定西内官李家峡景区 [基于动态GPS技术的贵德至李家峡黄河航道整治施工测量研究]
时间：2019-05-30 03:27:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
1工程概况 内河航道工程的整治和维护,迫切需要实时准确地反映航道水深变化的航道水深地形图,本文主要以动态GPS技术在黄河航道贵德至李家峡段航道测量中的应用为研究对象。测量内容包含:贵德新黄河大桥至旧黄河大桥约2.5km和阿什贡浅滩段约8.5km,测量成果为1∶2000航道地形图。
2实时差分GPS测量技术
差分GPS(DGPS)是最近几年发展起来的一种新的测量方法。实时动态(Real Time Kinematic简称RTK)测量技术,也称载波相位差分技术,是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术,它是GPS测量技术发展中的一个新突破。实时动态测量的基本思想是,在基准站上安置一台GPS接收机,对所有可见GPS卫星进行连续地观测,并将其观测数据,通过无线电传输设备,实时地发送给用户观测站。在流动站上,GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时,通过无线电接收设备,接收基准站传输的观测数据,然后根据相对定位的原理,实时地计算并显示流动站的三维坐标及其精度。
实时动态(RTK)定位测量系统的构成实时动态定位测量系统主要由以下三部分构成。
(1)卫星信号接收系统。(2)数据传输系统(数据链)。(3)软件解算系统。
在具体外业测量中,可以根据精度要求的不同,选用静态差分定位,快速静态差分定位,动态差分定位或实时动态差分(RTK)等不同的作业模式。
(1)快速静态测量。
GPS接收机在每一用户站上进行静止观测。在观测过程中,连同接收到的基准站的同步观测数据,实时地解算整周未知数和用户站的三维坐标。采用这种模式作业时,接收机可以不必保持对GPS卫星的连续跟踪,定位精度可达1cm～2cm。这种方法可应用于城市、矿山等区域性的控制测里、工程测量和地籍测量。
(2)动态测量。
动态测量模式,一般需首先在某一起始点上,静止地观测数分钟,以便进行初始化工作。之后,运动的接收机按预定的采样时间间隔自动地进行观测,并连同基准站的同步观测数据,实时地确定采样点的空间位置。目前,其定位的精度可达厘米级。
3GPS无验潮测深技术原理
随着GPS全球定位技术的不断发展,GPS实时动态测量在实时导航定位方面的应用越来越广泛。目前GPS定位中应用较多的是DGPS技术,这是一种采用简单的码数据(波长300m)相位平滑的技术,定位精度在nm级,水下地形高程则需要通过验潮确定。对于大比例尺的水下地形测量或作业区远离陆域不便于验潮的地方,DGPS技术已难于满足要求,而GPS实时动态相位差分(RTK)是一种直接应用L1和L2载波(波长分别为19cm和24cm)相位的GPS定位技术,它在三维坐标上可以提供cm级的精度,在水下地形测量中无需通过验潮确定泥面高程,这种方法称为GPS无验潮测深。
假定参考站天线高为h1,参考站的正常高为h2,流动站的天线高为h3,参考站GPS天线处的正常高和大地高分别为h4、h5,流动站GPS天线相位中心的大地高和正常高分别为h6、h7,换能器的瞬间高程为h8,测点高程为h。由图中可以看出:
h4=h1+h2
h7=h3+h8 (1)
根据GPS差分原理,参考站与流动站间的距离小于30km,可认为下式成立:
h5-h6=h4-h7;
h7=h4-(h5-h6);
根据(1)式有:h3+h8=h1+h2-(h5-h6);
则换能器的瞬间高程h8=h1+h2-h3-(h5-h6)。换能器的瞬间高程确定后,所测的水底点的高程就很容易求出:h=h8-测深仪所测的深度（如图1）。
这样就实现了在水深测量中,无需通过验潮来确定泥面高程,这种方法称为GPS无验潮测深。众所周知,动吃水发生在垂直方向,在实时动态定位时,该方向上的位移量可通过架设在船体中心上方的GPS天线相位中心的瞬间高程信息获得,该高程减去GPS天线到换能器的垂距,便是换能器发射面的瞬间高程,而换能器测量的深度正是建立在该高程的基础上,因而说,船体的动态吃水不用专门去测定,换能器的瞬间高程已经包含了该信息。这是无验潮测深模式所特有的,也是相对传统方法测量精度较高的原因所在。
4航道测量的基本作业步骤
航道测量的作业系统主要由GPS接收机、数字化测深仪、数据通信链和便携式计算机及相关软件等组成。测量作业分三步来进行,即测前的准备、外业的数据采集测量作业和数据的后处理形成成果输出。
