基于Hypack 的GNSS PPK三维水深测量

摘要

* H% b6 y- ^& z2 t4 j

GNSS PPK ( post processing kinematic)技术属动态后处理技术，不受电台无线电传播距离的限制，有效作用距离可达 80km。为解决沿海长航道水深测量需在海上设置定点验潮站的难题，提出基于 Hypack2014 的 GNSS PPK三维水深测量方法。该方法无需进行水位提取与水位拟合，提高了水深测量精度;

且采用现有商业软件 TBC 和 Hypack，避免了繁琐的二次开发。介绍 GNSS PPK定位原理及 GNSS PPK 三维水深测量工作原理，阐述基于 Hypack 的 GNSS PPK三维水深测量的实施方法，在沿海长航道水深测量方面具有推广价值。 : n/ p; \0 i. i# D6 {8 F

正文

对于沿海长航道水深测量，当测区超出岸边水位站有效控制范围时，可在海上设立临时水位 站 ( 修建验潮站、抛压力式验潮仪)、潮位推算， 或直接进行 GPS ＲTK三维水深测量。但海上修建验潮站的难度大、成本高，因此较少采用;抛压力式验潮仪则会面临验潮仪丢失或由于仪器在海底滑动导致采集的水位数据不可用的情况，且不适用于作业频率较高的疏浚工程水深测量; 潮位推算精度受限; ＲTK受电台无线电传播距离的限制，只能解决基线长度为 20 km范围内的水位测量问题 。鉴于上述方法均存在难以克服的缺点，本文提出基于 Hypack 2014 的 GNSS PPK三维水深测量方法。

1.基本原理

GNSS PPK 定位原理GNSS PPK技术属动态后处理技术，不受电台无线电传播距离的限制，有效作用距离可以达到80km 。定位原理: 利用进行同步观测的 1 台基准站接收机和至少 1台流动接收机对卫星的载波相位观测量; 事后在计算机中利用 GPS处理软件进行线性组合，形成虚拟的载波相位观测量值，确定接收机之间厘米级的相对位置;然后进行坐标转换得到流动站在地方坐标系中的三维坐标 。

GNSS PPK 三维水深测量原理三维水深测量原理见图 1。图中 T 为水位; A 为 GNSS 天线的大地高; B为水面到海底的距离; C S 为海图基准面以下的水深; D 为动吃水; K为似大地水准面到海图基准面的距离; N 为参考椭球面到似大地水准面的距离。

水位T = －T = N－K －A －H －D ( 1)

# E* J7 a. M) U9 S( ?

图载水深C S = B+D +T = B+N－K －A －H ( 2)

可见，通过 GNSS PPK 三维定位技术获得流动站的平面坐标和大地高 A，在定位系统中央处理器的驱动下，同步实施采集水深数据B，并根据流动站天线至水面的高度 H 及深度基准面与大地高的关系 N-K，进行综合数据处理，即可获得测点的平面位置和图载水深 C S，实现 GNSS PPK 三维水深测量。

/ y0 p- X8 {7 Q. z

在 GNSS PPK 三维水深测量外业数据采集过程中，采用 GNSS PPK进行导航定位，采集的平面定位坐标和高程坐标是绝对定位 ( 单点定位) ，其精度相对较低。需在内业处理过程中，用经后处理的精确三维坐标逐一替换单点定位数据，达到精确定位和水位改正，从而不需要建立水位站 进行验潮。

2.GNSS PPK 三维水深测量

9 \3 W6 x; M7 |$ F3 k2 h

2.1仪器安置

' @ R4 t- M' d' n) ?$ x! Z8 Y" P! D0 A

2.1.1架设基准站

定位设备均采用美国 Trimble Ｒ8 GNSS接收机。在岸上已知控制点上架设基准站，测量类型为FastStatic，记录间隔宜为 1 s。

2.1.2流动站设置

1 d$ ]; M' N' U! v/ r. B- d

流动站安置在测量船上较高处，测量类型为后处理动态测量，记录间隔应与基准站保持一致， 宜为 1 s。

5 G5 i7 t, k6 o9 W1 ~* R: X

2.2测深系统安置

按常规作业的要求， 安置测深系统的其他设备。

% I- s6 e3 L) z

2.2.1Hypack 中的设置

添加设备

在 Hypack 软件中接入 GNSS PPK 时，设备驱动文件是 GPS. dll。若GNSS信号失锁，经过后处理的三维坐标精度较低，甚至无法进行后处理，不能满足三维水深测量精度要求，严重则导致水深测量的补测或 重测。为便于实时跟踪 GNSS状态， 及时发现GNSS 失锁情况，须在 Hypack软件的硬件中进行相应设置。在 Survey Devices 选项中，选择 Setup，打开GPS Setup 对话框。根据 GNSS 输出的 NEMA 数据标准， 选择对应格式 (NAME 2. 1、NEMA 3. 0 或自定义) ，并勾选所有可选项 ( GNSS 不固定，则报警并暂停记录)，如图 2 ～ 3 所示。

