星站差分用于遠(yuǎn)海航道疏浚施工實(shí)時(shí)水位控制的可行性分析

王瑞

（中交華南勘察測繪科技有限公司，廣東 廣州 510220）

引言

在現(xiàn)階段疏浚船舶所使用的智能化挖泥系統(tǒng)中，起到重要作用的就是水位改正，疏浚工程施工過程中對水位進(jìn)行精準(zhǔn)實(shí)時(shí)的獲取十分關(guān)鍵，尤其在是當(dāng)前中國一帶一路的戰(zhàn)略背景下，港口的建設(shè)向大型化、深水化發(fā)展，我國也加大了遠(yuǎn)距離深水航道建設(shè)的步伐，此點(diǎn)顯得更為重要，實(shí)時(shí)與精確的水位控制可有效控制超挖、減少廢方，對提升疏浚工程的質(zhì)量起到重要作用。

1 現(xiàn)有水位控制方法

對海水面高度伴隨時(shí)間變化的規(guī)律進(jìn)行測量就是水位測量，目前可選擇的技術(shù)方法主要有四種，水尺驗(yàn)潮、驗(yàn)潮井驗(yàn)潮、超聲波驗(yàn)潮以及壓力式驗(yàn)潮儀，以上水位測量方法所采取的方式均為定點(diǎn)測量，定點(diǎn)測量水位非常容易受到氣候、河流、岸灘和海底地形等因素的影響，進(jìn)而使觀測得到的水位數(shù)據(jù)不能很好地代表整個(gè)施工區(qū)域的水位特點(diǎn)，無法將施工區(qū)的潮汐特征準(zhǔn)確表達(dá)。對于遠(yuǎn)海超長航道疏浚工程的水位控制，目前比較成熟的解決方案有直接潮位觀測，即在疏浚區(qū)域設(shè)立潮位站直接觀測潮位；水位推算，通過潮位模型對施工船舶位置的天文潮位進(jìn)行預(yù)報(bào)，結(jié)合已知站余水位對預(yù)報(bào)天文潮位進(jìn)行訂正；水位傳遞，即根據(jù)2個(gè)或2個(gè)以上有效距離控制內(nèi)的已知站進(jìn)行分帶內(nèi)插改正。

以上方法解決了水位獲取的問題，而如何把獲取的水位實(shí)時(shí)傳輸?shù)绞┕ご?，指?dǎo)船舶進(jìn)行施工也是一個(gè)問題。隨著施工區(qū)域的不斷向外海延伸，信息傳送的間距也在拉長，受限于通訊外部環(huán)境，現(xiàn)有的做法如通過高頻、短信、無線電等進(jìn)行水位傳輸?shù)姆绞揭巡荒軡M足遠(yuǎn)海航道疏浚施工的要求。后來出現(xiàn)的 RTK水位測量技術(shù)可以不受動(dòng)態(tài)狀態(tài)影響，獲取的三維坐標(biāo)達(dá)到厘米級，實(shí)時(shí)性方面性能較好，但是測量的作用距離也受無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，一般情況下作用距離只能達(dá)到20 km；PPK潮位測量，與 RTK潮位測量原理相似，但采用的后處理技術(shù)，雖然作用距離不受數(shù)據(jù)傳輸?shù)募s束，但不能滿足施工水位的實(shí)時(shí)需求。

綜上所述，在遠(yuǎn)海航道疏浚施工中，由于離岸較遠(yuǎn)，現(xiàn)有的水位控制至少存在兩個(gè)問題，一是獲取的水位不能準(zhǔn)確反映施工船舶所在位置的實(shí)際水位值，二是獲取的水位值不能實(shí)時(shí)的傳輸?shù)绞┕ご啊?/p>

