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无验潮模式下的GPS水下地形测量的应用[]

摘要：本文介绍了无验潮模式下gps水下地形测量的工作原理，

着重分析了船体姿态对测量精度影响，归纳总结了该模式下水下地

形测量的工作流程和提高测量精度的相关措施，同时结合工程实例

验证了无验潮模式下的gps水下地形测量符合绘制大比例尺地形图

的精度要求。

关键词：无验潮模式；gps；水下地形测量；精度分析

1引言

传统的水下地形测量为了获得每一时刻的潮位，需设立验潮站

以进行验潮观测，将观测的潮位资料进行内插，以作为水下地形点

高程的起算面。此方法工作量大，并且当测区超出验潮站的有效作

用范围时将难以获得水下地形高程数据。随着otf技术的日益成

熟,整周模糊度可以在很短的时间内被精确确定,从而保证了gps

载波相位实时差分技术（rtk）能够在动态环境下获得厘米级的水

平定位精度和高程定位精度[1]。这使得在无验潮模式下采用

gps-rtk进行水下地形测量成为可能。本文通过不同水域的工程实

例论证采用gps-rtk作业方式的可行性与可靠性，并且详细叙述了

水下地形测量的作业步骤。

2无验潮模式的水下地形测量原理与方法

2.1工作原理

在无验潮模式下，在已知点上架设基准站，同时将gps流动站

架设于换能器正上方，利用gps差分测量精确获取流动站相对基准

站的相对高差，并通过该相对高差反求流动站的gps相位中心的高

程，利用测量所得的gps高程以及测深数据，从而求出水底地面高

程[2]。

测量原理如图1所示，

图1中，已知点的正常高为，基准站天线高，流动站天线高（gps

天线相位中心到换能器的垂距），测深数据为，基准站gps天线处

的大地高和正常高分别为，，流动站gps天线处的大地高和正常高

分别为，，高程异常为。

由图1可知，基准站、流动站天线相位中心的正常高为：

(2)式中为换能器相对于高程基准面的瞬时高程。

当基准站与流动站之间的距离不是很远(30km以内)时，则下

式成立

(3)

顾及式(1)、(2)，则为

(4)

故水底地面的高程为

(5)

上述测量方法摒弃了传统的潮位观测，实施操作起来简单、快

捷，大大提高了工作效率。但是，采用此方法时船体姿态对测量精

度有一定的影响。

如图2所示，联杆长度l，θ为测深仪的半波束角。由于波浪造

成船体晃动，从而使连接换能器与gps的联杆在垂直方向产生倾斜

倾角，从而导致gps测量产生水平位移δs和垂直位移δh。

(6)

(7)

由上式可知δs、δh的大小主要受和l影响，l主要是由仪器

决定，一般在2米左右，取l为2米，δs、δh受大小的影响见表

1。

由表1可知，采用无验潮模式水下地形测量时应尽量选择波浪

较小时测量，因船体姿态而造成的应尽量控制在6°以内。联杆倾

角增大对gps的平面精度影响较大，而对高程影响较小，故在波浪

较大的水域测量时应对gps平面位置进行改正，当联杆倾角达到

15°时，高程影响将无法忽略，需对高程加以改正。同时当时，测

深仪信号将超过半波束角范围，将产生附加的测深误差，应加以测

深数据改正[3]。

2.2工作流程与质量控制

2.2.1工作流程

（1）计算测区wgs-84坐标与地方坐标系的坐标转换关系。测

量测区中均匀分布的4个以上已知点，通过gps测得的wgs-84坐

标与已知点的地方系坐标，计算出两坐标系之间的转换参数，可采

用bursa模型计算[4]。

（2）基站设置。在已知点上架设基站，设置基站的投影形式，

中央子午线经度，坐标转换参数等参数，同时设置流动站相应参数。

并将流动站架设在已知点上检验坐标转换参数是否符合测量精度。

（3）流动站设置。将gps流动站与测深仪连接，并将联接杆垂

直固定在船的中部。通过连接线将gps与测深仪相应端口相连，