一种新的沿海区域(似)大地水准面测定方法

冯金涛，尤宝平，边 刚，杨庆宇

(海军大连舰艇学院海洋测绘系，辽宁 大连 116018)

一种新的沿海区域(似)大地水准面测定方法

冯金涛，尤宝平，边 刚，杨庆宇

(海军大连舰艇学院海洋测绘系，辽宁 大连 116018)

在我国沿海区域，由于实测重力数据缺乏，卫星测高数据在这些区域的空白或质量降低，使得依据目前的理论和技术手段所确定的大地水准面在陆域和海域的边界产生割裂现象，导致存在着所谓的陆地大地水准面和海洋大地水准面。本文针对实际中遇到的问题，提出并系统研究了联合GPS RTK与瞬时水位推算技术确定沿海区域大地水准面的方法，并通过试验计算证明了该方法的可行性。

大地水准面；GPS；RTK；高斯滤波；卡尔曼滤波

大地水准面是地球重力场的重要几何特征。大地水准面的确定有适合于陆地和海洋区域的常规重力测量方法、卫星重力方法，适合于陆地区域的天文水准方法和天文重力水准方法，适合于海洋区域的卫星测高法。在严格的理论意义上，由这些方法确定的大地水准面应是全球统一和连续的封闭曲面。然而，由于采用的基础数据不同，以及方法手段上存在差异，特别是在我国沿岸近海区域，存在着所谓的陆地大地水准面和海洋大地水准面。人们只能通过有关的数学手段力求使二者统一和连续。

在陆地区域，GPS+水准实测高程异常对(似)大地水准面精化起着关键的控制作用，而在沿海区域，目前尚未推出大地水准面的直接实测手段，缺乏对由重力方法和其他方法测定的大地水准面的有效检测和纠正，而这种需求是目前海洋大地水准面研究急需解决的迫切任务。本文提出的联合GPS RTK与瞬时水位推算技术推求沿海区域大地水准面的方法，目的就是为了解决这一问题。方法通过对GPS RTK高精度动态定位观测数据和验潮站水位观测数据的综合处理，实现沿海区域大地水准面的直接测定。

一、联合GPS RTK与瞬时水位推算技术推求沿海区域大地水准面方法

联合GPS RTK与瞬时水位推算技术推求沿海区域大地水准面的方法，其基本思想是利用GPS RTK测量获取瞬时海面大地高，水位控制推算测点瞬时水位T1(x,y,t)，计算地区海面地形ζ(x,y)，最终解算大地水准面高N(x,y)，如图1所示。

图1 基准面关系

计算流程如图2所示。

图2 计算流程

二、实例计算论证及分析

前文已介绍了此方法的基本思想，下面将结合实例论述该方法的可行性。

1. 数据来源及试验思路

本文选择了某海区内航道、防浪堤外侧的一个1.0 km×1.0 km的水域进行试验。试验中，3台Trimble 4700 GPS接收机主要用于RTK测量和PPK测量。其中1台接收机用作基准站，基准站上的GPS接收机采用RTK测量模式。同时，基准站的测量数据需要采用RTK Infill存储在接收机。

为了使差分信号有足够的辐射距离，基准站的发射天线固定在基准站旁边的灯标上，距地面高度约20 m。

船上架设1台GPS接收机，接收机天线固定在船舱上灯架的左侧，位置开阔，易于观测且避免了多路径效应对海上GPS测量的影响。安装在灯架左侧的GPS天线主要用于RTK测量，中间位置的无线电鞭状天线用于接收来自基准站的无线电差分信号。

测量中，2台GPS接收机的数据存储间隔均设置为1 s，RTK定位间隔设置为1 s。

然后同时提取RTK定位数据和姿态数据。TSS姿态传感器安置在近乎船舱的中央位置，该位置即近似为测量船的重心位置。TSS的采样频率设置为1 Hz。

测量期间，严格监视Trimble 4700的工作状态，确保GPS RTK始终处于整周模糊度固定状态。期间，潮位站数据连续记录。

海上试验期间船载各传感器的位置始终未发生变化。在海上试验结束后，利用全站仪测量船载各传感器在船体坐标系VFS下的坐标。测量期间，进行了重复测线测量，计算了时延、MRU安装偏差等参数。