2 星站差分GPS簡介

星站差分GPS屬于廣域差分GPS范疇，目前應(yīng)用比較廣泛的星站差分系統(tǒng)有三種，分別是Navcom公司的Star Fire TM系統(tǒng)、Fugro公司的Omini STAR系統(tǒng)以及Subcea7公司的Veripos系統(tǒng)。

文中展開的論述是以“中國精度”作為代表，同時(shí)它也是我國第一個(gè)全球星基增強(qiáng)服務(wù)系統(tǒng)。“中國精度”系統(tǒng)的正式發(fā)布時(shí)間及提供全球范圍服務(wù)的時(shí)間是2015年6月15日，該系統(tǒng)也標(biāo)示我國在星基增強(qiáng)服務(wù)系統(tǒng)中第一次達(dá)到世界領(lǐng)先、全球覆蓋。“中國精度”建設(shè)完成投入使用后，不需要進(jìn)行基站架設(shè)，用戶就能夠在世界任何地方享受到由亞米級到分米級再到厘米級多種層級的高精度定位服務(wù)。在國外市場進(jìn)行服務(wù)推廣時(shí)，該系統(tǒng)名是“atlas”。

圖1 中國精度系統(tǒng)架構(gòu)

對于星基增強(qiáng)系統(tǒng)，是憑借全球建設(shè)的CORS站，經(jīng)由信息通訊網(wǎng)絡(luò)再到系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，計(jì)算出三類廣域差分修正值，具體包括每一顆GNSS衛(wèi)星的星歷改正、鐘差改正和電離層時(shí)間延遲改正等參數(shù)，再經(jīng)由信息通信網(wǎng)絡(luò)將上述差分信息傳輸?shù)綄Ｓ玫耐ㄓ嵭l(wèi)星，通訊衛(wèi)星和地面之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ǘ螢長波段，地面客戶端通過終端設(shè)備來接收差分信號，接收機(jī)的數(shù)據(jù)通過差分信號改正，在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)米級、分米級、厘米級多層級的精準(zhǔn)定位。

3 星站差分高程精度評定

星站差分高程精度評定分為靜態(tài)高程精度評定和動(dòng)態(tài)高程精度評定，實(shí)驗(yàn)所選的儀器是UniStrong G10A星站差分RTK系統(tǒng)，支持L-Band“中國精度”星站差分，無需架設(shè)基站，單機(jī)厘米級定位，“中國精度”定位高程精度10～15 cm。

3.1 靜態(tài)高程精度分析

1）靜態(tài)測試方案

靜態(tài)高程精度分析在已知控制點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位測試，設(shè)置接收機(jī)為“中國精度”差分信號改正模式，待其固定解后，通過長時(shí)段的采集，將采集的高程數(shù)據(jù)求取平均值作為真值，計(jì)算已知控制點(diǎn)高程值與真值的較差，整理統(tǒng)計(jì)差值并深入分析，上述工作的目的是判別高程精度能否滿足標(biāo)稱精度的要求。

圖2 靜態(tài)數(shù)據(jù)采集

2）實(shí)驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)觀測時(shí)，數(shù)據(jù)采集在已知控制點(diǎn)分兩個(gè)時(shí)段進(jìn)行，共計(jì)記錄的點(diǎn)位信息數(shù)據(jù)18 552條，采樣率為 1 s。對比已知值和觀測值可知，最小差值是-0.058 m，最大差值是0.320 m，計(jì)算得到平均值為0.092 m，中誤差0.069 m，觀測高程平均值18.705 m，已知高程值18.613 m，誤差0.092 m。

表1 已知值和觀測值差值統(tǒng)計(jì)

圖3 誤差值分布

3.2 動(dòng)態(tài)高程精度分析

1）動(dòng)態(tài)測試方案

動(dòng)態(tài)高程精度分析擬通過在測量船加裝星站差分接收機(jī)，與PPK潮位測量系統(tǒng)的流動(dòng)站進(jìn)行同步采集數(shù)據(jù)，采集所用軟件為自編GPStide軟件，比對星站差分接收機(jī)采集的在航潮位數(shù)據(jù)與 PPK潮位測量經(jīng)過后處理的在航潮位數(shù)據(jù)，對潮位曲線及差值進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，以評定高程精度是否能滿足水位控制的要求。