4.1 测前的准备
(1)求转换参数。
①将GPS基准站架设在已知点A上,设置好参考坐标系、投影参数、差分电文数据格式、发射间隔及最大卫星使用数,关闭转换参数和七参数,输入基准站坐标(该点的单点84坐标)后设置为基准站。②将GPS移动站架设在已知点B上,设置好参考坐标系、投影参数、差分电文数据格式、接收间隔,关闭转换参数和七参数后,求得该点的崮定解(84坐标)。③通过A、B两点的84坐标及当地坐标,求得转换参数。
(2)建立任务,设置好坐标系、投影、一级变换及图定义。
(3)作计划线。如果已经有了测量断面就要重新布设,但可以根据需要进行加密。
4.2 外业的数据采集
(1)架设基准站在求转换参数时架设的基准点上,且坐标不变。(2)将GPS接收机、数字化测深仪和便携机等连接好后,打开电源。设置好记录设置、定位仪和测深仪接口、接收数据格式、测深仪配置、天线偏差改正及延迟校正后,就可以进行测量工作了。
4.3 数据的后处理
数据后处理是指利用相应配套的数据处理软件对测量数据进行后期处理,形成所需要的测量成果—— 航道图及其统计分析报告等,所有测量成果可以通过打印机或绘图机输出。
5影响航道测量精度的几种因素及相应对策
5.1 水下地形点高程的误差主要来源
(1)仪器误差。GPS接收机和测深仪精度。(2)转换误差。由于实时相位差分得到的是WGS84坐标下的高程,属于大地高程系统,如工程采用其他高程系统,这就需要把测得的大地高程转换成相应高程。(3)其他误差。如动吃水、风浪造成的测深船起伏和摇摆等。由于GPS天线与测深仪换能器之间为一固定值,因此测深船的垂直起伏不会给水下地形测量精度带来影响,如动吃水、波浪等影响可以消除。
在实际的使用无验潮方式进行航道测量时,测量结果精度会由于船体的摇摆、采样速率、同步时差及RTK高程的可靠性等因素造成的误差的影响,这些误差远远大于RTK定位误差,从而成为无验潮方式航道测量精度提高的瓶颈因素。
5.2 船体摇摆姿态的修正
船的姿态可用电磁式姿态仪进行修正,修正包括位置的修正和高程的修正。姿态仪可输出船的航向、横摆、纵摆等参数,通过专用的测量软件接入进行修正。
5.3 采样速率和延迟造成的误差
GPS定位输出的更新率将直接影响到瞬时采集的精度和密度。现在大多数GPS-RTK都可以最高输出率达20Hz,而测深仪的输出速度各种品牌差别很大,数据输出的延迟也各不相同。因此,定位数据的定位时刻和水深数据的测量时刻的时间差造成定位延迟。对于这项误差可以在延迟校正中加以修正,修正量可在斜坡上往返测量结果计算得到,也可以采用以往的经验数据。
5.4 RTK高程可靠性的问题
RTK高程用于测量水深,其可信度问题是倍受关注的问题。在作业之前可以把使用RTK测量的水位与人工观测的水位进行比较,判断起可靠性,实践证明RTK高程是可靠的。
为了确保作业无误,可从采集的数据中提取高程信息绘制水位曲线(由专用软件自动完成)。根据曲线的圆滑程度来分析RTK高程有没有产生个别跳点,然后使用圆滑修正的方法来改善个别错误的点。
6作业时应注意的问题
(1)因为RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术,RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值,相位观测值)及已知数据传输给流动站接收机。所以:①电台天线要尽量高。如果距离较远,则要使用高增益天线;否则将影响到作业距离。②电源电量要充足,否则也将影响到作业距离。(2)设站时要限制最大卫星使用数,一般为8颗。如果太多,则影响作业距离;太少,则影响RTK初始化。(3)如果不是使用七参数,则在设置基准站时要使Transforill To WGS84(转换到WGS84坐标系)处于off(关闭)状态。(4)如果使用七参数,则△x、△Y、AZ都小于±100较好,否则重求。(5)在求转换参数前,要使参数转换和七参数关闭。(6)在RTK作业模式下,基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据,还要采集GPS观测数据,并在系统内组成差分观测值进行实时处理,同时给出厘米级定位结果,历时不到一秒钟。基准站和移动站必须要保持四颗以上相同卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形,则流动站可随时给出厘米级定位结果;所以有时偶尔RTK没有固定解也是很正常的。
