汪鶴衛(wèi)

（安徽省長江河道管理局，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）在現(xiàn)實生活中的應用無處不在，目前完全組網成功的有美國 GPS、俄羅斯GLONASS 系統(tǒng)和中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。GNSS已成為當前測繪的主流手段，特別是在河道測量中的應用，大大提高了工作速度、效率和成果精度。用戶接收終端從原來的單星發(fā)展到三星，從全進口向國產品牌普及。河道測量中平面定位主要采用DGPS（差分 GPS）模式，移動站接收差分信號，利用差分信號的改正參數對位置進行實時改正，達到提高定位精度的目的。GNSS 差分信號從架設基站發(fā)展到 CORS（連續(xù)運行參考站）、星站差分等，用戶可以根據工作需要選擇獲得差分信號的不同方式。

國內外對 GNSS 在河道測量中的應用等方面研究較多。馮德鵬等[1]分析了 GPS 在水下地形測量的誤差來源，提出采用后處理等方法消除誤差影響；宋六華等[2]利用數學模型消減 GPS-RTK 延時和測深儀不同步的誤差，提高了河道大比例測圖的成果精度；李本超[3]以 GPS-RTK 技術與測深儀配合作業(yè)在內河航道測量中的具體應用為例，分析了 GNSS 在河道測量中的優(yōu)缺點。但針對河道測量中差分信號中斷，對采集數據的補救處理措施方面的研究和應用較少，主要采用的方法是補測或返工。因此分析 GNSS單點定位的精度、變化率，根據不同的測圖比例，采用后處理手段探索 GNSS 單點定位在長江河道測量中的應用，對提高河道測量工作效率起到很好的補充作用，對其他動態(tài)測量應用具有借鑒意義。

1 DGPS 作業(yè)模式及優(yōu)缺點

安徽省長江河道測量及水文測驗中平面定位主要采用 DGPS 模式。差分信號的獲取主要采用架設基準站和 CORS（衛(wèi)星定位綜合服務系統(tǒng)）等形式獲得差分改正信號，不同的作業(yè)方式各有優(yōu)缺點，具體如下：

1） 架設基準站。在已知或未知點架設基準站，通過無線電臺向流動站以固定間隔發(fā)送差分改正信號，從而使流動站能夠實時精準定位。自主架設基準站具有信號穩(wěn)定等優(yōu)點，但作業(yè)距離受電臺功率及地形限制，在夏天高溫情況下，電臺在野外連續(xù)工作時受高溫影響尤為明顯。基準站外掛電臺功率較大，一般情況下作業(yè)半徑可達 10 km，需要配備外接天線和電臺供電電瓶，設備較多；內置電臺功率小，作業(yè)半徑為 1～2 km，難以滿足作業(yè)需要。

2） CORS。目前在安徽省長江河道測量中采用的 CORS 信號主要有 AHCORS 和千尋 2 種。

AHCORS 為測量帶來了極大便利，大大提高了野外工作效率，避免架設基準站，但受 CORS基站和通信信號影響較大，原因有以下 2 點：a. AHCORS 基站分布、通信覆蓋強弱等因素使 GNSS 接收機接收到的信號有時會中斷，對河道動態(tài)測量影響較大，采集數據中存在單點定位現(xiàn)象。b. 在 2 個基站信號重復覆蓋處，由于 2 個信號都比較弱，也會造成信號失鎖的單點定位現(xiàn)象，影響成果質量，造成不必要的返工。

兼容北斗/GPS 雙模的大眾導航終端定位精度大部分在 3～5 m 左右，通過地基增強系統(tǒng)已能夠將千尋位置定位精度提升到厘米級，但同樣也受到北斗地基增強站分布和通信信號覆蓋強度的影響，GNSS 接收機接收到的信號有時也會中斷。星站差分在安徽省長江河道測量中應用較少。隨著我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的日益完善和星站差分的應用，必將大大提高實時定位精度和測量野外作業(yè)效率。

2 GNSS 單點定位精度和變化率分析

2019 年汛后，安徽省長江河道局測繪院在長江安徽段后三峽監(jiān)測項目中數據處理時發(fā)現(xiàn)，差分信號失鎖造成單點定位現(xiàn)象，特別是在蕪湖大拐段超過了采集數據的 15%，造成了較大范圍的返工。當時采用了AHCORS 差分信號，后來采用架設基準站方式進行補測。在長江河道測量中的 DGPS 作業(yè)模式，一般根據測圖比例要求，以不同固定距離間隔自動采集數據，如1 ： 2 000測圖采樣間隔為 15 m。作業(yè)過程中，作業(yè)員很難做到始終盯著作業(yè)屏幕，差分信號中段發(fā)生的時間和位置具有不確定性，難免會影響成果質量。

