关键词：海洋测量  精密水深测量  差分定位技术  数字测深仪 
论文摘要：水深测量时海洋测量、内陆湖泊及河道测量中一项常规的测量项目，海洋精密定位及水深测量技术随着设备的不断改进发生了巨大的变化，现阶段主要使用GPS、RTK、DGPS及数字测深仪，本文主要探讨精密水深测量的方法及其误差来源。  
0 引言  
随着人类对地球科学研究的不断发展，对海洋的研究也越来越深入，大面积的海图测绘、深海水下地形测量、近岸浅海地区海底滩涂测绘、港口工程施工、港口清淤、航道测量等工程项目也越来越多，传统的测量方法如罗盘和六分仪定位，测深绳、测深杆、测深铅鱼等已远远不能满足要求，其精度太差，效率太低，只能满足粗略绘制海图的要求。随着卫星定位、声波测深、激光测深、遥感探测等技术的不断发展，海洋测量已越来越向现代化、高效率、高精度发展。  
1 使用GPS进行海洋测量精密定位的方法  
交通部海事局建立的中国沿海无线电指向标差分GPS定位系统(RBNDGPS)由20个基准台站组成，已经全面投入使用。系统有效作用距离300公里，基本覆盖了我国海道测量活动的区域；定位精度优于5米，可以较好满足大比例尺沿岸海道测量对导航、定位的精度要求。但其测高精度同样无法满足基于GPS技术的水位改正方法的需要。双频GPS动态测量数据的事后精密处理技术（GPS－PPK也称为或后处理RTK）已经日益成熟，其测量精度可与GPS RTK媲美，作用距离却远远超过RTK技术所能达到的水平，又不需要实时通讯的数据链。  
根据海洋测量规范要求，同时考虑实时导航的需要、大地高精度要求、设备运转成本等多种因素，精密海洋测量的定位系统应该采用无线电指向标差分GPS定位系统（RBNDGPS）实时导航定位与GPS PPK动态数据后处理相结合的技术方案。如图1所示，实时导航定位由RBNDGPS系统支持，可实时提供优于±3米的定位数据。双频载波相位测量部分观测并记录载波相位数据，在数据后处理时，可以计算米级精度水平的平面位置，同时计算出用于水位改正使用的GPS大地高。基准站的配置只需一台大地测量型双频GPS接收机，使用台式机或笔记本电脑直接采集测量数据。  
2 使用GPS进行海洋精密水深测量的方法  
2.1 多波束水深测量系统应用于水深测量 对海底地貌的全面探测和精细描述。现阶段最流行的方法就是多波束水深测量系统，与单波束采集系统相比，多波束水深测量系统每采样一次，可以获取垂直于航道方向上的数十个甚至是几百个水深数据因此可以快速、精确测量测线两侧一定宽度范围内多个点的水深，从而探测海底地貌。多波束测深系统的工作原理如图2所示。  
2.2 GPS和数字测深仪应用于水深测量  
2.2.1 水深测量的基本作业方法及步骤 水深测量的作业过程主要由承载测船和作业系统实现，作业系统主要由GPS接收机、数字测深仪、计算机及专用软件等组成。整个程序分测前准备、外业数据采集、内业数据处理、成果输出等几个阶段。  
①水深测量前期准备工作：a选择一个位于测区大致中心、视野开阔、位置较高的地方架设RTK基准站；b点校正:通过测区某两已知点的WGS84坐标及北京54或西安80坐标，求出转换参数；c初步布设测深作业线。如果已有测量断面就要重新布设,也可加密。  
②外业数据采集 a检验基准站坐标，排除基准站坐标转抄错误等粗差因素；b连接并启动测深作业系统。做好如下设置：定位仪与测深仪接口、接受机数据格式、测深仪配置、天线偏差改正等。校正完成后，开始测量；c水深测量原理:水底高程H底=H-(h+Z)；水深Zm=Z+Z0  
H底为水底高程，H为RTK测得的高程，h为测深仪探头到GPS天线的高度，Z为测得的水深，Z0为设定吃水，Zm为绘图水深。  
③内业数据处理 内业数据处理是指利用相应数据处理软件对水深测量数据进行处理，形成所需要的测量成果(水深图及其统计分析报告等)，并输出成果。  
