魏榮灝，陳佳兵，徐 達(dá)

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州310020；2.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020）

水下地形測(cè)量的主要任務(wù)是確定水下起伏形態(tài)，主要內(nèi)容包括測(cè)深和定位。測(cè)深主要采用聲吶進(jìn)行，定位方式主要有光學(xué)定位和無(wú)線電定位。最早采用六分儀、經(jīng)緯儀或全站儀等設(shè)備通過(guò)天文定位或者光學(xué)定位的方法確定平面坐標(biāo)，采用潮位觀測(cè)的方式進(jìn)行驗(yàn)潮。隨著無(wú)線電定位技術(shù)的發(fā)展，基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）的空基定位技術(shù)成為水下測(cè)量作業(yè)的主要定位手段，而實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分（Real Time Kinematic，RTK）技術(shù)因其可實(shí)時(shí)提供高精度三維坐標(biāo)的特點(diǎn)使得無(wú)驗(yàn)潮水下地形測(cè)量得到了廣泛應(yīng)用。但是，RTK技術(shù)需要通過(guò)無(wú)線電等方式建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈接以傳輸載波相位差分?jǐn)?shù)據(jù)，在實(shí)際測(cè)量作業(yè)中，由于環(huán)境的限制，通訊信號(hào)容易發(fā)生波動(dòng)乃至丟失，造成差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈接失效，進(jìn)而導(dǎo)致定位精度嚴(yán)重衰減而無(wú)法滿足相關(guān)作業(yè)規(guī)范[1]要求，而無(wú)需實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈接的GNSS載波相位后處理（Post Processing Kinematic，PPK）技術(shù)可較好地解決該問(wèn)題。該技術(shù)可望在海洋工程建設(shè)、水利工程建設(shè)、港口航道建設(shè)等方面發(fā)揮重要作用。

基于PPK技術(shù)獲取高精度三維坐標(biāo)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一，國(guó)外在此方面的工作較少，而國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)展了較多研究：汪連賀[2]聯(lián)合全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）的定位信息和慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）姿態(tài)信息獲取了瞬時(shí)水面高程數(shù)據(jù)，并在煙臺(tái)港進(jìn)行了工程試驗(yàn)，結(jié)果表明，驗(yàn)潮距離高達(dá)98 km時(shí)，驗(yàn)潮精度仍優(yōu)于10 cm；趙建虎等[3]基于GPS事后動(dòng)態(tài)處理技術(shù)開(kāi)展了遠(yuǎn)距離高精度潮位觀測(cè)，對(duì)垂直基準(zhǔn)面轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行了研究，并取得了在100 km范圍內(nèi)的基線距離上，潮位精度優(yōu)于10 cm的成果；王朝陽(yáng)等[4]研究了基于PPK和精密單點(diǎn)定位技術(shù)（Precise Point Positioning，PPP）的遠(yuǎn)距離GNSS潮位測(cè)量影響因素，研究結(jié)果表明，扼流圈天線可提高觀測(cè)質(zhì)量，且PPP模式下潮位測(cè)量精度優(yōu)于10 cm；杜銳[5]在遠(yuǎn)海區(qū)域以GPS PPK技術(shù)進(jìn)行了水面高程傳遞的測(cè)試工作，結(jié)果表明，該技術(shù)定位精度可滿足工程需求；王長(zhǎng)永等[6]將GPS PPK技術(shù)應(yīng)用于長(zhǎng)江口的水深測(cè)量工作中，獲得了比傳統(tǒng)驗(yàn)潮方法更高的作業(yè)效率和精度；葉偉等[7]在水庫(kù)水下地形測(cè)量中對(duì)PPK技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用，較好地解決了山區(qū)通訊信號(hào)遮擋與控制點(diǎn)距離較遠(yuǎn)導(dǎo)致RTK作業(yè)無(wú)法進(jìn)行的問(wèn)題；劉勝震等[8]在呼倫湖中進(jìn)行了PPK技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果表明，該技術(shù)在對(duì)大面積水域進(jìn)行水下地形測(cè)量時(shí)，定位精度可達(dá)厘米級(jí)。Marcelo Santos等[9]研究了海洋環(huán)境中PPK算法的解算策略，提出了一種新的天氣延遲模型并改進(jìn)了解算精度。Jae Young Roh等[10]使用PPK技術(shù)處理GNSS浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，浮標(biāo)觀測(cè)水位與驗(yàn)潮站觀測(cè)水位之差小于±2 cm。

