測深儀結合RTK或CORS定位是目前水下地形測量的常用方法，但當測量水域較大或通訊信號很差時，這兩種方式無法建立數據鏈路進行差分，導致難以滿足要求。下面文章通過開發(fā)相關軟件實現將GNSSPPK解算的定位點結果以時間戳為準與單波束測深點進行自動匹配。經實地靜態(tài)和動態(tài)測試，該方法的精度與RTK或CORS相當，可以滿足大面積水下地形測量的需求，顯著提高了作業(yè)效率。

　　關鍵詞:PPK,單波束測深儀,水下地形測量,應用

　　目前，測深儀結合RTK(Real-TimeKinematic)或連續(xù)運行基準站系統(tǒng)(ContinuousOperationalReferenceSystem，CORS)定位是大比例尺水下地形測量的常用方法，RTK或CORS定位方式具有全天候、操作簡單的優(yōu)點，并能實時快速地提供給測深儀厘米級的定位結果。這兩種方式都需要在作業(yè)過程中保持與基準站的數據鏈接[1-4]，并且單基站RTK作業(yè)距離受電臺信號覆蓋范圍限制，一般約10—15km[5]。在大面積水域、線性狹長河道或近海無手機信號區(qū)域，這兩種方式都難以滿足要求。GNSS動態(tài)后處理差分(PostProcessingKinematic，PPK)技術可作為上述情況下的替代手段進行定位，滿足大比例尺水下測量需求。

　　1GNSS-PPK技術原理

　　GNSSPPK測量時不需要建立實時通訊傳輸差分信號，而是利用基準站和流動站對相同GNSS衛(wèi)星進行同步觀測，對其數據進行后差分處理，獲取流動站每個時刻的三維坐標。PPK作業(yè)時一般使用一臺GNSS接收機架設在已知坐標的基準站，進行連續(xù)靜態(tài)觀測，使用另外一臺或幾臺接收機在初始化后作為流動站進行數據采集工作。為了準確解算整周模糊度，流動站在測量過程中需要保持對衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤，一旦失鎖需要重新進行初始化，初始化時間取決于基線長度和衛(wèi)星數量，一般為5—15min不等[6-9]。

　　觀測完畢后，將基準站數據和流動站數據進行解算，形成虛擬的載波相位觀測量，確定相對位置，然后使用基準站的準確三維坐標進行約束，獲得流動站測點的絕對三維坐標。PPK技術的主要特點是不需要與基準站進行實時通訊，流動站只需要初始化后即可進行采集，因此作業(yè)范圍可擴展到50km以上，由于不同解算軟件解算精度不同，建議流動站作業(yè)半徑不超過100km[5]。

　　2GNSS-PPK結合測深儀的作業(yè)方法

　　在進行PPK水下地形測量時，首先在岸邊合適位置架設基站，然后將流動站與測深儀連接，測量過程中流動站接收機同步記錄數據。測量完畢后，首先導出基站和流動站數據進行PPK解算，然后對測深儀記錄文件進行聲速、潮位改正，并輸出帶有時間的點位數據，最后利用匹配軟件與測深儀記錄的測深點進行自動匹配，即可輸出具有精確坐標的測深數據。

　　2.1作業(yè)方法

　　在單波束水下地形測量時，采集的每個水深點都需要打上一個實時坐標，測深值和定位點一一對應。PPK模式中流動站采集的實時坐標是單點定位的結果，誤差較大，只有與基站進行后處理后才能得到高精度的三維坐標，因此需要在后期處理中，將測深值同定位點進行匹配，以達到大比例尺測圖的精度要求。

　　通過研究測深儀記錄的文件發(fā)現，每個測深值前都有實時的時間戳，這個時間是由流動站GNSS接收機實時記錄的，在PPK解算的定位成果中也有每個記錄點的時間，這樣就建立起了PPK定位點和記錄的測深值之間的聯(lián)系。

　　在進行測深記錄時間和定位記錄時間匹配時，需要注意兩套時間的閏秒問題。目前在測深儀中普遍使用的是UTC時間，而PPK解算出的成果是GPS時間。UTC時間即協(xié)調世界時，該時間以原子秒長為基礎，在時刻上與世界時差距不超過0.9s。GPS時間嚴格采用原子秒長為單位進行計時，時間原點在1980年1月6日0時與UTC時間對準。由于地球自轉速度不均勻，UTC時間與GPS時間之間的時差便逐年積累，因此為了保證UTC時間的準確性，每隔數年采用閏秒的方式，使UTC時間與世界時保持一致，這樣導致UTC時間和GPS時間相差一個閏秒值。