3 DGPS水下立体定位系统在水深测量中的应用  
3.1 差分全球定位系统(DGPS)简介 差分全球定位系统(Differential Global Position System，简称DGPS)，是在GPS的基础上利用差分技术使用户能够从GPS系统中获取更高的精度。DGPS的实质是把一台GPS接收机放在已精确测定其位置的点上，组成基准台。基准台接收机通过接收GPS卫星信号，测得并计算出到卫星的伪距，将伪距和已知的精确距离相比较，求得该点在GPS系统中的伪距测量误差，再将这些误差作为修正值以标准数据格式通过播发台向周围空间播发。附近的DGPS用户接收到来自基准台的误差修正信息，以此来修正自身的GPS测量值，从而大大提高其定位精度。差分技术的基础是：在同一地区内，GPS缓慢变化的系统误差，包括选择可用性(SA)误差，对基准台及其邻近用户的影响是相同或相近的。应用差分技术可有效地削弱SA、电离层延迟、大气层延迟、星历误差、卫星钟误差，达到米级定位精度。   
3.2 差分全球定位系统(DGPS)在海洋测量中的应用 DGPS水下立体定位系统包括主要包括差分GPS定位系统、GPS浮标系统、水下收发机系统、船基控制中心系统几个部分。其中差分GPS定位系统能够实时提供GPS浮标的坐标，作为水下收发机位置解算的基准数据。GPS浮标系统是用来检测、接收水下收发机发送的定位信号，精确测量水声信号到达的时间，并将其数据通过电台发送到系统控制中心。水下收发机系统主要产生定位信号并根据控制中心指令控制定位信号的发射。船基控制中心包括多通道浮标接收机和数据处理工作站，负责整个系统的监视、水下收发机的定位解算和命令控制等。  
4 水深测量误差来源及精度分析  
在实际使用无验潮方式进行水深测量时，测量结果精度会由于船体的摇摆、采样速率、同步时差及RTK高程的可靠性等因素造成的误差的影响，这些误差远远大于RTK定位误差，从而成为无验潮方式水深测量精度提高的瓶颈因素。  
4.1 动态吃水及船体摇摆姿态的修正 动态吃水改正指的是测深船的静态吃水深度加上船体自重下沉和颠簸的总和，是需要求平均值的不定值，是精密水深测量的重要误差来源。船的姿态可用电磁式姿态仪进行修正，修正包括位置的修正和高程的修正。姿态仪可输出船的航向、横摆、纵摆等参数，通过专用的测量软件进行修正。  
4.2 采样速率及延迟造成的误差 GPS定位输出的更新率将直接影响到瞬时采集的精度和密度，现在大多数RTK方式下GPS输出率都可以高达20HZ，而测深仪的输出速度各种品牌差别很大，数据输出的延迟也各不相同。因此，定位数据的定位时刻和水深数据的测量时刻的时间差造成定位延迟。对于这项误差可以在延迟校正中加以修正，修正量可在斜坡上往返测量结果计算得到，也可以采用以往的经验数据。  
4.3 RTK高程可靠性的问题 RTK高程用于测量水深，其可靠性问题是倍受关注的问题。在作业之前可以把使用RTK测量的水位与人工水准观测的水位进行比较，判断其可靠性。为了确保作业精度，可从采集的数据中提取RTK高程信息绘制水位曲线。根据曲线的平滑程度来分析RTK高程有没有产生个别或部分点出现急剧升高或降低的情况，然后使用修正的方法来改正个别高程存在错误的点。  
5 结论和展望  
在水深测量的船只姿态改正、浪涌改正、吃水改正、导航定位软件记录数据与测深仪测深时刻的同步性等方面还有很多需要研究的地方。利用GPS技术进行海洋精密定位及水深测量具有很大的优越性，具有推广价值，尤其在内陆水域及近海海洋测量中应用前景良好。  
参考文献：  
[1]牛鱼龙. GPS知识与应用[M]，深圳：海天出版社.2005.203-204.  
[2]许新发等. 多波束水下测量超声仪在水利工程中的应用[J].水利水电技术，2003.34(6):60-61.  
[3]高成发.GPS测量原理与应用[M].北京：人民交通出版社.2002.199-201.