GPS網(wǎng)絡RTK技術在內河航道測量的應用

徐義坤　孫德鵬

[摘要]大力發(fā)展內河航道運輸具有重要的國家戰(zhàn)略意義，其中京杭運河的復蘇是一項偉大的工程。然而，在內河航道工程中，水深測量數(shù)據(jù)的可靠性直接影響著工程設計和建設，因此本文通過對網(wǎng)絡RTK技術定位原理分析，通過工程實例闡述了網(wǎng)絡RTK在內河航道水深測量的應用。

[關鍵詞]內河航道 網(wǎng)絡RTK技術 水深測量

[中圖分類號] P228.4 [文獻碼] B [文章編號] 1000-405X（2015）-3-212-1

1概述

“十二五”規(guī)劃以來，我國提出要大力推進內河航道建設，加強內河水運在經(jīng)濟發(fā)展中的基礎和支撐作用。2011年年初，國務院出臺了《關于加快長江等內河水運發(fā)展的意見》，將內河航運上升為國家戰(zhàn)略。京杭運河獲得了歷史性發(fā)展機遇。京杭運河的改造是一項偉大的工程，是實現(xiàn)中華民族偉大復興的重要舉措。京杭運河的疏通意義非常重大，所產(chǎn)生的經(jīng)濟利益不可估量。山東省2011年出臺了魯政發(fā)[2011]48號文件，沿河各城市積極響應，大力建設和發(fā)展京杭運河，取得顯著成績。

近年來，由于信息化的不斷發(fā)展，GPS網(wǎng)絡也得到了快速發(fā)展并廣泛應用于航道測量中，將GPS定位技術與通信技術結合起來，提高測量定位精度、使用RTK技術減小基站與移動站的誤差，使航道測量中降低人力成本、減小維護成本實現(xiàn)智能化、遠程傳輸、無人化管理的新型測量技術具有重要意義。

2 RTK 定位技術簡介

GPS 實時動態(tài)定位 （Real Time Kinematic ， 簡稱 RTK） 技術是一種將 GPS 與數(shù)傳技術相結合， 實時解算進行數(shù)據(jù)處理， 在 1～ 2 s 的時間里得到高精度位置信息的技術。20 世紀 90 年代初，這項技術一經(jīng)問世就極大地拓展了 GPS 的使用空間，使GPS 從只能做控制測量的局面中擺脫出來，開始廣泛運用于工程測量領域。使用 RTK 技術可以方便、快捷、高效、快速地實現(xiàn)高精度的測量作業(yè)， 但是 RTK 技術仍存在著一定的局限性， 使其在現(xiàn)實應用中受到了限制，主要表現(xiàn)為：

① 用戶需要架設本地的基準站；

② 誤差隨距離的增長而增大；

③ 誤差的增大使流動站和基準站之間的距離受到限制（<15 km） ；

④ 數(shù)據(jù)的可靠性和可行性隨距離的增加而降低。為了解決常規(guī) RTK 技術存在的缺陷，實現(xiàn)區(qū)域范圍內厘米級、精度均勻的實時動態(tài)定位，網(wǎng)絡RTK 技術應運而生， 其中比較有代表性的有 VRS（ Virtual Reference Station ） 虛擬基準站技術和 FKP區(qū)域改正參數(shù)法技術。這兩種技術就是將全網(wǎng)架設的所有基準站的數(shù)據(jù)發(fā)送到一個數(shù)據(jù)處理中心， 經(jīng)過解算，然后統(tǒng)一發(fā)送改正數(shù)據(jù)，所在區(qū)域就不能測量的問題。

VRS 技術的工作原理：

VRS 是 Trimble 公司提出的基于多基準站網(wǎng)絡環(huán)境下的 GPS 實時動態(tài)定位技術， 通常把 VRS 技術歸為網(wǎng)絡 RTK 技術的一種。虛擬基準站技術就是利用地面布設的多個基準站組成 GPS 連續(xù)運行基準站網(wǎng)絡 （ CORS ），綜合利用各個基準站的觀測信息， 通過建立精確的誤差模型 （如電離層、對流層、衛(wèi)星

