GNSS PPK技术在疏浚与吹填工程测量中的应用

李 炜，黄幼明

（中交华南勘察测绘科技有限公司，广东 广州 510220）

引 言

全球导航卫星系统（GNSS）在测绘行业应用越来越广泛，定位需求从静态发展到动态，定位精度越来越高，定位技术越来越丰富，有SPS（伪距单点定位）、PPP（精密单点定位）、载波高精度定位（静态）、DGNSS（伪距差分）、RTK（实时动态定位）、NRTK（网络RTK）和PPK（后处理动态定位）等定位技术。不同的定位技术有不同的优缺点、不同的适用范围，比如：DGNSS无需载波相位观测值，避免周跳、模糊度等复杂问题，但定位精度较低（1～2 m）；静态相对定位的精度较高，但外业观测时间较长、数据处理复杂；RTK（实时动态定位），精度相对较高（cm级），但需架设基站，精度受距离限制，且作业距离受无线电传播的限制，一般小于20 km；NRTK（网络RTK）无需架设基站，距离可拓宽50 km，精度与RTK相当，但主要应用在城市CORS网下。

在疏浚工程测量中，DGNSS、RTK、NRTK技术已广泛应用，但PPK（Post Processing Kinematic）技术仅用于潮位测量，应用相对较少。PPK模式即后处理动态测量模式，是GNSS测量作业的一种常用、成熟模式。PPK技术与RTK技术均属于高精度动态定位，但PPK技术不受无线电高波特率数据传输的可靠性、抗干扰性及基准站与流动站的距离等因素的影响和限制，有效作用距离可以达到80 km，可以作为RTK技术的有效补充，具有很好的应用前景和推广价值。

1 基本原理

在GNSSPPK作业模式，采用一台基准站接收机和至少一台流动接收机同步观测相同的卫星，无需实时接收流动站到基准站之间的坐标差分量，只需连续记录基准站和流动站的同步观测数据；事后在计算机中利用GPS处理软件进行线性组合，形成虚拟的载波相位观测量值，确定接收机之间厘米级高精度的相对位置；然后进行坐标转换得到流动站在地方坐标系中精确的三维坐标。

以Trimble R10为例，双频GNSS在PPK作业模式下，其平面和高程测量精度分别为：

M=±8 mm+1 ppm×D，

M=±15 mm+1 ppm×D

式中：D为基线长度，单位为km。

在基线长度小于30 km时，平面和高程精度优于±5 cm，满足疏浚工程控制测量、地形测量和吹填施工测量要求；在基线长度小于80 km时，平面和高程精度均优于±10 cm，满足疏浚工程水深测量要求。

2 GNSS PPK在疏浚工程中的应用

2.1 控制测量

1）存在问题

在疏浚工程开工前，需要对控制点资料进行平面精度验证和求取WGS-84坐标与当地坐标系间的坐标转换参数。以湄洲湾深水航道三期工程为例，4个控制点分别位于湄洲湾两岸，两点间距约 6～13 km。首先采用4台套GNSS进行静态相对观测，通过对采集的GNSS静态观测数据进行基线处理、无约束平差和约束平差。经验证，业主提供的4个控制点均无显著变化。然后采用经无约束平差得到的各控制点 WGS84坐标和已知的 1954年北京坐标，求取WGS-84坐标和1954年北京坐标的坐标转换参数。为验证求取的坐标转换参数的正确性，须选择在其中一个控制点架设基准站，RTK流动站分别采集其他控制点坐标进行比对分析。但由于RTK配备的PDL电台老化、基准站架设的周边环境影响等原因，距离基准站最近的控制点仅6 km，却未能收到基准站播发的无线电差分信号。

2）应用原理

采用 GNSSPPK作业模式在控制点架设基准站，流动站分别架设于其他控制点进行数据采集。在后处理时，建立当地坐标系统，输入通过GNSS静态相对观测求取的坐标转换参数，并在当地坐标系统下进行约束平差可以获得流动站采集的控制点坐标。整个作业过程无需实时接收差分数据，成功避免并解决无线电传播的问题。

3）应用情况

架设基准站时与 RTK类似，不同的是测量类型应为“FastStatic”，记录间隔宜为1 s。考虑控制测量要求精度相对较高，流动站采用快速对中脚架进行对中，测量类型应为“后处理动态测量”，连续观测300历元。经验证，坐标转换参数可用，顺利完成湄洲湾三期工程控制网点验证工作。

