水下地形测量精度误差探究

[摘 要]随着GPS技术的迅速发展,水下测量技术取得了很大的进步,GPS技术在水下地形测量中具有实时、快捷、方便和精确的特点.结合GPS应用于水下地形测量,对影响水深测量精度的各种误差进行定量分析,并针对性地提出消除或减弱这些误差的方法,最后对水深测量的精度作简单研究.

[关 键 词 ]水下地形测量；精度；误差；分析

中图分类号：P618.21 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）10-0355-01

引言

GPS全球卫星定位系统在测量中的应用,已成为当今测绘行业的一个热点.它突破了常规测量仪器手工的局限性, 数据全自动化采集,其精度船泊动态测量可达到厘米级.但在实际作业中,在实际使用中,由于海洋环境复杂多变,水下GPS 定位精度不可避免的受到来自各方面的影响,影响其水深测量的误差是多方面的.分析各环节中可能产生的误差,在实际运用时采用适当手段和措施尽量削弱或消除这些误差,对提高水深测量精度有重要意义.

1.GPS 水下地形测量原理

1.1 系统的组成

水下地形测量系统由岸台系统、船台系统与数字化成图系统三部分组成.其中岸台系统由GPS岸台接收机、数据发射电台、电瓶及数据发射天线组成；船台系统包括GPS船台接收机、数据接收电台、数字化测深系统、测量导航软件及电脑等设施；数字化成图系统主要为一些软件和打印设备,将采集的水下地形数据处理后,自动绘制出水下地形图并打印出图.

1.2 工作原理

将一台GPS接收机安置在地面已知点上作为基准台,其它GPS接收机分别安放在需要确定位置的运动载体上作为流动台,基准台和流动台的GPS接受机同步跟踪视场中所有的可见卫星.根据基准台的已知坐标即可求出定位结果的改正值（有坐标改正和距离改正）,通过基准台和流动台之间的数据差分电台把改正数据实时的传送给流动台, 流动台根据实时接收到改正数据对定位结果进行改正,提高定位精度,从而得到精确的平面位置； 利用回声仪测量水深以得到水下地形高程.

2.精度误差来源分析

GPS 水下地形测量方法,在仪器设置、勘测技术、校正与处理方法上形成了自身复杂的特点,在测量中需加以注意,否则将严重影响测量精度.其中GPS 方面的影响因素主要包括GPS 系统仪器本身精度指标、参数设置的是否规范、GPS 接收天线与测深仪换能器的相对位置量测是否精准、定位系统的延时影响及数据后处理中GPS 的精度分析等.

水深测量需要有高精度GPS 定位系统与之相配套.现在的GPS 产品很多,产品质量也参差不齐,会导致GPS发射/接收信号的质量差别较大.另外,仪器本身的使用寿命及安装、设置是否按照规范操作也会直接影响定位的精度.确保每台仪器在检定合格有效期内进行作业.

定位系统的延时影响.GPS 输出GGA 格式（位置）和VTG 格式（速度和航向） 数据时,由于GPS 接收机要花时间计算位置,而且输出到采集软件也需要时间,所以测量时状态定位的时间将不同于实际记录的时间,这就产生了定位延时.通常GPS 延时在0.0 ～ 1.0 s之间.定位延时引起的定位误差与船速成正比.如当船速达到3 m/s、延时为0. 5 s时,所引起的定位误差达到1. 5 m,这个误差是不容忽视的.

3.减少定位系统影响的措施

3.1 规范RTK 的操作

GPS 控制点周围视野应开阔,场内无地平仰角大于15°的成片障碍物,要远离大功率无线电发射源、高压输电线等强烈干扰卫星信号的物体.有效观测卫星个数、几何图形强度因子（GDOP） 、观测卫星高度角等参数要满足规范要求.

每次作业前,基准参考站设置无误后,运用RTK 的测量方式,将流动站架在已知点（或检查点） 上,测量并记录下该已知点（或检查点） 的坐标和高程,并与该点已知坐标和高程比较,差值符合规定要求后才能作业,确保GPS实时相位差分（ RTK） 点定位的准确性,点位中误差应小于±5cm.GPS 自主差分具有操作简单、相对定位精度高的优点,若在测量过程中GPS 能始终保持RTK 定位模式,能有效提高测量精度.

3.2 严格定义参考坐标系,确保实时收到差分信号

GPS 接收天线、运动传感器等相对于测船参考点 （） 要精确丈量.另外,换能器安装要稳固牢靠且尽量垂直.考虑到波束空间角度表达的便利,一般测量船参考坐标系原点（ ） 选择在换能器中心,船只横向左舷方向为X 轴,船只纵向船头方向为Y 轴,船只铅垂向下为Z 轴（右手螺旋法则） .测船参考坐标系是一种三坐标轴与船固定并随船只运动而运动的坐标系,它使各测深点的相对位置与测量船定位系统的大地空间位置建立了联系,同时也为进行船姿补偿提供空间关系和基本方法.所以,如果参考坐标系定得不精确也将影响测点的平面坐标定位.对于GPS 接收天线安装在换能器垂直顶部的情况,则只需量出垂直距离就可以了.

GPS 输出GGA 格式（ 位置） 和VTG 格式（ 速度和航向） 要正确.测量时要注意控制好船速,经过施工场地或桥梁等容易产生干扰的地方要及时查看接收信号是否正常.

3.3 测量周期设置

测量周期反映了采集一次水深所需的时间,一般GPS定位为每秒一次,对应水深记录也为每秒一次,这样可以保证至少每个GPS 位置都有对应的水深.水深数据的采集速率应该高于GPS 的频率,才能保证至少每个GPS 位置都有对应的水深数据,具有图像记录功能的测深仪的测量速度还应快于这个周期.

3.4 星历预报

施工作业前,要提前查看施工时段测量区域的详细卫星高度角和方位角,卫星时间段,卫星天空分布及卫星轨道图等,确保测量时能收到合格的卫星信号.可以用星历预报软件对GLONASS 卫星、SBAS 差分卫星进行预报,它可预报世界上任何一点,任何时间的卫星,并支持Yuam、Rinex、Alm 及AGL 星历数据格式.

3.5 数据后处理过程中的GPS 精度分析

在数据后处理过程中,可以对水深数据进行回放编辑,对个别突变的测点进行研判,不要冒然剔除或匀修.这种情况有可能是测深不准,或者是GPS 定位误差引起的错位.所以在拷贝原始测量数据的时候,如果使用了GPS 进行水深测量,还需要把GPS 的任务和定位数据,一并复制,以免遗漏不同的软件格式数据.

在查看原始GPS 测量数据时,如果发现是该时段没有RTK 固定解,可以用软件通过上网下载IGS 数据进行高精度后差分数据处理.后差分采集的数据按不同时间处理的精度不一样： 马上处理（精度差1 m）；24 ～ 48 h（精度较高30 cm）；一个星期（精度最高优于30 cm） .

4.结束语

影响水深测量的因素很多,水深测量精度对很多测量工作者来说可能还是相对模糊的概念.根据实际工作经验,对各种因素产生水深测量误差值进行定量分析,并针对性地提出一些削弱或消除这些误差的方法,可使读者对水深测量中的各种误差影响有直观的认识.在实际运用中,灵活把握各种因素的影响,可使水深测量工作更加得心应手.