軌道等誤差模型）， 在移動站附近產(chǎn)生一個物理上并不存在的虛擬基準站 （ VRS ） 。由于 VRS 位置通過流動站接收機的單點定位解來確定， 故 VRS 與移動站構成的基線通常只有幾米到十幾米， 移動站與虛擬基準站進行載波相位差分改正， 實現(xiàn)實時RTK。VRS 技術是集 Internet 技術、無線通訊技術、計算機網(wǎng)絡管理技術和 GPS 定位技術于一體的定位系統(tǒng)。由若干個連續(xù)運行的基準站、數(shù)據(jù)控制中心、移動站 （ 用戶— GPS 接收機） 組成。其工作原理和流程如下：

（ 1 ） 各個基準站通過 Internet 連續(xù)不斷地向數(shù)據(jù)控制中心傳輸觀測數(shù)據(jù)；

（ 2 ） 控制中心實時在線解算各基準站網(wǎng)內的載波相位整周模糊度值和建立誤差模型；

（ 3 ） 基準站將單點定位 /DGPS 確定的位置坐標（ NMEA 格式）；通過無線移動數(shù)據(jù)鏈路 （ 如 GSM/GPRS 、 CDMA ） 傳送給數(shù)據(jù)控制中心，控制中心在移動站附近位置創(chuàng)建一個虛擬基準站 （ VRS ） ，通過內插得到 VRS 上各誤差源影響的改正值，并按RTCM 格式通過 NTRIP 協(xié)議發(fā)給流動站用戶。傳統(tǒng)的GNSSRTK技術有許多缺點制約著測量中的使用，比如：

①每次測量都需要搭建新的基準站；

②獲得的空間點誤差與兩站點距離成正比；

③基準站與流動站之間的數(shù)據(jù)通訊主要依靠UHF或VHF高頻或甚高頻電臺進行數(shù)據(jù)直線傳輸；

④流動站距基準站較遠時則無法使用，即不能實現(xiàn)遠距離操作；

⑤獲得的較遠距離數(shù)據(jù)可靠性和可用性較低。這些問題都反映了傳統(tǒng)GNSSRTK技術存在的問題影響測量精度和應用范圍。

網(wǎng)絡RTK技術則是一個令人興奮的選擇，其具有覆蓋面廣、點精度均勻、定位精度高、數(shù)據(jù)傳輸距離遠等優(yōu)勢，所以具有較好的應用前景。

山東省衛(wèi)星定位連續(xù)運行綜合應用服務系統(tǒng)（ShanDong Continuously Operating Reference Station System，簡稱SDCORS）的建設在不同應用領域之間搭建了一個技術與服務平臺，不僅向測繪用戶提供統(tǒng)一的、動態(tài)的、連續(xù)的、高精度的時間和空間基準，還可以向社會各需求部門提供各種地理空間信息數(shù)據(jù)服務，是“數(shù)字山東”的基礎設施之一，也是我省一項重要的空間數(shù)據(jù)基礎建設工程。

該項目由山東省國土資源廳和山東省氣象局合作建設。山東省國土資源廳主持，山東省國土測繪院具體組織實施。以“共建共享”的方式，納入地市和行業(yè)已建CORS系統(tǒng)，實現(xiàn)在山東省境內的定位服務，項目于2007年正式啟動，于2010年09月系統(tǒng)一期建成，11月底系統(tǒng)全網(wǎng)試運行。 SDCORS工程由參考站網(wǎng)子系統(tǒng)、系統(tǒng)控制中心子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、用戶服務子系統(tǒng)四個子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)通過計算機網(wǎng)絡連接，形成省市兩級系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享、協(xié)同運行的多中心有機整體。 SDCORS建設的意義在于：為山東省的大地測量、國土測繪、城市規(guī)劃等應用提供了統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)參考框架；向各類用戶提供高精度的實時定位服務；進一步發(fā)展了省級系統(tǒng)的設計方法、標準化、系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)等技術。

