PPK技术在大面积水下地形测绘中的应用

　　测深仪结合RTK或CORS定位是目前水下地形测量的常用方法，但当测量水域较大或通讯信号很差时，这两种方式无法建立数据链路进行差分，导致难以满足要求。下面文章通过开发相关软件实现将GNSSPPK解算的定位点结果以时间戳为准与单波束测深点进行自动匹配。经实地静态和动态测试，该方法的精度与RTK或CORS相当，可以满足大面积水下地形测量的需求，显著提高了作业效率。

　　关键词:PPK,单波束测深仪,水下地形测量,应用

　　目前，测深仪结合RTK(Real-TimeKinematic)或连续运行基准站系统(ContinuousOperationalReferenceSystem，CORS)定位是大比例尺水下地形测量的常用方法，RTK或CORS定位方式具有全天候、操作简单的优点，并能实时快速地提供给测深仪厘米级的定位结果。这两种方式都需要在作业过程中保持与基准站的数据链接[1-4]，并且单基站RTK作业距离受电台信号覆盖范围限制，一般约10—15km[5]。在大面积水域、线性狭长河道或近海无手机信号区域，这两种方式都难以满足要求。GNSS动态后处理差分(PostProcessingKinematic，PPK)技术可作为上述情况下的替代手段进行定位，满足大比例尺水下测量需求。

　　1GNSS-PPK技术原理

　　GNSSPPK测量时不需要建立实时通讯传输差分信号，而是利用基准站和流动站对相同GNSS卫星进行同步观测，对其数据进行后差分处理，获取流动站每个时刻的三维坐标。PPK作业时一般使用一台GNSS接收机架设在已知坐标的基准站，进行连续静态观测，使用另外一台或几台接收机在初始化后作为流动站进行数据采集工作。为了准确解算整周模糊度，流动站在测量过程中需要保持对卫星的连续跟踪，一旦失锁需要重新进行初始化，初始化时间取决于基线长度和卫星数量，一般为5—15min不等[6-9]。

　　观测完毕后，将基准站数据和流动站数据进行解算，形成虚拟的载波相位观测量，确定相对位置，然后使用基准站的准确三维坐标进行约束，获得流动站测点的绝对三维坐标。PPK技术的主要特点是不需要与基准站进行实时通讯，流动站只需要初始化后即可进行采集，因此作业范围可扩展到50km以上，由于不同解算软件解算精度不同，建议流动站作业半径不超过100km[5]。

　　2GNSS-PPK结合测深仪的作业方法

　　在进行PPK水下地形测量时，首先在岸边合适位置架设基站，然后将流动站与测深仪连接，测量过程中流动站接收机同步记录数据。测量完毕后，首先导出基站和流动站数据进行PPK解算，然后对测深仪记录文件进行声速、潮位改正，并输出带有时间的点位数据，最后利用匹配软件与测深仪记录的测深点进行自动匹配，即可输出具有精确坐标的测深数据。

　　2.1作业方法

　　在单波束水下地形测量时，采集的每个水深点都需要打上一个实时坐标，测深值和定位点一一对应。PPK模式中流动站采集的实时坐标是单点定位的结果，误差较大，只有与基站进行后处理后才能得到高精度的三维坐标，因此需要在后期处理中，将测深值同定位点进行匹配，以达到大比例尺测图的精度要求。

　　通过研究测深仪记录的文件发现，每个测深值前都有实时的时间戳，这个时间是由流动站GNSS接收机实时记录的，在PPK解算的定位成果中也有每个记录点的时间，这样就建立起了PPK定位点和记录的测深值之间的联系。

　　在进行测深记录时间和定位记录时间匹配时，需要注意两套时间的闰秒问题。目前在测深仪中普遍使用的是UTC时间，而PPK解算出的成果是GPS时间。UTC时间即协调世界时，该时间以原子秒长为基础，在时刻上与世界时差距不超过0.9s。GPS时间严格采用原子秒长为单位进行计时，时间原点在1980年1月6日0时与UTC时间对准。由于地球自转速度不均匀，UTC时间与GPS时间之间的时差便逐年积累，因此为了保证UTC时间的准确性，每隔数年采用闰秒的方式，使UTC时间与世界时保持一致，这样导致UTC时间和GPS时间相差一个闰秒值。

