差分GPS的測量精度及其在水下測量中的應(yīng)用

□古小健（廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院）

0 前言

全球定位系統(tǒng)（GPS）自問世以來，就在各種測量工作中得到了廣泛的應(yīng)用和研究。將GPS定時定位技術(shù)中的RTK技術(shù)和RTD技術(shù)應(yīng)用到水下測量工作中，可以從根本上改變水下地形的測量方法，從以往的傳統(tǒng)模式進(jìn)化到現(xiàn)在的全自動模式，使水下測量工作中獲得的數(shù)據(jù)能夠更精確、更快速、更加智能化。新的水下測量模式與以往相比，在水下進(jìn)行測量工作時不再受惡劣天氣和通視條件的限制，可以大幅度的提高水下測量的工作效率和測量精度。

1 差分GPS測量技術(shù)的原理

差分GPS就是首先利用已經(jīng)知道的精確三維坐標(biāo)的差分GPS基準(zhǔn)臺，求得偽距的修正量或者位置修正量，再將整個修正量實時或者事后發(fā)送給用戶（GPS導(dǎo)航儀），對用戶的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，提高GPS定位的精度，是在正常的GPS外附加修正信號，通過改正信號改善GPS的精度。差分GPS測量則是使用兩臺以上的接收機對衛(wèi)星進(jìn)行同步觀測，這種觀測方式可以消除或者減弱定位過程中的某些誤差影響，例如衛(wèi)星鐘誤差、接收機鐘誤差等等。差分GPS定位可以分為3類，即位置差分、偽距差分、相位差分3種。

位置差分是一種最簡單的差分方法，任何一種GPS接收機均可以改裝和組成這種差分系統(tǒng)。安裝在基準(zhǔn)站上的GPS接收機觀測4顆衛(wèi)星后便可以進(jìn)行三維定位，解算出基準(zhǔn)站的坐標(biāo)，由于存在著軌道差、時鐘誤差、SA影響、大氣影響、多徑效應(yīng)以及其他誤差，結(jié)算出的坐標(biāo)與基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)是不一樣的，存在誤差。基準(zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈將此改正系數(shù)發(fā)送出去，由用戶站接受，并且對其解算的用戶坐標(biāo)進(jìn)行改正。最后得到的改正后的用戶坐標(biāo)已經(jīng)消去了基準(zhǔn)站和用戶站的共同誤差，例如衛(wèi)星軌道誤差、大氣影響等，提高了定位精度。位置差分法適用于用戶和基準(zhǔn)站間隔距離在100 km以內(nèi)的情況。

偽距差分是目前用途最廣的一種技術(shù)，幾乎所用的商用差分GPS接收機均采用這種技術(shù)。偽距差分是在基準(zhǔn)站的接收機要求得它至可見衛(wèi)星的距離，并為此計算出的距離與含有誤差的測量結(jié)果加以比較，利用一個濾波器將此差值濾波并求出其偏差。然后將所有衛(wèi)星的測距誤差傳送給用戶，用戶利用此測距誤差來改正測量的偽距。最后，用戶利用改正后的偽距解出本身的位置，就可消去公共誤差，提高定位精度。

載波相位差分是由測地型接收機利用GPS衛(wèi)星載波相位進(jìn)行的靜態(tài)基線測量獲得了很高的精度，但為了可靠的解出相位模糊度，要求精致觀測一兩個小時或者更長時間，這樣就限制了在工程作業(yè)中的應(yīng)用。探求快速測量的方法由此運用而生，例如采用模糊度快速逼近技術(shù)使基線觀測時間縮短到5分鐘，采用準(zhǔn)動態(tài)，往返重復(fù)設(shè)站和動態(tài)來提高GPS作業(yè)效率。這些技術(shù)的運用對于推動精度GPS測量起到了積極的促進(jìn)作用，但是上述作業(yè)方式都是事后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，不能實時提交成果和實時評定成果質(zhì)量，很難避免出現(xiàn)事后檢查不合格造成的返工現(xiàn)象。

2 差分GPS測量精度在水下測量中的應(yīng)用

差分GPS系統(tǒng)的發(fā)展給水下測量的平面定位帶來了極大的便利，根據(jù)水下測量工作所需要的精度不同，可以選擇不同的差分定位方式，目前常用的RTK模式、CORS差分模式、星站差分模式和信標(biāo)差分模式等等。

2.1 RTK模式

RTK作業(yè)使用的儀器為高精度的RTK型GPS接收機，一般是通過在已知點上自建基站，通過無線電臺傳送差分信號來實現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域的測量，其測量精度相對于起算點可以達(dá)到厘米級別（需要鎖定固定解，并靜止幾秒鐘），因此應(yīng)用十分廣泛。通常在進(jìn)行水下測量工作中，至少要求2人看水位做驗潮工作，而且側(cè)水工作還常常受波浪、船型姿態(tài)等影響，采用RTK技術(shù)進(jìn)行水下測量，可以利用其三維定位速度快、精度高的特點，施行無驗潮側(cè)水下測量工作，受波浪的影響較小，既節(jié)省了人力，又提高了測量的精度。RTK技術(shù)進(jìn)行水下測量作業(yè)有著極高的精度，觀測速度較快，可以全天候、高效率、實時性的進(jìn)行大規(guī)模的水下地形測量，而且RTK測量整個作業(yè)過程由電腦控制，自動記錄、自動數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動評查計算，操作簡單自動化程度高，可以大大的縮短水下測量的工作時間，提高水下測量工作的成果質(zhì)量。

