王瑞

（中交華南勘察測(cè)繪科技有限公司，廣東 廣州 510220）

引言

在現(xiàn)階段疏浚船舶所使用的智能化挖泥系統(tǒng)中，起到重要作用的就是水位改正，疏浚工程施工過(guò)程中對(duì)水位進(jìn)行精準(zhǔn)實(shí)時(shí)的獲取十分關(guān)鍵，尤其在是當(dāng)前中國(guó)一帶一路的戰(zhàn)略背景下，港口的建設(shè)向大型化、深水化發(fā)展，我國(guó)也加大了遠(yuǎn)距離深水航道建設(shè)的步伐，此點(diǎn)顯得更為重要，實(shí)時(shí)與精確的水位控制可有效控制超挖、減少?gòu)U方，對(duì)提升疏浚工程的質(zhì)量起到重要作用。

1 現(xiàn)有水位控制方法

對(duì)海水面高度伴隨時(shí)間變化的規(guī)律進(jìn)行測(cè)量就是水位測(cè)量，目前可選擇的技術(shù)方法主要有四種，水尺驗(yàn)潮、驗(yàn)潮井驗(yàn)潮、超聲波驗(yàn)潮以及壓力式驗(yàn)潮儀，以上水位測(cè)量方法所采取的方式均為定點(diǎn)測(cè)量，定點(diǎn)測(cè)量水位非常容易受到氣候、河流、岸灘和海底地形等因素的影響，進(jìn)而使觀測(cè)得到的水位數(shù)據(jù)不能很好地代表整個(gè)施工區(qū)域的水位特點(diǎn)，無(wú)法將施工區(qū)的潮汐特征準(zhǔn)確表達(dá)。對(duì)于遠(yuǎn)海超長(zhǎng)航道疏浚工程的水位控制，目前比較成熟的解決方案有直接潮位觀測(cè)，即在疏浚區(qū)域設(shè)立潮位站直接觀測(cè)潮位；水位推算，通過(guò)潮位模型對(duì)施工船舶位置的天文潮位進(jìn)行預(yù)報(bào)，結(jié)合已知站余水位對(duì)預(yù)報(bào)天文潮位進(jìn)行訂正；水位傳遞，即根據(jù)2個(gè)或2個(gè)以上有效距離控制內(nèi)的已知站進(jìn)行分帶內(nèi)插改正。

以上方法解決了水位獲取的問(wèn)題，而如何把獲取的水位實(shí)時(shí)傳輸?shù)绞┕ご?，指?dǎo)船舶進(jìn)行施工也是一個(gè)問(wèn)題。隨著施工區(qū)域的不斷向外海延伸，信息傳送的間距也在拉長(zhǎng)，受限于通訊外部環(huán)境，現(xiàn)有的做法如通過(guò)高頻、短信、無(wú)線電等進(jìn)行水位傳輸?shù)姆绞揭巡荒軡M足遠(yuǎn)海航道疏浚施工的要求。后來(lái)出現(xiàn)的 RTK水位測(cè)量技術(shù)可以不受動(dòng)態(tài)狀態(tài)影響，獲取的三維坐標(biāo)達(dá)到厘米級(jí)，實(shí)時(shí)性方面性能較好，但是測(cè)量的作用距離也受無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀话闱闆r下作用距離只能達(dá)到20 km；PPK潮位測(cè)量，與 RTK潮位測(cè)量原理相似，但采用的后處理技術(shù)，雖然作用距離不受數(shù)據(jù)傳輸?shù)募s束，但不能滿足施工水位的實(shí)時(shí)需求。

綜上所述，在遠(yuǎn)海航道疏浚施工中，由于離岸較遠(yuǎn)，現(xiàn)有的水位控制至少存在兩個(gè)問(wèn)題，一是獲取的水位不能準(zhǔn)確反映施工船舶所在位置的實(shí)際水位值，二是獲取的水位值不能實(shí)時(shí)的傳輸?shù)绞┕ご啊?/p>

2 星站差分GPS簡(jiǎn)介

星站差分GPS屬于廣域差分GPS范疇，目前應(yīng)用比較廣泛的星站差分系統(tǒng)有三種，分別是Navcom公司的Star Fire TM系統(tǒng)、Fugro公司的Omini STAR系統(tǒng)以及Subcea7公司的Veripos系統(tǒng)。

