浅探GPSRTD水下地形测量中的滞后改正.doc

浅探GPS RTD水下地形测量中的滞后改正 陶本才 徐卫兵（安徽省长江河道管理局测绘院 安徽芜湖 241002）摘 要 本文论述了GPS RTD水下地形测量的方法和过程,详细讨论了GPS RTD水下地形测量中产生滞后的原因和进行程序改正的原理、方法。关键词 GPS测量 滞后 滞后改正1. 概述随着GPS测量技术的不断发展与成熟，GPS测量方法以经典测量方法无可比拟的优势，被频繁的应用到工程的各个领域。既进行常规的静态控制测量，又进行实时动态定位与导航，还可部分代替水准测量，进行高精度的变形监测，使数字化的测图方式变为可能，成为我院主要的测量技术手段。水利工程测绘中，GPS测量系统配合其他设备，一般组成下述两种作业模式：1） 静态控制测量经典静态测量：适用于长基线（20km）和高精度定位，主要用于建立工程的首级控制网或进行变形监测。快速静态测量：适用于短基线（20km）观测，观测时间较短（510分钟），主要用于建立或加密工程的控制网。2） 实时差分定位测量实时伪距差分：Real Time Dinematic，简称RTD，定位精度亚米级，系统工作距离较远（3050km），主要用于水下地形测量，是本人单位水下地形测量的首选模式。相位伪距差分：Real Time Kinematic，简称RTK，定位精度厘米级，但系统工作距离有限（15km），主要用于图根控制测量和工程放样，潮汐变化较大的水域进行无验潮法水下地形测量，较为理想。2. GPS RTD水下地形测量系统的组成与工作流程2.1 系统的组成水下地形测量系统由岸台系统、船台系统与数字化成图系统三部分组成。其中岸台系统由GPS岸台接收机、数据发射电台、电瓶及数据发射天线组成；船台系统包括GPS船台接收机、数据接收电台、数字化测深系统、测量导航软件及电脑等设施；数字化成图系统主要为一些软件和打印设备，将采集的水下地形数据处理后，自动绘制出水下地形图并打印出图。2.2 系统的工作流程水下地形测量系统的工作流程一般为，首先在岸上的已知控制点上设置一台GPS接收机作为参考站(岸台)，另一台GPS接收机与测深仪、计算机连接后设置在测船上作为流动站(船台)。岸台、船台GPS接收机同步接收卫星的数据信号，参考站的电台连续不断的发射差分数据信号，而流动站电台则不断的接收参考站的差分数据信号，测量导航软件实时的解算出船上流动站的位置坐标，并同步记录测深仪测得的水深数据。采集的水下地形数据经内业检查、处理后进入数字化成图系统，自动绘制出水下地形图。GPS RTD水下地形测量系统组成与工作流程如图1所示：图1 GPS RTD水下地形测量系统组成与工作流程3. GPS RTD水下地形测量中的滞后现象由于GPS RTD水下地形测量系统有多种仪器设备组成, 因为数据链间的传输延迟、导航软件解算的延迟及不同仪器之间协调的时差影响，导致GPS定位数据和测深数据间存在时间差dt。从而造成定位坐标与水深之间的不协调,反映在水下地形图上即表现为水下等高线呈波浪状,这种情况称为滞后(或延时)现象。一般而言，对小比例测图（如1：10000）来说，其反映并不明显。测图比例尺越大（如1：1000、1：500）,等高线的波浪状扭曲越明显,因此必须要考虑并采取程序后处理的办法来进行改正。3.1 延时值dt的求取要进行滞后的程序后处理改正，首先得测出延时值dt的多少。一般采用特征点差距法和等高线差距法。特征点差距法：在测区内选取如图2（a、b）的地形，其特征点处用浮标固定位置，测船以测量时的速度（最好保证匀速航行）来回测量用浮标固定的特征点，根据往、返测量的特征点的距离差ds和平均船速，可求延时值dtds（2）。该方法由于特征点不易固定，实现过程中有一定的难度。图2 特征点差距法求解dt等高线差距法：选择一个水下地形变化均匀,深泓明显的地域,设计数条（一般1015条为宜）航线,每条航线进行往、返互测。