GPS在海洋测绘的精密定位及水深测量中的应用
【摘 要】 随着科技水平的发展和工业化进程的加速，海洋测绘作为测绘科学技术中的重要的一个门类，其设备与技术都有了明显的改进和提高。GPS(全球定位系统)，拥有精度高、可全天候运作、操作简便等优点，在海洋水深测量与精密定位的应用中具有很高的利用价值。文章就GPS技术在海洋测绘中的水深测量与精密定位的测量方法与工作原理进行了研究和分析。
如今，常用于我国海洋测绘工作中的传统工作方法包括：罗盘定位与六分仪、测深杆、测深绳、测深铅鱼等，这些传统的工作方法测量精确度较低且效率不高，只能进行粗略的海图绘制，难以满足高要求的探测工作的进行。为了解决此类问题，在遥感探测、声波探测、卫星地位和激光探测等科学技术不断成熟的今天，它们将逐步被应用于海洋测绘过程中，随着这些技术的使用，海洋测绘技术也将逐渐向高效率、高精度、高现代化迈进。
目前，以中国沿海范围内为区域的无线电指向标-差分全球定位系统(RBN/DGPS)已经投入使用。此系统的有效工作距离可以达到300公里，定位的精确程度可以保持在5米之内，很大程度上满足了沿岸海道的测量大比例尺绘图过程中导航与定位的要求。但对于要求高精度测量的区域而言，此系统依旧无法满足水位更正方式的需求。而对GPS-PPK技术而言，此项技术在测量时具有很高的精密程度，而且在使用过程中数据链可以不用进行实时的通讯。
结合在海洋测量规范的要求，在综合对设备运行的成本、测量高精度的要求、导航实时性的需求等许多实际问题考虑的前提下，进行精密海洋测绘中的定位工作需要结合RBN/DGPS和GPS-PPK技术，使用将两者相互结合的技术方案。其主要工作流程是，首先经RBN/DGPS系统对实时的定位导航进行系统支持，提供误差在3米之内的实时定位数据，之后再由双频载波对其载波的相位数据进行记录并观测所记录的相位的部分测量。
2.1 当前所使用的测量系统
眼下，最常使用的水深测量工作方式是使用多波束的水深测量系统。与曾经所使用的单波束系统的测量工作相比，这种方法所收集到的数据样本能够依据不同的水源深度直接获得，而且能够垂直于航道的方向之上。因此，使用多波束的水深测量系统能够快速、精确地对相对宽度范围中的两侧多点的水源深度进行测量，明确清楚地探测海底的地形地貌。在进行测量的过程之中，通过利用多波束的水深测量系统和使用GPS系统的定位对某点的水深进行测定，就可以快速对海底的地貌地形进行测量和绘制。
2.2 GPS与数字测深仪的实际应用
2.2.1 水深测量工作中的基本步骤与作业方法
水深测量工作主要是指通过承载测量船与作业系统进行测量作业进而获得水深数据的工作过程，其工作系统主要由专业软件和计算机、GPS接受装置、数字探测仪等设备组成。工作流程可以分为测量前的准备工作、外业数据的收集工作、内业数据的处理工作、测量成果的输出工作等几个步骤。
(1)测量前的准备工作。在进行水深测量的前期准备工作时需要注意一下几个方面：第一，对GPS-RTK基准站进行架设时，其位置应选择在测量范围内的中心区域，要求处于视野开阔切地势较高的位置;第二，借助已知测量区域内的两处WGS84坐标与北京54或西安80坐标，计算出所需要转换的参数;第三，使用加密方法对已有的测量断面进行重新设置，初步布设水深测量的作业线。
(2)外业数据的收集工作。在进行此项工作是要注意一下几点：第一，要排除如参数错误等能够引起基准站进行坐标转换计算出现误差的因素，对基准站的坐标进行校验;第二，对测量深度系统中的各项设备进行连接，完成测量仪器与更正天线的偏差、接受装置的数据格式、定位仪的接口和测深仪配置等校准和连接工作，之后才可开始进行测量工作。
(3)内业数据的处理工作。内业数据的处理工作主要是指通过相应的处理软件对所收集到水源深度的测量数据进行分析和处理，进而形成详细的水深分析的统计报告、水深图等测量的实际成果，并将其进行输出形成文档。
2.2.2 GPS-RTK在水深定位中的应用
由于GPS-RTK技术坐标系统的设定主要是使按照当前所提供或要求的坐标系来进行的，在使用此技术进行水深定位的测量过程中，首先要对参数进行计算求解，之后才能够将各坐标的数据进行比较分析。所以这就要求在进行水深定位的工作中，在架设基站时要选择在地势高的房顶或山顶之上，通过各个移动站对已知坐标点的实际测量之后，使用相应软件对坐标进行求解转换，进而得出测量区域内的坐标系数。
在使用无验潮的方法进行水深测量的工作时，鉴于船体摇摆、RTK的高程可靠性、采样速率、同步时差等不确定因素会对测量的结果精确度产生很大程度上的影响，由于这些因素所产生的误差会比RTK定位所产生的误差数值高出不少，因此对提高无验潮方法进行水深测量的精度产生了很大程度上的制约与影响。
对于船体的动态吃水与摇摆姿态的更正而言，可以通过使用电磁式的姿态仪对船的姿态进行修正，其中包括位置修正与高程修正。船在行驶的过程在其横摆、纵摆和航向等具体的参数都能够借由姿态仪进行输出，同样依靠其测量的专属软件进行对此类参数进行修正。另外，对于船体动态的吃水数据而言，在进行更正时可以依据其静态吃水和探测船的自重下沉以及颠簸程度的总和取平均值，进而以满足探测时的误差修正。
在海洋测绘的精密定位及水深测量的工作过程中，GPS技术以其极高的应用价值和巨大的优势，应该得到大范围的推广和利用，特别是对内陆的水域与近海海洋的测量工作而言有着更为宽广的发展与应用前景。
文/《中国科技纵横》2013年 第17期 | 翟成森 张建材 田忠星 李银龙 任雪松 胡慧 山东科技大学 山东济南266590
整理：陈柳林
审核：高冲
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