* w: C* {) w& u0 R) S8 B+ L4 G5 O8 f

图 2 GPS 一般设置

% S8 T; [0 Z: Y

Figure :

! t; c+ F$ ?8 ^2 |! r# k- G

图 3 GPS 状态码设置

! I2 _2 N* H. |/ u S$ O- Q

在 Offsets 选项中，Starboard 和 Forward 是相对于测量船原点 (一般以测深仪换能器位置为原点) 的位置， 分别以向右、向前为正。Vertical 是GNSS 接收机天线到水线的距离，向下为正，即图 1中的 H 值。

高程转换设置

GNSS 测量的是基于 WGS84 椭球面的大地高， 而我国法定高程系统为正常高。要实现WGS84 椭球面与深度基准面 ( 沿海港口和内河感潮河段采用理论最低潮面)之间的高程转换，需要通过 2 步来实现: 第 1步是高程基准面从椭球面到似大地水准面之间的转换，即大地高向正常高的转换， 图1 中的 N 值; 第 2步是高程基准面从似大地水准面向深度基准面的转换，即正常高向海图高的 转换，图1 中的 K 值。根据不同的高程转换方法，进行相应的设置( 表 1) 。在完成测深系统各仪器设备安置、GNSS PPK初始化后，测试测深系统通讯情况。

2.3外业数据采集

T+ Y$ X0 \1 C3 G& f

GNSS PPK 三维水深测量数据采集包括:

采用 Hypack 软件进行实时采集测深数据、定位数据 ( 单点定位)和姿态数据等。具体操作与ＲTK 三维水深测量完全相同;流动站主机和手簿GNSS PPK 数据采集。手簿开始记录，流动站主机开始自动记录;基准站主机数据采集。Figure :

3.内业数据处理

3.1GNSS PPK 数据处理

+ M( N* K' B1 H. K9 v6 A5 ]

GNSS PPK 测量作业结束后，要采用 Trimble Data Transfer软件及时将基准站和流动站的数据一一对应地进行下载、保存。GNSS PPK数据需采用美国 Trimble GPS 接收机配备的商用软件 TBC ( Trimble BusinessCenter) 进行数据处理。处理过程主要包括:

3 J, f8 k& ~( u, C, u

新建项目，选择所需坐标系统。若没有所需坐标系统可供选择， 应在Coordinate System Manger 中新建完成。导入观测数据。Trimble

系列接收机观测数据可直接导入基准站及流动站的 DAT文件，若采用其他系列接收机观测数据，必须事先将文件格式转换为Ｒinex 格式才能使用。输入相应的天线类型、测量方法和仪器高度。基线处理。进行基线解算，并删除无法进行基线处理或精度超标的基线，保存得到固定解的基线。平差。更改坐标系统，约束基准站，进行约束平差。数据导出。在导出时选择 “轨迹 ( CSV)文件导出器” 直接导出成相应的CSV 文件，用于替换原始数据中的单点定位数据。

3.2GNSS PPK 数据与水深数据联合处理

数据采集软件 Hypack 存储的原始数据中定位数据是 GNSS PPK 单点定位的GGA数据，其平面精度和高程精度均不能满足水深测量要求，所以必须将经后处理的GNSS PPK 高精度平面定位数据和高程数据逐一替换外业采集的原始 GGA数据。处理过程如下:打开 Hypack 软件中单波束编辑器。打开水深测量原始数据索引文件( * . log) ，选择需要进行数据处理的原始数据文件。设置读取参数: 取消 “Ｒecalculate ＲTK Tides Using Project Geodesy”，选择 “ＲTK Tide Method”，平均水位数据周期默认 30 s，也可修改。重要的是，必须选择“Use Post-Processed GPS Correction File” 来实现经后处理的 GNSS PPK 高精度平面定位数据和高程数据逐一替换外业采集的原始 GGA数据。根据TBC 导出的GNSS PPK 数据文件( * . csv)中每个定位点数据 ( 每行数据) 的格式，正确设置各 种 参 数， 匹 配导 入数据的格式和时区( 图 4) 。

/ R M$ o }% r6 n. C% S8 Z

Figure :

图 4 导入 GNSS PPK 数据设置界面

" D8 n+ u+ t0 ~' {) L7 ~

4.精度分析

4.1内部符合精度

在Hypack 平台下，使用GNSS PPK 和GDCOＲS (广东省连续运行卫星定位服务系统) 同时进行水深测量。GDCOＲS 采集基于 WGS84的大地高，测深数据进行人工验潮水位改正。经过统计，GNSS- PPK 和广东省COＲS 的水深测量图进行水深重合的比对，误差小于等于 0. 4 m 占 100.0%，最大0. 39 m。GNSS PPK 三维水深测量成果内符合精度满足现行《水运工程测量规范》要求，比对结果见表 2。

$ j3 t; `! |9 d* m

表 2 GNSS PPK 和 GDCOＲS 水深测量图比较

/ }, s: \0 P1 t' }1 s

7 p3 d0 n0 i# e$ [) y

不符值分布区间/m

9 d. c r% Y7 d% s. K- e

测点/个

占比例/%

( －0. 4，－0. 3］

3

0 S) P0 o* c# q& W1 F, q

0. 1

( －0. 3，－0. 2］

& I7 t, Q. V+ `9 S1 |

2

% p, S* M+ d0 ]& J) B1 {) E9 q

0. 1

- ~5 f8 c4 X8 m2 r0 ^9 B

( －0. 2，－0. 1］

21

2 A. w2 z# r, `1 s7 I6 b

0. 7

5 N$ ^3 E3 f1 ~6 _: ] v

( －0. 1，0］

715

24. 1

o9 ]! L2 w0 R

( 0，0. 1］

2 184

- E j' p# j! t a1 F, T [, ?

