淺析航道工程測繪中GPS高程測量技術應用

李艷芳，金 彪

（1.長江航道測量中心，武漢　430010；2.中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，武漢　430000）

許多沿海和內陸水道的運營，包括導航和維護導航通道都需要盡可能高的定位精確。在五大湖地區，河床非常淺，航道需要沿著很多很長的路段進行疏浚。為了讓遠洋船只往返蒙特利爾和五大湖港口，需要密切監測河床和水位，以協助船舶調整其吃水深度。如果在春季冰有破裂，情況變得更加復雜，船舶的吃水深度控制起來更加不便，這可能導致直徑達很大的巨石進入航行通道。在冰破裂之后，立即使用裝有超聲波系統的水文儀器重新測量通道，以便探測和清除在春季可能出現在航道上的大石和沉積物?？紤]到上述運行條件，在水文和疏浚作業以及狹窄水道中的船舶導航時，非常希望得到比較高的垂直定位精度。一些需要高度精確度的船載應用也可以從厘米級定位系統中受益。所以GPS高程測量技術在航道工程中有很好的應用前景。

1　GPS高程測量法的介紹

1998年和1999年在加拿大圣勞倫斯海道進行的實地試驗，調查了大幅減少參考站數量的方法。試驗與太陽最大值的接近導致了非常高的大氣水平活動。說明了航道測繪中GPS高程測量技術的應用前景。

使用需要整數載波相位模糊度分辨率的高性能實時運動學（RTK）差分GPS，這種方法顯然是可能符合分米精度目標的選擇方法。垂直分量是最關鍵的，因為深度精度將對阻塞檢測和疏浚成本產生重大影響。

另外，如果能夠準確地和直接地建立關于岸基參考站的床剖面，船舶可以使用相同的系統來測量它們的龍骨下間隙。這種能力與實時水位預報系統和電子海圖相結合，可以提高航行安全性，并最終可能導致最低限度通關要求的下降，從而提高航道能力。

為了在大多數情況下實時運動學差分GPS方法有效，包括高水平的電離層活動，船舶與最近的參考站之間的距離不得超過15至20千米。鑒于高配置和維護成本，所需參考站的高密度通常不能從運營方面接受。另一種方法是使用多參考站方法來解決整數模糊。在過去的幾年里，卡爾加里大學開發了一種有效的方法來完成這項任務，這個公式很簡單，可以實時實現操作?，F場測試在1998年11月和1999年8月進行，使用在圣勞倫斯河沿岸至多五個永久性無線電信標臺和內陸臨時地點收集的GPS測量數據。在1998年11月的測試中，收集了五個無線電信標臺站和水文船。在1999年8月的測試中，除了四個臨時站點之外，還使用了五個無線電信標臺站中的三個。實時運動學差分GPS方法的原理是，只要代碼和載波相位可觀測誤差得到糾正（或最小化），就有可能解決較長距離上的整數模糊度，這增加了可實現的準確度 用戶。

2　GPS高程測量技術的發展

Smith在1998年11月23日至12月4日期間。在CCG無線電信標收集數據的速率為每秒一次。所有臺站都配備了Ashtech Z-12接收器。在測試過程中發現電離層非?；钴S，位置坐標域的RMS差分效應為3至4 ppm，最大差分效應遠遠超過10 ppm。如果兩個接收器之間的距離在這種情況下為100千米，即使整數模糊度得到正確解析，也會出現30至40厘米的相對位置誤差，除非可以使用無電離層模糊度。

協方差矩陣必須是已知的?？梢愿鶕祵W函數的知識計算這些矩陣的每個元素，這些函數映射相關誤差（大氣延遲和衛星位置誤差）在網絡覆蓋的區域上的行為方式以及它們對衛星高程的依賴性。另外，有必要知道網絡中每個臺站的不相關誤差（多徑效應和接收機噪聲）的方差。因此，協方差矩陣的元素可以通過將協方差函數組合相關和不相關方差來適當地估計。

3　航道工程中的GPS改進方法

在航道工程領域中，使用了已知的雙差分整周模糊度，因為目標是驗證方法帶來的改進程度，而不受模糊度修正過程的影響。由于這個要求，具有多參考站方法的固定整數WL模式（這將是最簡單的可操作使用的整數模式）對于任何坐標分量都會產生優于10厘米的RMS協議。由于大氣和軌道誤差的差異效應是用多參考站方法有效建模的，使用無電離層的可觀測量雖然仍能將精度提高幾厘米。

使用多參考站方法獲得的改進是50%。與1998年11月的結果相比，增加密度并改善網絡布局，顯著改善了結果。電離層的微分效應大大降低，這主要歸功于較短的基線。較短的基線也導致了位置域更好的一致性，可以看出：多參考站方法導致最高達64%的改善。這是我們希望實現的結果對于模糊域分析，兩個基準線都使用單參考站和多參考站觀測值處理兩個24小時周期，每十分鐘重新開始一次模糊度計算，以便每天生成約144個樣本。然后將解決的整數模糊度與Bernese軟件在批處理模式下獨立獲得的整數模糊度進行比較?？梢钥闯?，通過使用多參考方法，可以改進所有三種比較類型。即使使用單參考觀測，修正后的修正百分比也高于88%，這可以通過在相對較短的基線上使用WL觀測值來解釋。然而，由于波長和差分誤差之間的不利比例，整數模糊度的分辨率相對困難。這就是使用單參考站方法時成功率僅為21%或更低的原因。

多參考站方法允許參考站之間的間距更大，因此非常顯著地降低了物流，運營復雜性和成本。然而，多參考站方法允許的參考站間距仍然取決于差分GPS誤差的水平，其中主要一個是電離層。本文所述的測試是在加拿大東部預計的最高電離層活動水平之一下進行的。在高水平的電離層活動下，即使載波相位模糊的整數性質丟失，使用無電離層數據也可能比單頻或寬巷數據更好。當使用浮點模糊來定位漫游車時，發生8%到9%的額外平均降級，當在參考網絡和漫游車中使用浮點模糊度時，與在任何地方使用整數模糊度相比，累計降低高達16%。然而，多參考方法中的浮點模糊的使用在運行上比整周模糊更強大，但仍然很難達到小于10厘米的精度水平

4　結束語

本文簡要分析了航道工程中GPS高程測量技術，有效地解決整數模糊問題，在航道工程領域中，使用了已知的雙差分整周模糊度，因為目標是驗證方法帶來的改進程度，而不受模糊度修正過程的影響。多參考站方法允許參考站之間的間距更大，因此非常顯著地降低了物流，運營復雜性和成本。并將精度性能提高到10厘米，這是水文學操作的垂直分量非常理想的精度水平，導航通道受限制。多參考站方法允許參考站之間的間距更大，因此非常顯著地降低了物流，運營復雜性和成本。然而，多參考站方法允許的參考站間距仍然取決于差分GPS誤差的水平，其中主要一個是電離層。本文所述的測試是在加拿大東部預計的最高電離層活動水平之一下進行的。在高水平的電離層活動下，即使載波相位模糊的整數性質丟失，使用無電離層數據也可能比單頻或寬巷數據更好。

[1]陳洪艷.航道工程測量中多項式高程擬合的應用述要[J].珠江水運，2010年01期.

[2]程偉.淺談GPS在湖區航道工程中的應用[J].工程與建設，2015年08期.

[3]代勛.網絡GPS技術在航道工程中的應用[J].企業科技與發展，2013年05期.