　　经过数次闰秒，目前，UTC时间和GPS时间的闰秒值为18s，因此在进行点位匹配时需要在UTC时间上加上18s与GPS时间对应[10-11]。目前，支持PPK作业的硬件和软件很多，徕卡、天宝、中海达、南方等GNSS接收机均支持该采集模式，且配套有相应的PPK解算软件[12-13]。但目前尚没有完善的单波束数据处理软件支持将PPK处理后的坐标与测深记录值进行匹配[14]。基于以上需求，开发了自动匹配软件，该软件可将PPK解算的定位点数据按照闰秒后的时间与测深值进行匹配并投影输出。软件目前支持中海达、南方测深仪的测深数据导入，支持HGO、WayPoint软件后处理解算结果的导入。

　　2.2注意的问题

　　1)在进行作业时，需要注意基站的开机时间应在流动站开机时间之前，基准站关机时间在流动站关机时间之后，并且因为PPK解算需要一定的收敛时间，所以，最好在流动站开始记录5min后再开始测深作业。

　　2)测量过程中记录的定位数据均为WGS-84大地坐标，后期成果根据任务需求进行投影和坐标转换。基站和流动站记录的时间间隔最好为1s或更小，以保证定位点的密度。

　　3)因为基站GNSS接收机需要架设在水边，因此最好选择大地型接收机，以减小多路径效应的影响;

　　4)目前，单波束测深仪的打标方式有按距离打标和按时间打标，在使用PPK作业时，由于实时定位精度为米级，按距离打标可能会存在打标点不均匀的问题，因此最好根据行船速度采用按时间打标的方式。

　　3实例测试与分析

　　实验测区位于内蒙古呼伦湖，该湖是内蒙最大的湖泊，全国第四大淡水湖，南北方向跨度达90km，东西方向跨度达30km，设计水下地形成图比例尺为1∶10000，使用RTK方式进行测量时电台信号难以完全覆盖，而且由于草原上手机信号较差，NMCORS也很难发挥作用，因此尝试使用PPK技术进行作业。项目中测深仪采用中海达HI-MAX，其内置采集导航软件，定位系统采用南方银河系列，PPK后处理软件采用诺瓦泰公司的GrafNav/Net，该软件中的PPK解算模块算法先进，数据处理精度可达到厘米级。

　　3.1静态测试

　　为验证PPK解算成果在静止状态下的精度，在某国家等级点上进行采集，并分析其精度，等级点距基站约10km。流动站在已知点收敛5min后，连续测量3min，采样间隔1s，共采集了180个坐标点，坐标点3个方向的，北方向最大偏差12.3cm，东方向最大偏差11.2cm，高程方向最大偏差3.8cm，平均点位误差为15.00cm，平均高程误差为1.8cm。

　　3.2动态测试

　　在湖边已知控制点上安置基准站，将流动站安装在测船上与测深仪连接，经过收敛后，在RTK电台信号可以覆盖的范围内(约7km)以船速8节进行测线测量，连续采集3min，共记录165个测深点，将记录的数据进行PPK解算获取定位点成果，与RTK实时记录的定位结果进行比对。3个方向的坐标分量差值分别如图2所示，北方向差值绝对值最大为2.4cm，东方向差值绝对值最大为1.2cm，高程方向差值绝对值最大为4.2cm，平均点位误差为0.9cm，平均高程误差分别为-1.0cm。由此可见，在动态作业过程中PPK后处理的结果与实时RTK结果很一致，精度可以满足厘米级要求。

　　4结束语

　　在对大面积水域、近海海域及线形水域进行水下地形图测绘时，RTK或CORS往往难以满足要求[15]。通过将PPK处理结果与测深值进行匹配，使定位精度达到厘米级，这种方法具有操作简单、精度高等优点，测量过程中不需要担心电台或手机信号丢失，扩展了单基站的作业范围，大大提高了作业的灵活性和效率，是一种值得推广的作业方法。由于PPK技术获取的定位结果需要经后处理获取，因此无法应用于放样工作，同时在作业时无法实时获取定位精度指标，在野外难以直观了解实时定位精度。

　　流动站在收敛后需要保持对4颗以上的卫星持续跟踪，一旦失锁必须重新收敛，因此，该方法不适用与高山峡谷等对卫星信号遮挡较大的地区。随着这种方法应用越来越成熟，相信未来会有单波束测深仪厂家将成熟的PPK测量方式嵌入到测深作业和处理软件中，实现完善的PPK解算、测深点匹配、声速潮位改正、成果输出流程。

　　参考文献:

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　　推荐期刊：《水道港口》是由交通部主管，交通部天津水运工程科学研究所主办的专业性杂志。