響，提出了另一個思路。利用GPS中的固定解數(shù)據(jù)反算海平面，得到一個“架設在船上的驗潮站”潮位文件，并利用該文件結合涌浪參數(shù)及吃水求算換能器瞬時高度。

求算潮位文件的過程為： 首先，劃分一個合理的時間段。該時間段要包含多個涌浪周期(Heave-Bandwidth)及足夠多的高程數(shù)據(jù)，同時考慮2次失鎖情況，該周期不能過大。該項目GPS輸出頻率為20Hz，涌浪周期為7S左右，每個周期內(nèi)GPS輸出140次，1 min內(nèi)輸出1200次，該時間段(區(qū)間)設置為1min。

其次，設置區(qū)間內(nèi)有效數(shù)據(jù)閾值。設置區(qū)間內(nèi)GPS固定解的數(shù)量的閾值為x，如果固定解數(shù)量小于x，則將該區(qū)間內(nèi)所有數(shù)據(jù)舍棄；否則保留該區(qū)間數(shù)據(jù)。該項目處理過程中在將區(qū)間段設置為1 min的情況下，該閾值設置為1000。失鎖嚴重的測線，也可將該值適當縮小，并對該時間段內(nèi)潮位文件進行人工檢核。

最后，計算該區(qū)間時刻海水潮位面。經(jīng)過第二步的過濾后，將每個區(qū)間內(nèi)所有固定解高程取平均，結合天線高及換能器吃水值，從而得出該區(qū)間時刻海水潮位面數(shù)據(jù)。

獲取海水潮位面的目的是為了求算換能器高程，所以在第三步中，也可結合GPS天線與換能器的高差(圖1中的h1)，直接求算“換能器潮位面”數(shù)據(jù)。

2　結論

與傳統(tǒng)驗潮方法相比，利用RTK進行多波束水深測量在高程獲取方面是完全不同的一種方法。該文通過茂名某海洋測量項目為例，針對高程轉換及RTK信號失鎖情況，在GPS高程數(shù)據(jù)處理方面，提出了以下幾個建議：

(1)GGA原始數(shù)據(jù)中的大地水準面差距值是由內(nèi)置在GPS接收機中粗略的大地水準面模型給出，誤差較大，要想得出高精度水深數(shù)據(jù)，首先要恢復點位的橢球高。

(2)在GPS橢球高向正常高轉變過程中，優(yōu)先使用EGM2008模型進行高程擬合，測區(qū)內(nèi)不同點位的高程異常差值Δζ(ζ2-ζ1)在10km范圍內(nèi)，可達30cm以上。忽略Δζ會對測深結果產(chǎn)生非常大的系統(tǒng)差值，且簡單的布設重復測線無法檢測出此項誤差。

(3)在測量過程中，GPS存在短時間失鎖情況時，可以通過利用GPS高程數(shù)據(jù)求算潮位數(shù)據(jù)的方式，消弱失鎖對成果的影響。該方法利用的是GPS高程數(shù)據(jù)里面的有效高程值，且可對生成的潮位數(shù)據(jù)圖像化顯示，利用海水周期性漲落的特點進行人工檢核；而對GPS高程數(shù)據(jù)進行Kalman濾波、Heave修正等方法，需要修正后的每個歷元的觀測數(shù)據(jù)均必須可靠、穩(wěn)定。所以利用GPS高程數(shù)據(jù)求算潮位數(shù)據(jù)的方法，對GPS數(shù)據(jù)質量要求更寬松，求算出的水深結果更可靠。

綜上所述，利用提出的對RTK-GPS高程數(shù)據(jù)的處理，可以求算隨船移動的潮位面數(shù)據(jù)，降低了短時間內(nèi)GPS信號失鎖對多波束水深測量數(shù)據(jù)的影響。

[1]陽凡林，趙建虎，張紅梅，等.RTK高程和Heave信號的融合及精度分析[J].武漢大學學報信息科學版,2007，32(3):225-228.

[2]程海帆,冷曦晨,郭寶君. GPS高程兩種擬合方法在山區(qū)公路勘測中的應用研究[J].公路交通科技，2008,25(9)：336.

[3]暴景陽,劉雁春.海道水位控制方法研究[J].測繪科學,2006,31(6):49-51.

[4]張紅梅，趙建虎. 精密多波束測量中GPS高程誤差的綜合修正法[J]. 測繪學報,2009，38(1):24-26.

Elevation Data Processing of GPS in Multibeam Bathymetric Measuring by Using RTK Technology

LIU Fugang

(Sinopec Petroleum Engineering Corporation， Shandong Dongying 257000, China)

In the period of measuring multi-beam by using RTK technology, GPS elevation plays an important role in providing instantaneous vertical datum. During the actual operation process in the sea, GPS signals often happen the problem of out of lock. It will cause mutations of some epoch elevation data, and distortion of submarine topography. In this paper, setting Maoming project as an example, according to EGM2008 geoid model, by using elevation fitting method, in the process of measuring multibeam bathymetric, GPS ellipsoidal height will convert to normal height. Then pointing to the phenomenon of losing and locking GPS signals, the method of using elevation fixed solution to calculate sea tide surface by using RTK technology has been put forward. The advantages of this method have been explained as well.

RTK；multibeam； ellipsoid height； normal height; elevation data processing

2015-06-24；

2015-07-31；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

劉福剛(1983—)，男，山東昌樂人，工程師，現(xiàn)從事海洋測量方面的研究;E-mail:slecclfg@163.com

P228.42

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