目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究主要基于GPS進(jìn)行，缺少對(duì)不同GNSS系統(tǒng)及其組合解算策略的精度評(píng)估。此外，針對(duì)入海口等海洋環(huán)境的PPK解算精度和穩(wěn)定性的驗(yàn)證工作也較少，同時(shí)國(guó)內(nèi)PPK技術(shù)的研究應(yīng)用領(lǐng)域主要集中于內(nèi)陸水域，在近海岸特別是杭州灣等強(qiáng)潮河口的應(yīng)用研究較為少見(jiàn)。為此，本文首先采用不同的GNSS PPK解算策略，對(duì)靜態(tài)比測(cè)進(jìn)行精度和穩(wěn)定性驗(yàn)證工作，然后使用多GNSS聯(lián)合解算方法進(jìn)行了動(dòng)態(tài)比測(cè)。比測(cè)結(jié)果表明，基于不同GNSS系統(tǒng)及其組合的PPK技術(shù)的定位精度能滿足實(shí)際工作需要。最后，在杭州灣涌潮河口的大橋航道監(jiān)測(cè)工作中進(jìn)行了推廣應(yīng)用，實(shí)例結(jié)果表明，該技術(shù)可為水下地形測(cè)量提供技術(shù)支撐。

1 PPK無(wú)驗(yàn)潮技術(shù)原理

PPK無(wú)驗(yàn)潮技術(shù)主要由兩部分組成，第一部分是采用載波相位技術(shù)獲取高精度的三維坐標(biāo)成果，第二部分是采用相關(guān)的高程轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)潮位控制。

1.1 載波相位差分原理

載波相位差分技術(shù)的原理是利用GNSS觀測(cè)誤差在時(shí)間和空間上的強(qiáng)相關(guān)特性，通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的原始載波相位觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙差計(jì)算，消除接收機(jī)和衛(wèi)星時(shí)鐘的偏差、衛(wèi)星誤差以及大部分的電離層、對(duì)流層延遲的影響，達(dá)到厘米級(jí)的定位精度[11]。

研究者可以從至少兩個(gè)相隔某一固定距離（稱(chēng)為基線）的GNSS接收機(jī)中獲得相似的測(cè)量值組合，將從兩個(gè)接收機(jī)得到的相似的測(cè)量值形成線性組合（差分），就有可能消除兩個(gè)接收機(jī)共有的誤差，這樣的一個(gè)組合稱(chēng)為單差。對(duì)來(lái)自同一顆衛(wèi)星的兩個(gè)單差測(cè)量值進(jìn)行求差，就可以得到雙差。利用雙差技術(shù)處理載波相位觀測(cè)值，就可以消除大部分的誤差源[12]。通過(guò)單差消去了衛(wèi)星星歷誤差、發(fā)射信號(hào)的相位和時(shí)鐘偏差，如果接收機(jī)同緯度且相距較近（基線小于50 km），電離層和對(duì)流層的大部分誤差也消除了。形成雙差后，接收機(jī)時(shí)鐘偏差被消去了，僅剩下相位項(xiàng)、整數(shù)項(xiàng)和系統(tǒng)相位噪聲項(xiàng)。

1.2 PPK無(wú)驗(yàn)潮測(cè)量原理

PPK技術(shù)可通過(guò)后處理得到厘米級(jí)的測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，高程數(shù)據(jù)一般是CGCS2000（China Geodetic Coordinate System 2000）的大地高數(shù)據(jù)，處理時(shí)需要將大地高轉(zhuǎn)換至目標(biāo)基準(zhǔn)的高程數(shù)據(jù)，如85高程基準(zhǔn)，其原理如圖1所示。

圖1 PPK無(wú)驗(yàn)潮測(cè)量原理

水底相對(duì)于目標(biāo)基面的高程可表示為：

式中：H為海底到目標(biāo)基面距離；H水深為經(jīng)過(guò)天線高改正和吃水改正之后的水深測(cè)量值；H大地為該點(diǎn)到大地水準(zhǔn)面的距離；ξ為高程異常值。問(wèn)題的關(guān)鍵在于獲取準(zhǔn)確的高程異常數(shù)據(jù)。在小范圍的測(cè)量中可采用七參數(shù)來(lái)進(jìn)行高程轉(zhuǎn)換，大范圍則可以使用區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化進(jìn)行[13]。

