PPP-RTK技术在长江口无验潮水深测量中的应用

田雨，杨俊凯，颜惠庆，王长永

（中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120）

长江口12.5 m深水航道治理工程作为长江流域一项重大工程，上起江苏省浏河口，下至长江口引水船外，全部工程于2011年5月18日顺利通过国家竣工验收，现已进入航道养护阶段。长江口三级分汊、四口入海，潮流动力强、径流量巨大，水沙运动复杂、河床冲淤多变，加之河口人类活动的影响，河口河势变化复杂。为了及时掌握长江口各汊道河床冲淤变化情况，预测发展趋势并积累资料和经验，为长江口航道维护和科研等提供必要的基础数据和资料，需开展长江口水域水下地形测量工作。

传统的水下地形测绘主要依靠潮位站获取瞬时水面高，进而结合水深数据计算海底高程。潮位获取的方法主要有设置长期或临时验潮站、定点抛投潮位仪、潮位模型推算方法[1]。但传统的潮位改正方法存在潮位站位置的水面情况无法完全代表整个测区水面情况等问题，且在测区面积大、特别是长距离的带状水面进行水深测量时，需沿线布设较多的潮位站，实施成本较高。近年来，随着全球卫星定位导航系统（GNSS）的发展，逐步形成了以RTK、PPK、PPP为主的无验潮三维水深测量方法，并且在长江口取得了一些应用成果[2]。无验潮三维水深测量方法相较于传统的潮位改正方法优势明显，可消除波浪引起的上下起伏误差、测船动吃水误差、水位横向比降误差，大幅提高水深测量的精度和工作效率。其中GNSS实时动态（real-time kinematic，RTK）无验潮三维水深测量技术具有定位速度快、精度高的特点[3-4]，但易受无线电传输距离影响，有效距离一般不超过15 km，需沿长江口南北槽沿线布设多个基准站，实施及维护成本较高。而GNSS动态后处理（postprocessed kinematic，PPK）三维水深测量方法无需数传电台，且在80 km范围内仍能保持较高的精度和可靠性[5]，可有效解决RTK技术中电台传输距离不足的问题，缺点是需架设基准站，且无法对定位定高数据进行实时监控。精密单点定位（precise point positioning，PPP）方法无需架设基准站，利用单台GNSS接收机的载波相位和伪距观测值，结合高精度的卫星轨道和钟差实现高精度的定位[6]，在已有应用案例中[7]，可提供分米级的事后动态定位服务，但与RTK瞬时厘米级定位相比，PPP需要花费较长时间初始化，同时卫星信号中断之后的重新初始化和首次开机初始化一样的时间，制约了PPP在实际工程中应用[8]。2005年，PPP-RTK概念被首次提出[9]，PPP-RTK融合了PPP和RTK两者的优势，是当前最前沿的精密定位技术[10]。

1 PPP-RTK无验潮水深测量原理

PPK-RTK技术通过对基站数据进行综合估计和建模，重新生成包含轨道误差、卫星钟差、区域电离层等误差改正信息，并通过卫星、网络等方式实时播发给用户使用，实现了基于PPP模式的实时动态定位技术，具有无限大的用户容量。

无验潮三维水深测量的基本原理是利用GNSS接收机测得的GNSS天线精确的三维坐标（X，Y，H），其中X、Y确定水深点的平面位置，GNSS高程（H）结合由测深仪同步测得的水深换算出同一平面位置上的水下泥面的高程或水深值，从而获得水下地形数据。

2 应用试验

2.1 试验区概况

长江口区域水面开阔，远离陆地，工程区域最远端距离陆地近40 km，来自陆地的通讯基站信号无法对长江口全部区域有效覆盖，因此需要在长江口沿线设置较多数量的基准站。现有的长江口沿线RTK基准站主要分布在石洞口、横沙以及北槽北导堤，距离长江口南槽区域距离均较远。同时移动端难以连接互联网，使得采用基于移动通信网络的VRS-RTK方案也无法在该区域实施。为此，对于无电台信号覆盖的长江口区域通常采用传统的潮位改正或者PPK三维水深测量方法，而PPP-RTK技术在长江口区域水深测量未见应用案例。为验证PPP-RTK技术在长江口水深测量中的应用具有可行性，选定长江口横沙通道作为试验区，如图1所示。试验区附近有长期基准站1座，可实时传输数传电台差分信号，便于PPP-RTK与RTK数据的采集和对比分析。

图1 试验区位置图及动态测深轨迹线Fig.1 Location of test area and Dynamic sounding trajectory

2.2 数据采集

1）设备安装

根据试验方案，定位分别采用千寻星矩S6 pro GNSS接收机，接收星站差分信号，采用Trimble SPS855 GNSS接收机接收横沙基准站差分信号，测前在控制点上对GNSS接收机进行校验，保证2台GNSS接收机工作正常。