文中展開(kāi)的論述是以“中國(guó)精度”作為代表，同時(shí)它也是我國(guó)第一個(gè)全球星基增強(qiáng)服務(wù)系統(tǒng)?！爸袊?guó)精度”系統(tǒng)的正式發(fā)布時(shí)間及提供全球范圍服務(wù)的時(shí)間是2015年6月15日，該系統(tǒng)也標(biāo)示我國(guó)在星基增強(qiáng)服務(wù)系統(tǒng)中第一次達(dá)到世界領(lǐng)先、全球覆蓋?！爸袊?guó)精度”建設(shè)完成投入使用后，不需要進(jìn)行基站架設(shè)，用戶就能夠在世界任何地方享受到由亞米級(jí)到分米級(jí)再到厘米級(jí)多種層級(jí)的高精度定位服務(wù)。在國(guó)外市場(chǎng)進(jìn)行服務(wù)推廣時(shí)，該系統(tǒng)名是“atlas”。

圖1 中國(guó)精度系統(tǒng)架構(gòu)

對(duì)于星基增強(qiáng)系統(tǒng)，是憑借全球建設(shè)的CORS站，經(jīng)由信息通訊網(wǎng)絡(luò)再到系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，計(jì)算出三類廣域差分修正值，具體包括每一顆GNSS衛(wèi)星的星歷改正、鐘差改正和電離層時(shí)間延遲改正等參數(shù)，再經(jīng)由信息通信網(wǎng)絡(luò)將上述差分信息傳輸?shù)綄Ｓ玫耐ㄓ嵭l(wèi)星，通訊衛(wèi)星和地面之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ǘ螢長(zhǎng)波段，地面客戶端通過(guò)終端設(shè)備來(lái)接收差分信號(hào)，接收機(jī)的數(shù)據(jù)通過(guò)差分信號(hào)改正，在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)米級(jí)、分米級(jí)、厘米級(jí)多層級(jí)的精準(zhǔn)定位。

3 星站差分高程精度評(píng)定

星站差分高程精度評(píng)定分為靜態(tài)高程精度評(píng)定和動(dòng)態(tài)高程精度評(píng)定，實(shí)驗(yàn)所選的儀器是UniStrong G10A星站差分RTK系統(tǒng)，支持L-Band“中國(guó)精度”星站差分，無(wú)需架設(shè)基站，單機(jī)厘米級(jí)定位，“中國(guó)精度”定位高程精度10～15 cm。

3.1 靜態(tài)高程精度分析

1）靜態(tài)測(cè)試方案

靜態(tài)高程精度分析在已知控制點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位測(cè)試，設(shè)置接收機(jī)為“中國(guó)精度”差分信號(hào)改正模式，待其固定解后，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)段的采集，將采集的高程數(shù)據(jù)求取平均值作為真值，計(jì)算已知控制點(diǎn)高程值與真值的較差，整理統(tǒng)計(jì)差值并深入分析，上述工作的目的是判別高程精度能否滿足標(biāo)稱精度的要求。

圖2 靜態(tài)數(shù)據(jù)采集

2）實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)時(shí)，數(shù)據(jù)采集在已知控制點(diǎn)分兩個(gè)時(shí)段進(jìn)行，共計(jì)記錄的點(diǎn)位信息數(shù)據(jù)18 552條，采樣率為 1 s。對(duì)比已知值和觀測(cè)值可知，最小差值是-0.058 m，最大差值是0.320 m，計(jì)算得到平均值為0.092 m，中誤差0.069 m，觀測(cè)高程平均值18.705 m，已知高程值18.613 m，誤差0.092 m。

表1 已知值和觀測(cè)值差值統(tǒng)計(jì)