2.1 GNSS 單點定位精度分析

為解決河道水下地形測量作業(yè)過程中差分信號中斷給數據采集帶來的質量問題，本研究探索補救措施，避免不必要的返工，提高野外作業(yè)效率。為此，2020 年初在長江安徽省段池州、銅陵、蕪湖各選取了 1 處河段，對 GNSS 單點定位精度進行實驗和統(tǒng)計分析。具體方法如下：在選取河段上相距約為 10 km（一般為當天作業(yè)的最大直徑）的 2 個已知控制點上同時架設GNSS 接收天線，采用單點定位模式（無差分信號），自動采集時間間隔設置為 1 s，自動記錄 1 條數據，連續(xù) 2 個半天進行數據采集。經統(tǒng)計分析，3 處河段上共 6 個站點的單點定位精度（指采集數據的位置與實際位置的距離，即偏距）均在 5 m 以內，每個河段 2 個站點的定位變化情況基本一致，精度統(tǒng)計如表1 所示。

表1 GNSS 單點定位精度統(tǒng)計表 m

按高精度檢測中誤差進行統(tǒng)計的計算公式為

式中：m為中誤差；Δi為偏距；n為數據個數。

經計算，參與中誤差計算的數據集平面位置中誤差為 ±2.223 m。

2022 年 10 月，在長江池州至馬鞍山段跨江水準測量中進一步布設 7 條四等跨江水準線路，采用 GPS跨江水準測量，按照 GPS C 級精度進行觀測。對每條線路進行自由網平差，沒有進行約束平差改正。各過江線路點通過自由網平差獲得的平面位置與已知成果相比，平面定位精度均在 5 m 以內，部分點位精度統(tǒng)計如表2 所示，其中，?X為縱坐標X方向偏差，?Y為橫坐標Y方向偏差，?S為點位距離偏差。

表2 GNSS 自由網平差位置精度統(tǒng)計表 m

按照式（1）計算表2 點位數據的平面位置中誤差，按算術平均值計算，結果為 ±2.255 m。與 2020 年分析和統(tǒng)計的單點定位中誤差相比，變化不大。

2.2 GNSS 單點定位變化頻率分析

對 GNSS 單點定位變化頻率進行統(tǒng)計分析，單個半天 3 處河段平面位置累計變化 ?X，?Y及偏距，與初始值相比均未超過 1.6 m。X和Y方向變化連續(xù)，沒有出現(xiàn)突變現(xiàn)象，各段 2 個接收天線位置變化基本一致，相同時間段累計變化相差不超過 0.2 m。其中，蕪湖大拐處半天單點定位位置變化圖如圖1 所示。

圖1 蕪湖大拐處半天單點定位位置變化圖

可以看出，單個半天單點定位變化頻率不高。依據 JTS131—2012《水運工程測量規(guī)范》規(guī)定，測圖比例尺大于 1 ： 5 000、小于或等于 1 ： 5000，對應的定位點點位中誤差限值分別為圖上 1.5 和 1.0 mm。由表 1 和 2 可知，單點定位最大偏距均小于 4.0 m，對應1：5000 比例尺測圖圖上誤差小于 0.8 mm，可以滿足1：5000 及以下比例尺測圖精度要求。3 個河段不同時段 GNSS 單點定位變化特征值如表3 所示，根據測量開始時的單點定位精度進行改正，對應 1 ： 2 000比例尺測圖圖上誤差小于 0.8 mm，理論上可以滿足1 ： 2 000 及以下比例尺測圖精度要求，但對于更大比例尺測圖，顯然不能滿足精度要求。

表3 GNSS 單點定位變化特征值統(tǒng)計表 m

3 單點定位后處理措施探究和應用

3.1 單點定位后處理措施探究

在 V 型和 U 型河道及大比例尺測量中[4]，平面位置的定位偏差對高程影響較大，簡單的初始值改正滿足不了測圖精度要求。GNSS 差分定位的原理是基準站發(fā)送改正數，由用戶站接收并對測量結果進行改正，以獲得精確的定位結果。根據 GNSS 實時高精度差分定位原理，在 2020 年 4 月蕪裕河段的測量中，對單點定位后處理措施進行了探索研究。根據DGPS 工作原理，在測量船上同一鉛垂線位置架設了2 臺同型號 GPS 接收天線，在附近高等級控制點上架設 1 臺同型號 GPS 接收天線，按單點定位模式每秒采集 1 個數據。船臺導航采用 Hypack 軟件，1 臺接收機利用 AHCORS 信號，另 1 臺接收機采用單點定位模式，分別采用人工定標和自動采集 2 種模式，進行 5 個時間段的比測，每個時間段約為 10 min。利用已知點位連續(xù)采集的數據差值，根據定位時間對船臺單點定位模式數據進行逐點改正，與采用 AHCORS信號采集的數據進行比對的計算公式為