2. 计算及分析

为证明方法的可行性并提高计算精度，本文将试验过程分为两步：①分别以高斯滤波、卡尔曼滤波处理的瞬时海面大地高为基础，联合当地水位改正数据及海面地形，解算该区域大地水准面高，再通过主副测线交叉点不符值中误差评估计算质量；②比较这两种方法的优劣及各自适用条件。

该测区测线相对位置关系如图3所示。

(1) 应用高斯滤波法处理数据的质量评估分析

鉴于该测区范围不大，海面地形变化浮动很小，故以常数ξ=-0.02 m代替；高斯公式中的滤波宽度n取81。则大地水准面高N为

N=HRTK-Δzattitude-h天线-Δh水面-Δh水位-ξ

(1)

式中，HRTK为GPS模式下测得的天线相位中心的瞬时大地高；Δzattitude为姿态改正值；h天线为天线高；Δh水面为姿态传感器中心至海面高度；Δh水位是瞬时水位改正值；ξ为海面地形。

图3 测区测线相对位置关系

上述各分量的数值或直接给出，或测量计算得到。在将大地水准面高改化到瞬时海平面时再进行高斯滤波，顺序不能改变，之后再进行水位改正及海面地形的剔除，最后得到大地水准面高N。

联合瞬时大地高及瞬时水位的交叉点不符值信息见表1。

表1 交叉点不符值

由表1可知：由于使用高斯滤波后每一条测线两端的数据有部分损失，使得每一条处理后的测线相对变短，因此损失了部分交叉点信息。求得测线交叉点处的不符值以后，大地水准面测量采用以下公式进行精度估算

(2)

式中，Δhij表示交叉点大地水准面高不符值；N表示主副测线实际相交点总个数。计算可得M1=±2.7 cm。

(2) 应用卡尔曼滤波法处理数据的质量评估分析

相对于高斯滤波，经卡尔曼滤波后的测线数据没有损失，保持了改正前后相同的数据长度，对于同一批主副测线可以得到较多的交叉点不符值信息，见表2。

表2 交叉点不符值

经计算可得M2=±5.1 cm。

综上，可以比较得出M1

三、结束语

综上，高斯滤波、卡尔曼滤波处理数据虽然各有优劣，但从两种方法的结果看来，无论哪种方法，联合GPS RTK与瞬时水位推算技术推求沿海区域大地水准面的方法都是可行的，并可达到较好的精度要求。

[1] 郭春喜，伍寿兵，王惠民,等.区域厘米级大地水准面的确定[J].测绘通报，2000(9)：3-4.

[2] 李建成，宁津生，陈俊勇，等.我国海域大地水准面与大陆大地水准面的拼接研究[J].武汉大学学报(信息科学版)，2003，28(5)：542-546.

[3] 刘雁春．海洋测深空间结构及其数据处理[M]．北京：测绘出版社，2002.

[4] 晁定波.关于我国似大地水准面的精化及有关问题[J].武汉大学学报(信息科学版)，2003，28(S0)：110-114.

[5] 黄维彬．近代平差理论及其应用[M]．北京：解放军出版社，1992.

[6] 刘基余，李征航. 全球定位系统原理及其应用[M].武汉:武汉测绘科技大学出版社，1992：98-103.

[7] 国家技术监督局. 海道测量规范：GB 12327—1998[S]. 北京:中国标准出版社，1999.

[8] 郭海荣，焦文海，杨元喜.1985国家高程基准与全球似大地水准面之间的系统差及其分布规律[J].测绘学报，2004，33(2)：100-104.

[9] 曾天辉.RTK技术在测量中的应用[J].建材与装饰旬刊，2008(3)：184-186.

[10] 高伟,徐绍铨.GPS 高程分区拟合转换正常高的研究[J].武汉大学学报(信息科学版)，2004，29(10)：908-911.

ResearchontheMethedofCoastAreaGeoidConfirming

FENG Jintao，YOU Baoping，BIAN Gang，YANG Qingyu

冯金涛，尤宝平，边刚,等.一种新的沿海区域(似)大地水准面测定方法[J].测绘通报，2016(9)：130-132.

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0312.

P228

B

0494-0911(2016)09-0130-03

2016-04-11

海军大连舰艇学院科研发展基金(DJYKYKT 2015-21)；国家自然科学基金(41374108；41476087；41576015)

冯金涛(1982—)，男，硕士，研究方向为海洋测绘教学研究。E-mail：whitefjt@163.com