圖3 誤差值分布

3.2 動(dòng)態(tài)高程精度分析

1）動(dòng)態(tài)測(cè)試方案

動(dòng)態(tài)高程精度分析擬通過(guò)在測(cè)量船加裝星站差分接收機(jī)，與PPK潮位測(cè)量系統(tǒng)的流動(dòng)站進(jìn)行同步采集數(shù)據(jù)，采集所用軟件為自編GPStide軟件，比對(duì)星站差分接收機(jī)采集的在航潮位數(shù)據(jù)與 PPK潮位測(cè)量經(jīng)過(guò)后處理的在航潮位數(shù)據(jù)，對(duì)潮位曲線及差值進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，以評(píng)定高程精度是否能滿足水位控制的要求。

圖4 動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)采集

2）實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

總共分三天進(jìn)行了三次外業(yè)采集，第一次比對(duì)時(shí)間為4月25日8：10—15：30，第二次比對(duì)時(shí)間為5月12日10：40—17：50，第三次比對(duì)時(shí)間為5月23日11：50—19：00，比對(duì)結(jié)果按照每10分鐘一次分別形成星站差分觀測(cè)潮位及 PPK后處理潮位。第一次觀測(cè)星站差分潮位與PPK潮位比對(duì)最大差值22 cm，最小差值-2 cm，平均差值8 cm；第二次觀測(cè)星站差分潮位與 PPK潮位比對(duì)最大差值21 cm，最小差值3 cm，平均差值10 cm；第三次觀測(cè)星站差分潮位與PPK潮位比對(duì)最大差值18 cm，最小差值-5 cm，平均差值6 cm。具體觀測(cè)及比對(duì)結(jié)果見(jiàn)圖5～7。

圖5 潮位比對(duì)曲線1

圖6 潮位比對(duì)曲線2

圖7 潮位比對(duì)曲線3

3.3 比對(duì)結(jié)果評(píng)定

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果，G10A星站差分通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的靜態(tài)觀測(cè)，觀測(cè)高程平均值與已知點(diǎn)高程相差9.2 cm，中誤差6.9 cm，其中平均值與已知點(diǎn)高程誤差在20 cm內(nèi)的占90 %；靜態(tài)觀測(cè)的高程平均值與已知點(diǎn)高程的差值可理解為星站差分與PPK后處理的系統(tǒng)誤差，本實(shí)驗(yàn)取-9 cm，故動(dòng)態(tài)過(guò)程中通過(guò)星站差分觀測(cè)潮位與 PPK后處理潮位的三次比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2 星站差分潮位與PPK潮位動(dòng)態(tài)比對(duì)

表3 改正后星站差分潮位與PPK潮位較差數(shù)量統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果可以表明，G10A星站差分接收機(jī)通過(guò)接收“中國(guó)精度”差分改正信號(hào)，不管是在靜止?fàn)顟B(tài)測(cè)量或者動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)程中，其高程定位精度都非常高，完全滿足標(biāo)稱的高程精度10～15 cm的要求。

4 結(jié)論

社會(huì)發(fā)展科技進(jìn)步，差分GPS技術(shù)也在不斷更新發(fā)展，筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)印證了近些年發(fā)展迅速的星站差分GPS技術(shù)所具有的高精度、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)等優(yōu)良特性，不用架設(shè)基準(zhǔn)，在沒(méi)有公網(wǎng)通訊信號(hào)的區(qū)域通過(guò)接收衛(wèi)星差分信號(hào)即可獲取高精度的位置信息，此優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了目前遠(yuǎn)海航道疏浚施工中現(xiàn)有的水位控制所面臨的遠(yuǎn)距離潮位數(shù)據(jù)傳輸及不能準(zhǔn)確反映施工船舶所在位置的實(shí)際水位值的問(wèn)題，這為使用星站差分 GPS進(jìn)行遠(yuǎn)海航道疏浚施工實(shí)時(shí)水位控制奠定了基礎(chǔ)。

疏浚項(xiàng)目依托于疏浚船舶，而如何將星站差分技術(shù)同現(xiàn)有疏浚船舶有效結(jié)合獲取實(shí)時(shí)水位是筆者下一步探索的方向，比如如何解析星站差分GPS串口數(shù)據(jù)，如何結(jié)合船的吃水、GPS安裝高度、船速等來(lái)測(cè)量水位，如何實(shí)現(xiàn)星站差分大地高基面向施工基面的轉(zhuǎn)換等，這些問(wèn)題都有待進(jìn)一步探討。