刍议水深测量中GPS技术的应用

摘要：本文通过阐述水深测量的基本原理，以及水深测量的基本步骤，结合第三代全数字变频测深仪所采用的GPS定位和水深测量一体化的基本方法、思路。

关键词：GPS；水深测量；精度

Abstract: in this paper, the principle of water depth measurement, and the basic steps of bathymetric survey, combined with the basic method of GPS positioning, the third generation of full digital variable frequency sounding instrument adopted and sounding the idea of integration.

Keywords: GPS; depth measurement; accuracy

中图分类号: P25 文献标识码:文章编号：

引言：GPS技术在陆地测量中的应用已经比较成熟，在水深测量中的应用也已经兴起。公司以往的水深测量多采用陆地全站仪测量定位，测量绳和测深锤测量水深的方法，精度难以保证，工作难度大，外业测量人员也很辛苦，且成图时间长。使用GPS技术后，特别是RTK技术的出现，使得水上测量可以采用无验潮方式进行工作，减少了测量人员的劳动强度，自动化程度高提高了测量精度，也提高了工作效率。

在引进第三代全数字变频测深仪之前，水深测量主要采用全站仪+测深锤、测深绳的方法进行。在水浅流速慢的水域，此种方法可以基本胜任水深测量的任务。但在水深流速快的水域，此种方法就存在水深测量误差大、水深测量平面点位定位误差大的缺点。在此情况下，随着卫星定位、声波测深等技术的不断发展，公司引进了第三代全数字变频测深仪，使水深测量向现代化、高效率、高精度发展。

一、水深测量的基本原理

1.回声测深原理

假设声波在水中的传播水面速度为V，当在换能器探头加窄脉冲声波信号，声波经探头发射到水底，并由水底反射回到探头被接收，测得声波信号往返行程所经历的时间为t，则：

Z= Vt／２

Z就是从探头到水底的深度，再加上探头吃水就是水深了。

2.水底信号识别技术

虽然回深测深的原理很简单，但水中的情况却是很复杂的，有干扰回波、有鱼群出没或杂物的回波，水底的反射条件各不相同，在浅水区还有可能出现二次、三次回波，如何从众多的杂波中跟踪得到真正的水底回波信号，需要采用相关的水底门跟踪技术（也叫时间门跟踪技术）、脉宽选择、信号门槛、自动增益控制、时间增益控制（TVG）等技术。

3.变频测深仪特点

第三代全数字变频测深仪具备精确、高效、稳定、方便、兼容等特点。

（1）精确

①先进的变频技术降低了换能器产生的蜂鸣表面噪音，减少对回波干扰。

②最新设计的TVG曲线为声纳传输衰减提供完美增益控制。

③先进的水底门跟踪技术和脉宽选择保证了水底探测的准确 。

（2）高效

①每秒钟30次的水深采样速率，提升测深的效率，并且使回波图更细致、精确

②可调频率使测深仪能匹配各种换能器，扩大了用途范围

（3）稳定

①嵌入式windows xp操作系统，运行稳定

②采用独特的“快速映射还原”技术，保护C盘系统不被病毒入侵

③双电子盘存储，双系统保护，系统一键恢复

④高强度ABS+PC材料外壳，防水、防震

（4）方便

①全自动量程换挡和手动换挡二者结合

②数字化图像处理技术，瀑布式图像显示及记录，并可回放或打印

③高分辨率高亮度液晶屏阳光下清晰可见

（5）兼容

①可配置不同频率的换能器

②内置海洋及测深二合一软件，可连接任何一家GPS、定位仪、姿态仪协同作业

③可外接VGA显示器，支持多显示终端

④可外接USB键盘、鼠标

二、水深测量的基本步骤

水深测量的作业系统主要由GPS接收机、数字化测深仪、数据通信链及相关软件等组成。测量作业分三步来进行，即测前的准备、外业的数据采集测量作业和数据的后处理形成成果输出。

1.测前的准备

（1）求转换参数

①将GPS基准站架设在已知点A上，设置好参考坐标系、投影参数、差分电文数据格式、发射间隔及最大卫星使用数，关闭转换参数和七参数，输入基准站坐标（该点的单点84坐标）后设置为基准站。

②将GPS移动站架设好于点B上，设置好参考坐标系、投影参数、差分电文数据格式、接收间隔，关闭转换参数和七参数后，求得该点的固定解（84坐标）。

③通过A、B两点的84坐标及当地坐标，求得转换参数。

（2）建立任务，设置好坐标系、投影、一级变换及图定义。

（3）作计划线。如果已有测量端面就要重新布设，但可以根据需要进行加密。

2.外业的数据采集

将GPS接收机、数字化测深仪等连接好后，打开电源。设置好记录设置、定位仪和测深仪接口、接收机数据格式、测深仪配置、天线偏差改正及延迟校正后，就可以进行测量工作了。

3.数据的后处理

数据后处理是指利用相应配套的数据处理软件对测量数据进行后期处理，形成所需要的测量成果，所有测量成果可以通过打印机或绘图机输出。

三、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。

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。

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。

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。

四、影响GPS RTK和水深测量的因素和对策

GPS RTK 为水深测量带来重要的技术支持，完全能够满足精度的要求。但在使用RTK进行水深测量时，测量精度也会受到卫星信号、无线电等因素的影响，下面就可能遇到的问题提出可解决的方法：

（1）卫星信号问题。RTK要获得高精度的数据，首先一个要素就是要获得至少5颗卫星的信号。故此应在开阔的地方开展工作，至少在截止高度角15°范围内没有遮挡物，应避免在大桥底、高压线下面等地方作业。

（2）无线电问题。RTK的初始化受限于基准站所发出的无线电，距离越远，精度越差。基准站的电台应尽量架设在地势较高且较空阔并处于测区中间的地方，远离强磁、无线电信号发射设备、变电站等以免对无线电造成干扰。

五、结束语

GPS测量定位新技术在未来的测绘行业将发挥越来越大的作用，利用全数字变频测深仪结合GPS进行水深测量，使得水深测量这项工作变得简单、方便、高效、经济，劳动强度低，节省了外业费用，提高了测量效率，所以GPS+测深仪的组合将来必会在我们的工作中得到更加广泛的应用。

参考文献:

[1] 王风雷,卢清平.GPS-RTK技术在水深测量中的应用[J].山西建筑，2011，34（12）:355-356.

[2] 王琼.RTK测量精度分析与研究[D].吉林大学，2008.

[3] 邹顺平,张德军.基于RTK的水下地形测量系统的探讨[J].山西建筑，2009，35（30）：358-359.