2 精度分析與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證PPK在水上作業(yè)的穩(wěn)定性和可靠性，有必要對(duì)PPK解算結(jié)果的精度、可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行分析。但水上作業(yè)時(shí)測(cè)點(diǎn)是在不斷運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中獲取的，無(wú)法像陸地作業(yè)時(shí)長(zhǎng)時(shí)間多次重復(fù)測(cè)量得到多組數(shù)據(jù)進(jìn)行平差，因此首先在陸地上選取已知高等級(jí)控制點(diǎn)，按照水上作業(yè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)置進(jìn)行靜態(tài)比測(cè)，對(duì)PPK解算結(jié)果的精度、可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，然后采用同一GNSS天線，由兩臺(tái)同型號(hào)GNSS接收機(jī)在船舶上分別進(jìn)行RTK和PPK觀測(cè)，假定RTK結(jié)果為真值，根據(jù)時(shí)間戳匹配的方式比較RTK與PPK解算結(jié)果的偏差。

本文采用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)包括全球定位系統(tǒng)、格 洛 納 斯（Global Navigation Satellite System，GLONASS）、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）、伽利略衛(wèi)星導(dǎo) 航 系 統(tǒng)（Galileo Satellite Navigation System，Galileo）和準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（Quasi-Zenith Satellite System，QZSS）。

2.1 靜態(tài)比測(cè)

驗(yàn)證時(shí)選取了5個(gè)控制點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，選取其中一個(gè)控制點(diǎn)架設(shè)GNSS流動(dòng)站，其他4個(gè)控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)站，與其距離約為5 km、10 km、15 km和20 km。根據(jù)常規(guī)作業(yè)配置，一般在基準(zhǔn)站和遠(yuǎn)距離移動(dòng)作業(yè)時(shí)選用大地型GNSS接收機(jī)，其他則使用普通GNSS接收機(jī)。因此，在流動(dòng)站和距離流動(dòng)站20 km的兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位采用Trimble R9S大地型GNSS接收機(jī)，并采用Zephyr Model 2 Geodetic型衛(wèi)星天線進(jìn)行觀測(cè)，其他點(diǎn)位采用Trimble R8S型接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)比測(cè)。所有的GNSS接收機(jī)統(tǒng)一觀測(cè)設(shè)置，記錄所有可見(jiàn)衛(wèi)星（GPS、GLONASS、BDS、Galileo和 QZSS） 的多頻數(shù)據(jù)（如GPS記錄L1、L2和L5），衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為15°，每秒記錄一個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

完成觀測(cè)后，以Trimble的T02格式下載所有GNSS接收機(jī)的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)并導(dǎo)入Trimble Business Center（TBC）軟件進(jìn)行后處理，后處理時(shí)設(shè)置衛(wèi)星截止高度角為15°，采用多頻數(shù)據(jù)處理不同的衛(wèi)星信號(hào)，并分別選用單星、雙星和多星組合進(jìn)行，PPK解算結(jié)果與控制點(diǎn)較差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1至表7。由于各測(cè)站開(kāi)始和結(jié)束的時(shí)間略有差異，因此選取同步觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所有的解算模式都得到了3 900個(gè)有效解。

由表1至表7可見(jiàn)，在僅使用一個(gè)GNSS星座的情況下，GPS解在大部分條件下略優(yōu)于BDS衛(wèi)星的解算結(jié)果，但兩者處于同一量級(jí)，所有的平面標(biāo)準(zhǔn)差都處于毫米的量級(jí)，垂向的標(biāo)準(zhǔn)差處于厘米量級(jí)；比較特殊的是BDS解算結(jié)果在20 km處平面標(biāo)準(zhǔn)差最小，且垂向標(biāo)準(zhǔn)差優(yōu)于15 km解算結(jié)果，其主要原因是觀測(cè)設(shè)備不同造成的，在20 km處使用的大地型天線配合大地型GNSS接收機(jī)，其性能優(yōu)于其他測(cè)點(diǎn)。使用多個(gè)GNSS星座的解算結(jié)果明顯優(yōu)于僅使用1個(gè)GNSS星座的解，但2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)及5個(gè)的GNSS星座組合的結(jié)果沒(méi)有顯著的差異，平面標(biāo)準(zhǔn)差都小于1 cm，垂向標(biāo)準(zhǔn)差基本都小于1 cm。因此建議在PPK作業(yè)時(shí)，同時(shí)觀測(cè)所有的GNSS星座，并盡量使用大地型GNSS接收機(jī)進(jìn)行觀測(cè)。