3 SDCORS在京杭運河航道測量應用

3.1水下地形測量

水下地形測量在航道、港口、水利、資源等領域擁有越來越廣泛的應用。在河道整治和航運方面，為了保證船只安全行駛，用以了解河底地形，查明河中的淺灘、沙洲、暗礁、沉船、沉樹等影響船只安全行駛的障礙物；在港口碼頭建設方面，為了在建港地區(qū)進行疏浚工作及停泊輪船而要修建碼頭，需要進行水下地形測量，作為其設計和施工的依據(jù)；在水利工程建設方面，利用水下地形測量資料，可以確定河流梯級開發(fā)方案、選擇壩址、確定水頭高度、推算回水曲線；在橋梁工程建設方面，用以研究河床沖刷情況，決定橋墩的類型和基礎深度，布置橋梁孔徑等；在科學研究方面，通過水下地形測量和有關河道縱、橫斷面測量，可以研究河床演變及水工建筑前、后的水文形態(tài)變化規(guī)律，監(jiān)視水工建筑物的安全運營，觀測水庫的淤積情況?，F(xiàn)代水下測量定型為采用 GPS作為平面定位手段 ，回聲聲納設備作為測深手段 ，并根據(jù)水位面的高程反算水底點高程的基本模式。在實際生產(chǎn)中 ，當測量水域位于驗潮站作用范圍內時 ，該模式可被采用 ；但當工作水域超出了驗潮站的有效作用距離范圍或因無法架設驗潮站而不能獲取驗潮資料時 ，該模式難以實施。傳統(tǒng)GPS-RTK作業(yè)方式需用戶架設基準站； 且誤差隨距離的增長而增大，流動站和基準站之間的作業(yè)距離受到限制。由于傳統(tǒng)GPS-RTK上述特點，在長距離航道測量中受到限制，采用網(wǎng)絡RTK技術即可解決距離問題。

3.2 工程實例

京杭運河山東段分黃河以北和黃河以南兩段。黃河以北從德州第三店至位山，長235公里，由于水資源缺乏，已于20世紀70年代末期斷航。黃河以南從位山至陶河口，長275.6公里，由梁濟運河、南四湖和韓莊運河組成，為京杭運河山東段的通航河段。2000年濟寧至徐州段續(xù)建工程完成，其中濟寧段130公里已由六級航道提高到三級航道，使千噸級貨輪可往返于濟寧至江南航線。棗莊段運河航道里程93.9公里，建有臺兒莊、萬年閘兩座國家二級標準船閘，年通過能力2500萬噸，可通千噸級貨船，轄區(qū)內還建有棗莊、滕州、萬年、臺兒莊四個吞吐量在100萬噸以上的港口及20個吞吐量在50萬噸以下的作業(yè)區(qū)。港口總設計能力1300萬噸。年吞吐能力200萬噸的滕州港是京杭運河的第一大港，棗莊的煤炭、建材等資源可通過運河運往江、浙、滬。

本次京杭運河航道水下地形測量由山東濟寧測至江蘇大王廟，全長192公里。采用傳統(tǒng)GPS-RTK測量方法，受作業(yè)距離限制，降低了工作效率。為了保證測量精度，提高作業(yè)效率，采用SDCORS進行測量。京杭運河山東省段采用了C級GPS成果求得轉換參數(shù)，C級GPS成果是平差后的WGS-84坐標成果，與SDCORS 采用的84成果一致，求取轉換7參數(shù)，轉換殘差平面3cm，高程5cm。到已知控制點進行校核，能夠滿足平面和高程精度在10cm以內。在進行水深測量時，由于全線有4個船閘將測區(qū)分為5段，采用四等水準測量要求，分別在每一測段固定位置引測臨時水位站。分別采用水位站數(shù)據(jù)與RTK水位處理水深，通過比較水深值確定RTK水位測量精度。選取萬年閘至臺兒莊船閘落差較大區(qū)域比較水深數(shù)據(jù)，此段區(qū)域航道長度14.5km，落差38cm，抽取水深數(shù)據(jù)500個進行比較，誤差在0.1m以內486個，0.1-0.2m14個，大于0.2m無，通過上述水深數(shù)據(jù)比較，SDCORS網(wǎng)絡RTK測量精度能滿足規(guī)范要求。

4結論

在控制點均勻分布整個測區(qū)，采用C級以上控制點成果的WGS-84坐標求得的轉換參數(shù)，外業(yè)工作中平面及高程測量精度完全能達到規(guī)范規(guī)定。2、現(xiàn)階段網(wǎng)絡RTK技術已經(jīng)成熟，在內河航道測量中，定位精度是完全能夠達到要求的，主要是水位控制精度，在航道落差較大的區(qū)域，網(wǎng)絡RTK實時水位能夠滿足要求。3、在大面積測區(qū)，特別是100km以上航道，網(wǎng)絡RTK技術比常規(guī)架設基站方法，節(jié)省了大量人力和物力，極大的提高了工作效率。通過分析表明，網(wǎng)絡RTK技術提高了測量的精度，減輕了作業(yè)人員的負擔，提高了工程質量。

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