将采集的数据导入成图软件生成水下等高线地形图（一般取数据的所有往测、所有返测和互反的两次往、返测成果，共生成4份地形图），将4份地形图两两叠合，由于滞后的影响，同一地形的相同等高线之间不能重合，它们之间呈似平行线状（所有往测、所有返测的成图叠合）和似正弦曲线状（互反的两次往、返测的成图叠合）。根据同一等高线之间的叠合差距ds和该处的往、返测量船只的平均船速往、返，可求延时值dtds（往返）。该方法用时较长，但一次可以求解出很多的延时值dt，然后按照数学中的统计理论，计算出一个较为符合实际的延时值dt。延时值dt的正、负取值问题，一般软件关于延迟校正的说明中讲，“位置滞后水深取正值，位置超前水深取负值”。该话较难理解，好象延时值dt的正、负与测船的航向有关一样，通过我们的测量实践，并不如此。确定延时值dt的正、负的方法就是通过取+dt、-dt各处理数据生成水下等高线地形图，若延时值dt的正、负有误，则等高线波浪状扭曲更为明显。3.2 延时值dt的合理性评价和比测GPS RTD水下地形测量中，滞后现象是一种客观的存在，它没有理论公式可以推导，也不是一成不变的，其主要受仪器的性能、仪器的状况（如仪器老化）和系统的配置等因素制约。上述延时值dt的求取也只是现实中可以实现的方法，所以求取的延时值dt必须进行合理性分析和比测。延时值dt的合理性评价：我们知道，水下地形由于在水流的作用下，其等高线应是顺直流畅的。延时值dt的合理性评价就是以按求取的dt将原始数据后处理后，生成的等高线顺直流畅为原则的。如下图3（a、b）即为滞后前和滞后dt改正的同一地形图，改正后地形图等高线顺直流畅，我们可认为该延时值dt较为合理。条件允许的单位还可以先用一种认为无滞后的方法测出地形图作为基准图，然后将延时值dt改正后的地形图与基准图比较，综合判断dt的合理性。图3 滞后改正前后等高线比较延时值dt的比测：正如仪器设备的定期检校一样，延时值dt也要定期进行比测，以便积累经验和数据，了解设备的状况（如仪器老化）对滞后的影响。系统设备更新后，更要进行延时值dt的比测。3.3 延时值dt的程序改正由于延时值dt造成定位点的坐标与定位水深之间存在差异。理论上可以采用两种方法来修正，即通过修正定位点的坐标和修正定位点的水深来达到改正的目的。由于延时值dt产生的延距ds与时间之间具有线性关系，一般的导航软件皆根据该原理，采用直线内插的方法来进行滞后改正。Hapyck软件是美国Coastal Oceanographics公司推出的一款经典的水下测量软件，国内外广为流行，但价格昂贵。中海达公司也推出了一款主要用于近海测量的水下GPS数据采集和处理的软件包：Haida海洋测量软件4.3，它具有全中文界面，操作简便，价格低廉的特点。该两套软件是本人单位两套GPS系统（Trimble5700、Trimble4000）使用的水下测量软件。Hapyck软件可以在数据测量后，内业处理时进行滞后改正；而Haida软件则只能于测量的同时事先输入延迟改正值dt，且基准站发射差分信号频率大于5Hz时不能进行延迟改正（死机）。这对于我们使用来说是一个大隐患，因为如果使用错了延迟校正值，所测数据将全部报废，从而造成资源的浪费。那么有没有补救的措施呢？既能不能进行事后延迟改正呢？所以本人参考Hapyck软件滞后改正的原理、方法，用Visual Basic 6.0设计了GPS数据处理软件，来进行GPS RTD 水下地形测量原始数据的滞后处理，同时解决GPS数据与成图软件要求数据之间格式转换的问题。4. GPS RTD数据滞后的程序实现4.1 Hypack软件数据处理流程Hypack软件数据处理流程分为三步：原始数据采集过程：在定义的文件夹中，记录采集的原始数据，每条线记录为一个数据文件，文件命名为“开始时间_线号”（如1024_009.dat），所有测线数据文件的路径被自动记录在以日期命名的日记文件中（如dat1023.log）。