GPS罗经在ADCP测量中的运用

摘要：本文从GPS罗经工作原理着手，通过分析探讨ADCP在铁质船体上进行测量时，因内置罗经受到干扰影响，而采用外接GPS罗经，从三方面分析论述：ADCP测量原理及观测误差的原因、GPS罗经技术在ADCP测量中的应用、如何正确使用GPS罗经提高ADCP的测验精度；力争为广大ADCP测量中采用GPS罗经技术的使用者提供帮助。

关键词： GPS罗经;ADCP ;多普勒;流速流向

Abstract: This article from the GPS compass on the principle, through the analysis of ADCP in iron hull measured, due to built-in compass interference effects, and the use of external GPS compass, from three aspects: analysis of ADCP measurement principle and error of observation, the reason of GPS compass technology in the ADCP application in the measurement of, how to properly use GPS ADCP compass improve test precision; strive for the vast number of ADCP measurement using GPS compass technology users to help.

Key words: GPS compass; ADCP; Doppler; flow

中图分类号：P25文献标识码：A

1、引言

GPS罗经技术是利用GPS（全球定位系统）系统：定位高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、数据质量可靠、应用广泛等特点，采用两个高精度GPS接收机作为卫星信号传感器，利用载波测量技术和快速求解整周模糊度技术，精确计算出运动载体的方位角，同时还可输出俯仰角、位置、速度及UTC等信息，为ADCP测量准确得到定位、定向，提供支持，从而完善ADCP在水文测验中发挥的重要作用。

2、ADCP测量原理及观测误差的原因

声波源或观察者或两者相对于传输介质运动时，观察者收到的频率和波源的频率就会不相同，这种现象叫做多普勒效应，ADCP的基本工作原理正是利用多普勒效应这一物理效应进行工作。

具体来说由于水中存在大量的声波散射体，如微小粒子，水中浮游生物及气泡等，这些物体随水流动。当频率为FO的声波在水中传播时，有一小部分能量经这些散射体散射回来，通过换能器接收，放大后测得其频率为Fr。根据多普勒频移原理只要声源（或接收器)与散射体之有相对运动，则Fr≠FO其差值为Fd则有：

Fd = Fr – Fo = 2FoV Sinα/C （1）

其中α为波束的垂直倾角，V为声源（或接收器）与被测散射体的相对速度，C为声速。

当声波发射以后，从不同深度返回的散射回波时间是不同的，检测不同时间上的频移，即可得到不同层中散射体的相对速度，也就是水流相对ADCP（或船）的速度。（该速度是建立在仪器坐标系统之上，需将转换到大地坐标）若以走航方式则有：

V水对地=V水对ADCP（或船）+VADCP（或船）对地

矢量迭加即可得到水流的速度和方向，特殊情况当：

VADCP（或船）对地=0为定点测量

其流量依照“流速—面积法”求解：

Q= U•NdS （2）

式中Q=流量、 S=河流某段面面积、 U=河流段面某点处流速矢量、 N=作业船航迹上的单位法线矢量、 dS=河流段面上微元面积。由式（2）不难看出，流速矢量与断面面积测量的正确与否，直接关系到流量测量的精度，而GPS罗经在ADCP测量中，得到准确的流速矢量起着关键作用。

3、GPS罗经技术在ADCP测量中的应用

a、GPS罗经技术原理与特性

GPS罗经技术原理就是采用两个高精度GPS接收机作为卫星信号传感器，利用载波测量技术和快速求解整周模糊度技术，精确计算出运动载体的方位角，从而准确得到定位、定向信息。其中一重要特性在于，即使GPS卫星发生短暂的失锁现象，也可以通过其惯性制导特性，在测量过程中保证定向的一致性，使得定向功能连续化。

b、磁偏角带来的误差

每台ADCP设备内都安装了内置罗经，而不同地理位置内置罗经的地磁偏角不尽相同。我们在测量时都要进行地磁偏角的改正。地球地磁偏角 （geomagnetic declination）是指：地球表面任一点的磁子午圈同地理子午圈的夹角 。由于地磁场一直在不断地变化，甚至发生地磁倒转，因此地磁偏角不仅因地而异，而且因时而异，例如，武汉2006年为-3度。地磁偏角也可以根据测量时当地的位置坐标计算得到。理论上，地磁偏角应代入ADCP测量软件WinRiver中进行磁偏角（度）改正，实际操作时，我们是将其代入了航向偏移量（DS/GPD/EH）中合并处理的。

c、应用GPS罗经技术问题

目前，大江大河水文站的流量测验，均采用性能强、稳定性好、马力较大的铁制测船完成，很多水文站队都配备了ADCP(声学多普勒)，其重要的辅助设备就含有GPS罗经。GPS罗经工作状态的优劣，直接影响到流速、流向的计算，从而关系到流量的测量精度。因此，配备高精度的GPS罗经，是铁质测船所必须，因为ADCP的内置罗经会受到铁船的干扰而影响测量方位角的准确性。安装上，GPS罗经前后天线的连接方向应与ADCP的3号探头及测轮的中轴线方向平行，且两个天线距离越远，精度相对越高。确保测船掉头和转弯时，其定向值能真实反映水流矢量方向，且反映频率与ADCP相吻合。

d、GPS罗经在铁质测船上遇到的问题及解决方法（长江汉口水文站GPS罗经技术的应用实例)

图1 GPS罗经不工作正常图2 GPS罗经工作正常

从图1，2可以看出：GPS罗经正常定位、定向时，流矢线与断面线基本垂直，反之则相反。操作时，要等待GPS卫星锁定后方能开始走航测量。

4、正确应用GPS罗经技术提高ADCP的测验精度

通过不断的摸索与实践，我们终于认清了ADCP测量过程中，配套辅助设备（GPS罗经、GPS）的使用方法，极大地提高了ADCP测量的精度。正确使用GPS罗经必须要注意以下几方面：

a、安装方法要正确，两个天线的连接方向应与ADCP的3号探头及测轮的中轴线方向平行，安装在ADCP正上方，无遮挡最好。

b、GPS罗经的频率要高一些，有条件配置双频机最佳。这样可以节约卫星锁定时间，提高工作效率。

c、波特率大于38400更好，与使用的 ADCP操作软件配套，较好地将ADCP、GPS、GPS罗经三组信号有机的相结合，优质的结合保证了测量的精度。

5、结论

近年来，长江水文人在ADCP的使用上进行了卓越的探索与实践，总结了一整套正确使用ADCP测量的方法。完善了GPS、GPS罗经在走航式ADCP测量中的应用，取得了很好的效果。实践证明，GPS罗经是铁质船体上进行走航式ADCP测量必不可少的辅助设备，它的运用为水文现代化建设提供了有力保障。

作者简介：张志恒，男。1966年生，长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局汉口水文站，工程师，从事水文外业测量及资料整理工作。

张晓萍，女。1969年生，长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局科研室，工程师，从事水文仪器设备及软件开发.