圖4 動(dòng)態(tài)測試數(shù)據(jù)采集

2）實(shí)驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)分析

總共分三天進(jìn)行了三次外業(yè)采集，第一次比對時(shí)間為4月25日8：10—15：30，第二次比對時(shí)間為5月12日10：40—17：50，第三次比對時(shí)間為5月23日11：50—19：00，比對結(jié)果按照每10分鐘一次分別形成星站差分觀測潮位及 PPK后處理潮位。第一次觀測星站差分潮位與PPK潮位比對最大差值22 cm，最小差值-2 cm，平均差值8 cm；第二次觀測星站差分潮位與 PPK潮位比對最大差值21 cm，最小差值3 cm，平均差值10 cm；第三次觀測星站差分潮位與PPK潮位比對最大差值18 cm，最小差值-5 cm，平均差值6 cm。具體觀測及比對結(jié)果見圖5～7。

圖5 潮位比對曲線1

圖6 潮位比對曲線2

圖7 潮位比對曲線3

3.3 比對結(jié)果評定

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果，G10A星站差分通過長時(shí)間的靜態(tài)觀測，觀測高程平均值與已知點(diǎn)高程相差9.2 cm，中誤差6.9 cm，其中平均值與已知點(diǎn)高程誤差在20 cm內(nèi)的占90 %；靜態(tài)觀測的高程平均值與已知點(diǎn)高程的差值可理解為星站差分與PPK后處理的系統(tǒng)誤差，本實(shí)驗(yàn)取-9 cm，故動(dòng)態(tài)過程中通過星站差分觀測潮位與 PPK后處理潮位的三次比對結(jié)果見表2、表3。

表2 星站差分潮位與PPK潮位動(dòng)態(tài)比對

表3 改正后星站差分潮位與PPK潮位較差數(shù)量統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對結(jié)果可以表明，G10A星站差分接收機(jī)通過接收“中國精度”差分改正信號，不管是在靜止?fàn)顟B(tài)測量或者動(dòng)態(tài)測量過程中，其高程定位精度都非常高，完全滿足標(biāo)稱的高程精度10～15 cm的要求。

4 結(jié)論

社會(huì)發(fā)展科技進(jìn)步，差分GPS技術(shù)也在不斷更新發(fā)展，筆者通過實(shí)驗(yàn)印證了近些年發(fā)展迅速的星站差分GPS技術(shù)所具有的高精度、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)等優(yōu)良特性，不用架設(shè)基準(zhǔn)，在沒有公網(wǎng)通訊信號的區(qū)域通過接收衛(wèi)星差分信號即可獲取高精度的位置信息，此優(yōu)勢彌補(bǔ)了目前遠(yuǎn)海航道疏浚施工中現(xiàn)有的水位控制所面臨的遠(yuǎn)距離潮位數(shù)據(jù)傳輸及不能準(zhǔn)確反映施工船舶所在位置的實(shí)際水位值的問題，這為使用星站差分 GPS進(jìn)行遠(yuǎn)海航道疏浚施工實(shí)時(shí)水位控制奠定了基礎(chǔ)。

疏浚項(xiàng)目依托于疏浚船舶，而如何將星站差分技術(shù)同現(xiàn)有疏浚船舶有效結(jié)合獲取實(shí)時(shí)水位是筆者下一步探索的方向，比如如何解析星站差分GPS串口數(shù)據(jù)，如何結(jié)合船的吃水、GPS安裝高度、船速等來測量水位，如何實(shí)現(xiàn)星站差分大地高基面向施工基面的轉(zhuǎn)換等，這些問題都有待進(jìn)一步探討。