原始数据滞后过程：打开Data Adjustment程序，输入延时值dt和水位，选择原始数据Log文件，进行滞后改正，每条线的原始dat文件被修改，另存为滞后原始数据文件（如1024_009.zzz），同时生成滞后原始数据日记文件（如zzz1023.log），如图4所示。图4 原始数据滞后过程滞后数据计算过程：打开Single Beam Editor程序，选择滞后原始数据Log文件，逐条计算出数据的坐标，然后用自编的GPS数据处理程序将坐标转换为成图软件识别的数据格式，如图5所示。图5 滞后数据坐标计算过程4.2 Hypack软件滞后的原理、方法通过分析Hypack软件采集的原始数据（*.dat）与滞后原始数据（*.zzz）可以发现，Hapyck软件采集的原始数据（*.dat）的结构主要由三部分组成：差分信号段（POS），定位信息段（FIX）和回深信息段（EC）。每段的结构主要是：差分信号段：信号标志（POS），信号时间（POStimer），信号位置（POSX，POSY）。定位信息段：定位标志（FIX），定位时间（FIXtimer）。回深信息段：回深标志（EC1），回深时间（ECtimer），水深（Deteph）Hapyck软件进行滞后改正的原理就是按比测的延迟值dt，将原始采集数据中的所有差分信号段的时间延迟后（即XPOStimerPOStimerdt），按每个定位标志后最早遇见的回深时间（ECtimer）作为该点的定位时间，然后在延迟后的信号时间（XPOStimer）中查找，看该定位时间介于哪两个信号时间中，最后按时间内插法求出定位坐标。假设定位点K点后的最早遇见的回深时间为ECtimerK，水深为ECHK，查找该时间介于延迟后的信号时间XPOStimeri和XPOStimeri+1间，对应的信号坐标为POSXi、POSYi和POSXi+1、POSYi+1，定位点K的坐标滞后改正的公式可表示如下：XK=POSXi（1P）POSXi+1PYK= POSYi（1P）POSYi+1PHK=ECHK式中时间内插系数P=Abs(ECtimerXPOStimeri)Abs(XPOStimeri+1XPOStimeri)。下图6（a、b）是dt0.8s改正前后的原始数据和滞后数据的数据示例，注意（b）中光标位置处的差分信号被修改了（32272.43=32273.23-0.8）。 (a) (b)图6 原始数据与滞后数据的比较及结构4.3 HaiDa软件采集数据滞后的实现Haida软件采集的数据格式主要有两种：原始定位数据（Ln*.dat）和原始水深数据（Ln*.ss），文件示例见图7。图7 HaiDa软件采集的dat、ss文件结构Ln*.dat文件主要记录测线的测点坐标和水深，文件信息量小，结构简单明了；Ln*.ss文件记录了接收的差分信号的汇总，且差分信号点次的交界处是定位标志，该文件的主要结构是：N点号D日期 T信号时间X坐标Y坐标S水深E水面错误H报告按Hapyck软件滞后改正的原理、方法，利用Ln*.ss文件进行事后的延迟改正，并在测量中论证了程序改正数据的合理性。4.4 GPS数据处理程序的运行程序设计、解决了GPS RTD 测量数据的滞后改正、GPS RTD 测量数据的格式转换和航线设计等问题，程序运行界面友好，操作简便，提高了外业的工作效率，其主界面和Haida数据滞后处理界面如图8（a）、（b）所示。 （a） （b）图7 GPS数据处理程序运行界面5. 结语GPS全球定位系统的应用技术正广泛地、深入地、飞速地发展，也必将代替传统的经典测量方法被运用到水利工程测量的各个领域，也必将产生一些新问题，我们要充分利用好现有的设备，加深开发和应用，为水利水电建设作出更大的贡献。由于本人水平有限，文中所说不一定完全正确。在此仅做抛砖引玉之作，望测绘界的同仁给予批评和斧正。参考文献1 天宝测量技术有限公司 Trimble5700 GPS使用手册2 唐学忠 Visual Basic 程序设计教程3 刘基余 全球定位系统原理及其应用4 徐知秋 GPS实时测量系统在水利水电工程测量中的应用与探索 水利水电测绘 20003