表1 GPS靜態(tài)比測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表2 BDS靜態(tài)比測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表3 雙星靜態(tài)比測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表（GPS+GLONASS）

表4 雙星靜態(tài)比測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表（GPS +BDS）

表5 多星靜態(tài)比測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表（GPS+GLONASS+BDS）

表6 多星靜態(tài)比測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表（GPS+GLONASS+Galileo+BDS）

表7 多星靜態(tài)比測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表（GPS+GLONASS+Galileo+BDS+QZSS）

在不同距離觀測(cè)5個(gè)星座得到的PPK解與控制點(diǎn)較差結(jié)果如圖2所示。從箱型圖中可以看出，不同距離的北向、東向和垂向較差都在±5 cm之內(nèi)，數(shù)據(jù)分布較為集中，未出現(xiàn)偏差超過(guò)5 cm的點(diǎn)。同時(shí)，計(jì)算得到的平面和三維位置較差基本都小于5 cm?？梢?jiàn)在1 Hz觀測(cè)條件下PPK解算結(jié)果較為穩(wěn)定，具備應(yīng)用于水上移動(dòng)作業(yè)的能力。

圖2 不同距離下多星組合各方向較差（單位：m）

2.2 動(dòng)態(tài)比測(cè)

采用船載移動(dòng)測(cè)量的方式對(duì)移動(dòng)測(cè)量的精度進(jìn)行動(dòng)態(tài)比測(cè)。在已知控制點(diǎn)上架設(shè)GNSS基準(zhǔn)站，并在船舶上架設(shè)GNSS流動(dòng)站，在杭州灣河口區(qū)域進(jìn)行測(cè)試。所有測(cè)站都采用Trimble R9S大地型接收機(jī)和Zephyr Model 2 Geodetic型衛(wèi)星天線進(jìn)行觀測(cè)：以10°的衛(wèi)星截止高度角采集數(shù)據(jù)，觀測(cè)5個(gè)衛(wèi)星星座并按1 Hz頻率記錄原始數(shù)據(jù)，同時(shí)采用基于浙江省連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)（ZJCORS）的網(wǎng)絡(luò)RTK（使用GPS與GLONASS的雙星組合）進(jìn)行三維定位，使用手簿記錄RTK定位結(jié)果。野外數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，分別下載GNSS基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的T02原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用TBC軟件進(jìn)行后處理。

以RTK定位結(jié)果為基準(zhǔn)，將PPK處理結(jié)果通過(guò)時(shí)間戳匹配后與RTK定位結(jié)果求差，其結(jié)果如表8所示。從表中可見(jiàn)，各個(gè)統(tǒng)計(jì)量的中位數(shù)與平均值基本一致，數(shù)據(jù)偏差較小。平面與三維定位結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差都處于厘米量級(jí)，同時(shí)，各個(gè)定位分量較差的平均值都處于厘米的量級(jí)，可見(jiàn)RTK與PPK定位結(jié)果的一致性較好。

表8中的垂向和三維定位結(jié)果較差最大值分別為16.00 cm和17.27 cm，表明仍存在部分?jǐn)?shù)據(jù)較差大于10 cm。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，較差超過(guò)10 cm的點(diǎn)主要位于測(cè)區(qū)內(nèi)橋梁附近，僅使用GPS與GLONASS雙星組合基于ZJCORS的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)受橋面遮擋，觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)較少導(dǎo)致定位結(jié)果不佳。

3 實(shí)例應(yīng)用

測(cè)區(qū)位于杭州灣口澉浦段附近，該航道河勢(shì)變化受上游徑流和下游潮流的雙重影響。由于河床寬淺、潮強(qiáng)流急，漲落潮流路存在較大差異。實(shí)測(cè)最大涌潮流速約為12 m/s，潮位瞬間最大漲幅2 m以上，實(shí)測(cè)最大涌潮壓力70 kPa。雖然航道所處江道水域最窄僅有約8 km左右，但由于處于涌潮區(qū)域且兩岸主要為淺灘，基本無(wú)法布設(shè)驗(yàn)潮站；所處位置的無(wú)線電信號(hào)一直較差，采用RTK方式作業(yè)時(shí)數(shù)據(jù)鏈接丟失嚴(yán)重，因此采用PPK技術(shù)結(jié)合單頻測(cè)深儀進(jìn)行水下地形測(cè)量工作。