　　經過數次閏秒，目前，UTC時間和GPS時間的閏秒值為18s，因此在進行點位匹配時需要在UTC時間上加上18s與GPS時間對應[10-11]。目前，支持PPK作業(yè)的硬件和軟件很多，徠卡、天寶、中海達、南方等GNSS接收機均支持該采集模式，且配套有相應的PPK解算軟件[12-13]。但目前尚沒有完善的單波束數據處理軟件支持將PPK處理后的坐標與測深記錄值進行匹配[14]。基于以上需求，開發(fā)了自動匹配軟件，該軟件可將PPK解算的定位點數據按照閏秒后的時間與測深值進行匹配并投影輸出。軟件目前支持中海達、南方測深儀的測深數據導入，支持HGO、WayPoint軟件后處理解算結果的導入。

　　2.2注意的問題

　　1)在進行作業(yè)時，需要注意基站的開機時間應在流動站開機時間之前，基準站關機時間在流動站關機時間之后，并且因為PPK解算需要一定的收斂時間，所以，最好在流動站開始記錄5min后再開始測深作業(yè)。

　　2)測量過程中記錄的定位數據均為WGS-84大地坐標，后期成果根據任務需求進行投影和坐標轉換。基站和流動站記錄的時間間隔最好為1s或更小，以保證定位點的密度。

　　3)因為基站GNSS接收機需要架設在水邊，因此最好選擇大地型接收機，以減小多路徑效應的影響;

　　4)目前，單波束測深儀的打標方式有按距離打標和按時間打標，在使用PPK作業(yè)時，由于實時定位精度為米級，按距離打標可能會存在打標點不均勻的問題，因此最好根據行船速度采用按時間打標的方式。

　　3實例測試與分析

　　實驗測區(qū)位于內蒙古呼倫湖，該湖是內蒙最大的湖泊，全國第四大淡水湖，南北方向跨度達90km，東西方向跨度達30km，設計水下地形成圖比例尺為1∶10000，使用RTK方式進行測量時電臺信號難以完全覆蓋，而且由于草原上手機信號較差，NMCORS也很難發(fā)揮作用，因此嘗試使用PPK技術進行作業(yè)。項目中測深儀采用中海達HI-MAX，其內置采集導航軟件，定位系統(tǒng)采用南方銀河系列，PPK后處理軟件采用諾瓦泰公司的GrafNav/Net，該軟件中的PPK解算模塊算法先進，數據處理精度可達到厘米級。

　　3.1靜態(tài)測試

　　為驗證PPK解算成果在靜止狀態(tài)下的精度，在某國家等級點上進行采集，并分析其精度，等級點距基站約10km。流動站在已知點收斂5min后，連續(xù)測量3min，采樣間隔1s，共采集了180個坐標點，坐標點3個方向的，北方向最大偏差12.3cm，東方向最大偏差11.2cm，高程方向最大偏差3.8cm，平均點位誤差為15.00cm，平均高程誤差為1.8cm。

　　3.2動態(tài)測試

　　在湖邊已知控制點上安置基準站，將流動站安裝在測船上與測深儀連接，經過收斂后，在RTK電臺信號可以覆蓋的范圍內(約7km)以船速8節(jié)進行測線測量，連續(xù)采集3min，共記錄165個測深點，將記錄的數據進行PPK解算獲取定位點成果，與RTK實時記錄的定位結果進行比對。3個方向的坐標分量差值分別如圖2所示，北方向差值絕對值最大為2.4cm，東方向差值絕對值最大為1.2cm，高程方向差值絕對值最大為4.2cm，平均點位誤差為0.9cm，平均高程誤差分別為-1.0cm。由此可見，在動態(tài)作業(yè)過程中PPK后處理的結果與實時RTK結果很一致，精度可以滿足厘米級要求。

　　4結束語

　　在對大面積水域、近海海域及線形水域進行水下地形圖測繪時，RTK或CORS往往難以滿足要求[15]。通過將PPK處理結果與測深值進行匹配，使定位精度達到厘米級，這種方法具有操作簡單、精度高等優(yōu)點，測量過程中不需要擔心電臺或手機信號丟失，擴展了單基站的作業(yè)范圍，大大提高了作業(yè)的靈活性和效率，是一種值得推廣的作業(yè)方法。由于PPK技術獲取的定位結果需要經后處理獲取，因此無法應用于放樣工作，同時在作業(yè)時無法實時獲取定位精度指標，在野外難以直觀了解實時定位精度。

　　流動站在收斂后需要保持對4顆以上的衛(wèi)星持續(xù)跟蹤，一旦失鎖必須重新收斂，因此，該方法不適用與高山峽谷等對衛(wèi)星信號遮擋較大的地區(qū)。隨著這種方法應用越來越成熟，相信未來會有單波束測深儀廠家將成熟的PPK測量方式嵌入到測深作業(yè)和處理軟件中，實現完善的PPK解算、測深點匹配、聲速潮位改正、成果輸出流程。

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　　推薦期刊：《水道港口》是由交通部主管，交通部天津水運工程科學研究所主辦的專業(yè)性雜志。