73. 5

# B/ M( s4 Y2 D' L+ C% C4 x

( 0. 1，0. 2 ］

39

& P r& e1 C% m2 x2 c& f3 \

1. 3

( 0. 2，0. 3］

3

0. 1

( 0. 3，0. 4］

* K) p1 J+ d A/ H

4

( |( ]9 d4 g* i( \. R6 `

0. 1

+ b v9 b! S# \

其他

: i1 m- D9 U4 X, y- |; a% |& S

0

2 ^" d5 x+ m- i7 O6 T, k

0. 0

* ]% R2 a# j% Z3 r

1 \6 W; m5 X2 m) q8 ?. ]

" m3 p6 U- W" u0 j% N) K

注: 不符值= GNSS PPK 水深－GDCOＲS 水深。

4.2外部符合精度

$ ]) u; O3 p/ y0 m1 W

在广州港南沙港池进行 GNSS PPK三维水深测量，与广东省海测大队的水深测量图进行水深重合比 对，误差小于等于 0.4 m 占 97. 8%，最大 0. 59 m。GNSS PPK 三维水深测量成果外符合精度满足现行《水运工程测量规范》要求，比对结果见表 3。

表 3 GNSS PPK 和广东省海测大队水深测量图比较

. _9 B9 V1 J$ v! B/ s

& W- n1 F2 Y* [ O7 A L

不符值分布区间/m

- B/ o9 W% T/ Y1 k) U& ~, r

测点/个

占比例/%

0 P% S" \1 m: R, s+ L

( －0. 4，－0. 3］

* M( V8 s6 w, |/ A* |5 [8 N* r$ ?

1

. Q: k7 b1 H* p

0. 7

( －0. 3，－0. 2］

2

0 A4 ^3 H& s& |5 X

1. 4

( －0. 2，－0. 1］

/ G1 x4 G, K" L* j

12

8. 7

$ V; r) Q. E/ B2 \7 j# H

( －0. 1，0］

% u8 @ P& t8 T: F" ]2 U* O5 [

39

$ h: k! O7 V9 Q

28. 3

( 0，0. 1］

7 R4 W; R5 x- t9 z' Q

55

- o! w k Z1 J# T; s7 a! ^

39. 9

( 0. 1，0. 2 ］

22

15. 9

( 0. 2，0. 3］

4

7 A+ Y1 \. u9 ?1 j8 Z

2. 9

( 0. 3，0. 4］

1

0. 7

* N0 Y" y* ]) N3 B% A

其他

2

1. 4

合计

9 g8 M! h' [/ d7 l9 E) j d$ O

138

4 F! e8 U' @3 {

100. 0

2 [9 f2 a( J W; P6 _. ]

4.3与现有水深测量方法相比的优势

与 ＲTK 三维水深测量相比，无需 GPS ＲTK 设备所需的无线数据链，突破了 GPSＲTK 设备 10 ～ 15 km 有效作用距离的限制，能够在 80 km的范围内实施高精度三维水深测量作业。与传统的人工验潮水深测量相比，由公式( 2)中看出，无需进行水位观测工作、涌浪补偿和测 深仪换能器动吃水改正数测定，基于高精度的PPK 测高技术模式优于传统的水深测量作业模式。与采用 GPS PPK水位测量技术的水深测量作业相比，无需进行水位提取与水位曲线拟合，而是进行实时水位改正，避免了水位曲线拟合所引起的误差，进一步提高了测深精度;平面定位采用高精度的 PPK 定位数据，避免采用精度相对较低的 DGPS，可适用于大比例尺测图。

* _& g% T+ a; N4 v: {$ t, S

5.结语

提出的方法实现了基于 Hypack 软件的 GNSS PPK 导航定位、数据采集;内业数据处理过程中， 将 GNSS PPK处理后的高精度平面定位数据和高程数据逐一替换外业采集的原始 GGA数据，完成定位数据 ( 含高程信息) 与姿态数据、测深数据的融合，并最终实现 GNSS PPK 三维水深测量， 且避免了繁琐的二次开发。

3 t4 R* V2 Z$ h4 f

基于Hypack 软件的GNSS PPK 三维水深测量技术，适用于沿海长航道、超出 ＲTK有效作业范围的测区。该技术已成功应用于湄洲湾航道三期工程、厦门港主航道扩建工程四期工程和港珠澳大桥工程沉管隧道工程，解决了沿海长航道水深测量的难题。

$ g. @! z1 p0 F5 ^