數(shù)據(jù)采集共獲取7 072個(gè)定位數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)獲取定位數(shù)據(jù)（含單點(diǎn)解與浮動(dòng)解）、PPK定位數(shù)據(jù)的定位較差如表9所示。從表中可見(jiàn)，野外測(cè)量時(shí)由于經(jīng)常發(fā)生RTK信號(hào)丟失的問(wèn)題，因此北向、東向?qū)崟r(shí)定位與PPK定位的結(jié)果較差的絕對(duì)值最大達(dá)到了18.569 m和33.430 m，垂向的較差絕對(duì)值最大超過(guò)了75.932 m，該數(shù)據(jù)已經(jīng)完全超出了GNSS系統(tǒng)的單點(diǎn)定位精度，主要由于大橋附近GNSS信號(hào)被遮擋及RTK改正信號(hào)丟失導(dǎo)致。從平面和三維的定位較差的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)看，都已經(jīng)超過(guò)了米級(jí)的量級(jí)，可見(jiàn)丟失RTK差分信號(hào)對(duì)定位結(jié)果的影響是巨大的。

表8 定位結(jié)果比較

表9 實(shí)時(shí)與PPK定位結(jié)果較差表

由于RTK實(shí)時(shí)信號(hào)與PPK信號(hào)的定位結(jié)果差距較大，因此使用測(cè)區(qū)附近已有的高程異常模型將RTK與PPK獲取的高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至85國(guó)家高程基準(zhǔn)后，與同步觀測(cè)的潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。圖3繪制了作業(yè)期間某天的RTK實(shí)時(shí)潮位、PPK潮位、南北岸和通航孔的潮位站的潮位過(guò)程線。從圖3上可見(jiàn)RTK實(shí)時(shí)潮位與PPK解算結(jié)果基本是一致的，而丟失RTK差分信號(hào)的實(shí)時(shí)定位潮位數(shù)據(jù)發(fā)生了較大的振蕩，已經(jīng)無(wú)法滿足RTK三維水深測(cè)量的技術(shù)要求。PPK潮位與該區(qū)域布置的三個(gè)潮位站的數(shù)據(jù)能夠較好的吻合，其計(jì)算結(jié)果可以滿足在該區(qū)域中進(jìn)行RTK三維水深測(cè)量的精度要求。

圖3 RTK實(shí)時(shí)潮位、PPK潮位與潮位站潮位數(shù)據(jù)比較圖

4 結(jié) 論

本文基于載波相位觀測(cè)原理介紹了載波相位差分技術(shù)，通過(guò)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)比測(cè)的方法進(jìn)行了精度和穩(wěn)定性測(cè)試后，在杭州灣涌潮河口進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，主要結(jié)論如下：

（1）靜態(tài)比測(cè)結(jié)果表明，20 km距離內(nèi)現(xiàn)有GNSS系統(tǒng)的PPK解算結(jié)果都能符合相關(guān)規(guī)范要求；動(dòng)態(tài)比測(cè)結(jié)果表明，RTK和PPK解的一致性較好，平面與三維定位結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差都處于厘米量級(jí)。靜態(tài)比測(cè)結(jié)果表明，在20 km距離內(nèi)，現(xiàn)有的GNSS系統(tǒng)都能提供滿足相關(guān)規(guī)范要求的定位結(jié)果，多個(gè)GNSS系統(tǒng)的聯(lián)合觀測(cè)解能提供精度更為穩(wěn)定的結(jié)果；（2）實(shí)際應(yīng)用中PPK解算結(jié)果精度可滿足RTK三維水深測(cè)量的技術(shù)要求，能較好地解決RTK差分信號(hào)丟失時(shí)定位精度嚴(yán)重下降的問(wèn)題，具有較大的應(yīng)用潛力；（3）后續(xù)有必要在延長(zhǎng)測(cè)試距離的基礎(chǔ)上對(duì)更多影響PPK解算結(jié)果的因素進(jìn)行研究，并開(kāi)展聯(lián)合RTK和PPK的水下地形測(cè)量技術(shù)研究。