控制点比对精度满足规范要求后，2艘测量船舶分别安装1套移动GNSS接收机和单波束测深仪。船台安装时保证GNSS天线中心与测深仪的换能器位置在同一垂线上，以消除位置偏心误差。安装完成后，精确量取GNSS接收机相位中心至水面高度及测深仪换能器吃水值并输入到导航测量软件中。采集过程中对卫星数、高度截止角、图形因子（HDOP）、定位模式等进行监控。

2）测量船舶停泊时数据采集

为比较测量船舶在相对静止（停泊）情况下，PPP-RTK与RTK同一时刻瞬时水位的差异。试验当天风浪小，通航测量船舶少，江面平静，待测量船舶抛锚，船身稳定后，采用千寻星矩S6 pro GNSS接收机接收星站差分信号，并等待初始化完成后开始采集数据，同时Trimble SPS855 GNSS接收机选择接收地面基准站差分信号，设置GNSS数据输出速率为1 min，同步采集测量船舶在相对静止时PPP-RTK与RTK的瞬时水位。

3）测量船舶航行时数据采集

为测试测量船舶航行时PPP-RTK在水深测量的适用性，2艘测量船舶分别搭载同型号单波束测深仪进行同步水深测量，因试验区水域较为狭窄，故分别沿水道中心线进行往返水深测量，测深轨迹线见图1。测量实施前使用声速仪测量水体声速并将平均声速输入测深仪系统设置中，测量开始及结束前，还应选择在水下地形平坦的区域，对各测船测深仪相互进行比对。比对采用检查板，选择水面平静、流速较小处，在10 m深度范围内对水进行校核，并在测深纸上做好记录。

测量过程中定期地对测深仪进行声速、转速、电压等项目检验，并每隔0.5 h将电脑中记录的水深与测深纸上模拟信号记录的水深进行比对，以确保水深测量数据的准确、可靠。GNSS定位数据、水深数据采用计算机自动采集贮存。

2.3 数据分析

1）测量船舶停泊时数据分析

试验采集了测量船舶停泊时段19:00—次日3:40的GNSS定位数据，该时段通航测量船舶较少，水面平静。试验分别提取了以10 min为间隔的PPP-RTK和RTK瞬时水位数据。同一时刻瞬时水位差异如图2所示。

图2 PPP-RTK与RTK同一时刻瞬时水位差异图Fig.2 Difference of instantaneous water levels measured by PPP-RTK and RTK at the same time

由图2可知，PPP-RTK与RTK同一时刻瞬时水位具有较强的相关性，在瞬时水位稳定性方面，RTK瞬时水位相较于PPP-RTK更为稳定。其次，根据两者瞬时水位数值对比，PPP-RTK与RTK瞬时水位数值最大误差为0.08 m。对比结果表明PPP-RTK所测水位在测量船舶停泊时能达到与RTK相当的实施效果。

2）测量船舶航行时数据采集

试验分别采集了2艘测量船舶往返（顺水、逆水）动态水深测量数据，并将往返动态水深测量数据分别进行了断面图对比，如图3所示。

图3 PPP-RTK与RTK无验潮水深断面比对图Fig.3 Comparison of water levels measured by PPP-RTK and RTK without tide observation

由图3可知，断面图中除个别水深点由于平面位置差异而略有不同外，PPP-RTK与RTK两种无验潮水深测量方法所测水深基本保持一致，PPP-RTK与RTK方法的水深测量精度相近。

为进一步分析PPP-RTK无验潮水深测量方法的测量精度，试验以RTK水深测量数据为真值，以PPP-RTK水深数据为参考值，将PPP-RTK与RTK方法所测的相邻水深进行了比较。试验将2种测量方式所测相邻2 m范围内的水深进行了对比统计。对比统计结果如表1所示。

表1 PPP-RTK与RTK水深比对统计表Table 1 Comparison of water depths based on PPP-RTK and RTK technology

根据表1互差比对结果可知，2种方法所测相邻水深对比差值在10 cm之内的水深点占92%，差值在20 cm之内的点占99%，对比结果表明PPP-RTK无验潮三维水深测量方法在长江口区域的水深测量精度可靠。

3 结语

针对传统潮位改正、RTK、PPK、PPP方法在长江口水深测量的应用均存在一定局限性，本文提出可采用PPP-RTK无验潮水深测量作业方法，并首次在长江口区域进行了应用试验，试验分别在测量船舶停泊时采集了PPP-RTK与RTK同一时刻瞬时水位以及测量船舶航行下的动态实测水深值，并进行了比对和分析。主要结论如下：

1）通过PPP-RTK与RTK同一时刻瞬时水位以及动态水深值对比可知，PPP-RTK无验潮三维水深测量方法可实现与RTK相当的实施效果，PPP-RTK无验潮水深测量作业方法是可靠的。

2）PPP-RTK技术具有收敛速度快（＜2 min），作业覆盖范围广，无需网络且不需架设基准站，可提高作业效率，降低作业成本，在长江口等无通讯信号覆盖的区域具有广阔的应用前景。