2.2 CORS差分模式

CORS系統(tǒng)是由多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立的連續(xù)運行參考站系統(tǒng)，它可以為水下測量工作提供網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的實時差分服務(wù)。即只要在基站的覆蓋范圍內(nèi)，CORS可以通過使用大面積的局域網(wǎng)或者無線通信網(wǎng)絡(luò)來完成定時定位的探測工作，并且及時將數(shù)據(jù)采集、分析、處理、傳輸?shù)交窘K端上。CORS系統(tǒng)一般為收費服務(wù)，例如上海的VRS系統(tǒng)。在水下測量中應(yīng)用的優(yōu)點是信號覆蓋質(zhì)量較好，覆蓋范圍較大，一般的RTK型GPS接收機都可以使用，但成本較高，比較適合小面積內(nèi)短時間的水下測量作業(yè)，或者離水岸不遠(yuǎn)、不方便自設(shè)基站的情況下使用。

2.3 星站差分模式

星站差分GPS系統(tǒng)可以為全球用戶提供高精度實時差分定位服務(wù)，也稱為RTG，屬于廣域差分GPS的范疇。星站差分由提供差分服務(wù)的衛(wèi)星直接向GPS接收機發(fā)送差分信號，不需要用戶再建立基站，能夠在衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的任何地方得到實時差分的數(shù)據(jù)，因此對GPS接收機的門檻要求較高，需要GPS接收機具備接受差分衛(wèi)星服務(wù)的功能。星站差分系統(tǒng)在水下測量工作中的優(yōu)勢有很多，例如它可以一機多用，技術(shù)領(lǐng)先，星站差分模式通常是單機工作，有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口和豐富的擴展功能，具備RTK、靜態(tài)后處理、動態(tài)后處理多種工作模式；高效、便捷，可靠性高，星站差分模式高度集成，只需要一個人作業(yè)，省去了基站的建設(shè)和維護(hù)時間，單機操作提高了作業(yè)效率，并且出現(xiàn)故障的可能性也大大降低，并且接收機不需要配備較大的蓄電池，一塊8hA的電源接收機可以支持測量工作連續(xù)工作10小時左右，給外業(yè)測量減輕了很大的負(fù)擔(dān)，大量節(jié)省了水下測量工作耗費的人力物力、費用和時間。

2.4 信標(biāo)差分模式

信標(biāo)差分GPS技術(shù)是一種利用現(xiàn)有的海用無線電信電臺，在其所發(fā)射的信號中加上一個副載波調(diào)制，以發(fā)射差分修正信號，提供導(dǎo)航服務(wù)。一般信標(biāo)差分模式的精度可以達(dá)到亞米級，信標(biāo)臺站就相當(dāng)于GPS的基準(zhǔn)臺，擁有自己的頻率，發(fā)射功率強大，信號覆蓋面較為廣泛，一般在以信標(biāo)臺站為中心半徑300km的范圍內(nèi)進(jìn)行測量作業(yè)，由于信標(biāo)差分模式的導(dǎo)航型GPS接收機價格低，信號較為穩(wěn)定，是目前最方便廉價、在水下測量中應(yīng)用最廣泛的差分定位模式。在既需要GPS差分定位系統(tǒng)，又要節(jié)省設(shè)備投入的情況下，信標(biāo)差分是進(jìn)行水下測量工作最好的選擇。相對于其他自主差分模式而言，信標(biāo)差分減少了諸多GPS用戶自建數(shù)據(jù)鏈造成的相互干擾，緩解了電磁波使用頻段過于混亂的局面；信標(biāo)差分模式不需要人員去建設(shè)基站，直接由接收機接受公共差分?jǐn)?shù)據(jù)信息，操縱簡單、直觀，適合各個層次的工作人員共同使用。

3 結(jié)語

將差分GPS技術(shù)應(yīng)用在水下測量作業(yè)中，根據(jù)情況選擇不同的差分測量模式，可以大幅度減輕測量工作人員的勞動強度，充分發(fā)揮其實時實地的高精度定位優(yōu)勢。差分GPS在水下測量的應(yīng)用方法中，RTK差分、CORS差分和星站差分三種模式精度較高，覆蓋范圍內(nèi)的信號和精度穩(wěn)定，但都有各自的限制條件，RTK需要自建基站，CORS會收取一定的網(wǎng)絡(luò)通信費用，星站差分則需要一臺可以滿足接受衛(wèi)星信號要求的GPS接收機，信標(biāo)差分雖然儀器價格低廉，信號免費，但水下測量工作受到信標(biāo)臺站的距離約束，離信標(biāo)臺站越遠(yuǎn)則測量精度越差，因此在實際的水下測量工作中，應(yīng)該根據(jù)實際的情況需要，選擇適用的差分模式進(jìn)行水下測量工作。

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