式中：Xi，Yi為改正后坐標；X0i，Y0i為改正前坐標；?Xi，?Yi為高級點上的實時坐標差值。

統(tǒng)計中剔除了個別 AHCORS 信號失鎖的數據，結果表明偏距絕大部分不超過 0.3 m，最大不超過0.5 m，按式（1）進行精度統(tǒng)計，中誤差為 ±0.22 m。為進一步分析改正后的定位精度，根據誤差傳播定律，按以下公式進行估算：

式中：m為改正后定位中誤差；m1為 CORS 定位中誤差；m2為改正后相對 CORS 定位中誤差。

目前，AHCORS 的平面定位精度可達厘米級，估算中取中誤差為 ±0.1 m，計算結果為 ±0.24 m。比測過程中，測量船的速度控制在 3 m/s 以內，考慮到人工定標的同步性，0.1 s 的誤差對精度的影響只有0.3 m，因此單點定位經后處理改正后，定位精度達到1 m 以內。依據JTS 131—2012《水運工程測量規(guī)范》，測深定位點點位中誤差限值規(guī)定，測圖比例尺 1 ： 500 定位點點位中誤差限值可以放寬至圖上 2.0 mm，對應的實際長度為 1 m。因此，單點定位經后處理改正后能夠滿足 1 ： 500 以下比例尺測圖精度要求[5]。

由于單點定位短時間內精度變化幅度較小且連續(xù)，可以根據測圖比例尺大小，設定已知點位數據采集間隔，采用內插法進行數據后處理改正，改正后的成果能夠滿足測圖精度要求。在實際應用過程中，為確保后處理后的數據可靠性，應設置檢測斷面進行數據驗證。檢測斷面測深線以垂直于主測深線、均勻布設為宜，總長不小于主測深線總長的 5%，采用十字交叉法比對，測深檢查線與主測深線相交處，測點在圖紙上 1 mm 范圍內的水深點應符合深度比對互差規(guī)定，具體內容如表4 所示。當深度比對超限點數超過參加比對總點數的 20% 時，應查明原因，合理處置。確認有系統(tǒng)誤差，但又無法消除或改正的情形，應重測驗證。

表4 深度比對互差 m

3.2 單點定位后處理措施應用

單點定位后處理措施的目的是在實際工作中進行檢驗和改進，解決實際困難，提高河道測量作業(yè)效率。水下地形測量具有特殊性，測點位置難以再現(xiàn)，在測繪成果質量評定時，主要是按照表 4 規(guī)定對水深進行檢測和精度評定。

2020 年汛期，長江發(fā)生了流域性特大洪水。在蕪湖大拐惠生聯(lián)圩潰口堵口搶險測量中，正值大雨天氣，由于測區(qū)附近 AHCORS 信號一直不太穩(wěn)定，來不及購買千尋賬號，比對了幾種方案，決定采用AHCORS 信號結合單點定位后處理的方法進行測量。在附近控制點上架設 GPS 天線，按單點定位模式每秒采集 1 個點位數據，船臺接受 AHCORS 信號，采用 Hypack 導航軟件按距離自動采集數據?，F(xiàn)場數據采集結束后，根據已知點位連續(xù)采集的數據差值，將船臺 AHCORS 信號失鎖的數據進行后處理改正，繪制水下地形和斷面圖。為堵口方案的制訂和順利堵口提供了一手基礎數據，圓滿完成搶險測量任務[6]。

2022 年 11 月，在馬鞍山河段水下地形測量中，也采用上述方法對差分信號中斷所采集的數據進行了改正，以 2022 - 0 測次為例，水下地形檢測精度如表5所示：馬鞍山河段基本等高距（h）為 1 m，經檢測，水深測量中誤差為 ±0.25 m，小于 ±h/3，滿足測圖精度要求；并對部分近岸岸坡較陡的地形進行了復測和斷面套繪，吻合效果較好，成果精度滿足相關質量要求。

表5 水下地形檢測精度統(tǒng)計表 m

4 結語

GNSS單點定位運用快捷方便，研究單點定位后處理技術，能夠在長江河道等動態(tài)測量中起到很好的補充作用，按后處理方法對單點定位數據進行改正，成果精度能夠滿足成果質量要求，避免返工，提高了工作效率。特別是在應急搶險測量中，可以提高應變和反應能力。

隨著我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的日趨完善，單點定位精度會越來越高，應用前景將越來越廣泛。GNSS單點定位后處理方法結合GNSS相對定位原理，可以在通信信號覆蓋較差的偏遠地區(qū)地質災害、水庫大壩變形等監(jiān)測預警中進行運用。由于實驗和應用技術的研究還不夠系統(tǒng)全面，有待于結合實際工作進一步分析研究和改進完善。