若在面积较大、地貌比较复杂的地区，需不停地移动中继站或搬迁基准站，作业效率较低；在机场等无线电限制区域，禁止使用 RTK无线电，进行地形测量不得不采用全站仪等常规作业手段，作业效率低。而GNSS PPK作业模式，不受无电传输距离限制，作业距离较远，可以在面积较大、地貌复杂的地区和无线电限制区域进行地形测量。

2.2 摄影测量

1）存在问题

无人机低空摄影测量作业效率高，在陆域地形测量中得以广泛应用。随着DGPS辅助航空摄影测量技术的进步，大量减少了空中三角测量中地面像片控制点的布设，但高程测量精度仍无法满足吹填区地形测量的精度要求。

2）应用原理

搭载可进行PPK的高精度GNSS接收机和惯导系统IMU（Inertial measurement unit）的无人机，在航空摄影测量时，用GNSS记录相机曝光时刻航摄仪物镜中心的位置，IMU记录航摄仪的姿态参数。GNSS采用PPK作业模式，经后处理可获得每张像片对应航摄仪的精确位置，与 IMU数据进行联合处理，可直接获得每张像片的六个外方位元素，建立各张航片的相对位置关系，大量减少地面控制点布设的数量，甚至无需地面控制点。

3）应用情况

采用配备GNSS接收机和IMU的Trimble UX5 HP无人机在广州港南沙某吹填区域进行摄影测量，GNSS采样频率采用20 Hz，单个航次（30分钟）完成0.7 km2吹填区地形测量。吹填区地势相对平坦，本次作业布设地面像片控制点一个。为分析其精度，作业前在吹填区设置了 20处明显标志，便于在像片中精确识别，并采用激光扫描全站仪，对设置标志实测平面坐标和高程坐标，比对情况见表1。可以看出：本测区检测点平面点位误差最小值为 0.013 m，最大值为 0.055 m，点位中误差为±0.038 m；检测点高程误差最小值为0.006 m，最大值为0.062 m，高程中误差为±0.029 m，满足疏浚与吹填工程1:500大比例尺地形测量和吹填施工测量的精度要求。

表1 摄影测量与激光扫描全站仪测量成果比较 /m

2013年台山某测量项目使用GPS单点定位进行摄影测量，点位中误差为 0.5 m，高程中误差为0.3 m。而此次试验采用GNSS PPK技术进行摄影测量，极大地提高了平面及高程精度，主要原因有：对于高速飞行器，GNSS采样频率采用20 Hz，经后处理可以直接精确获取每张像片的空间位置，而常规GPS辅助摄影测量中DGPS精度低、RTK采样频率为1 Hz；本次测量面积小，测区地形相对平坦；配备了3 600万像素的全景相机，获取的影像可达到1 cm精度的分辨率；专业的无人机影像后处理软件具有基线解算功能，可以全自动匹配连接点、自动空三测量，功能强大，解算精度高。在今后的应用过程中将继续研究并验证其精度的稳定性。

2.3 三维水深测量

1）存在问题

对于沿海长航道水深测量，测区超出岸边水位站有效控制范围，需在海上设立临时水位站（修建验潮站、抛压力式验潮仪）、潮位推算，或直接进行GPS RTK三维水深测量。但上述方法均存在一些难以克服的缺点，影响其在沿海长航道水深测量的适用性。

2）应用原理

GNSS PPK三维水深测量基于海洋测绘软件HYPACK 2014进行，在外业数据采集过程中采用GNSS PPK进行导航定位，存储单点定位的平面数据和高程数据，在内业数据处理时采用经后处理的精确三维坐标逐一替换原始数据中的单点定位数据，达到精确定位和水位改正，从而不需要建立水位站进行验潮。

3）应用情况

在广州港南沙港池进行GNSS PPK三维水深测量，并与广东省海测大队的水深测量图进行水深重合比对分析。测区水深小于20 m，在不同作业组、不同测量日期重复测深线的重合处，比对互差小于等于0.4 m占97.8 %，证明GNSS PPK三维水深测量符合我国现行《水运工程测量规范》有关要求，可以有效解决沿海长航道水深测量问题。

图1 外符合精度分析

在GNSS PPK三维水深测量中，无需对水位进行拟合，而是进行实时水位改正，避免了水位曲线拟合所引起的误差；且GNSS PPK实时水位包含了涌浪造成的测量船升沉量的改正，进一步有效提高了水深测量精度。

2.4 海上高程异常测定

1）存在问题

GNSS测量获得的高程成果是基于WGS-84参考椭球的大地高，而我国法定高程系统为以似大地水准面为基准的正常高，两者存在的差异即为高程异常。在离岸一定距离的海上或岛礁，在使用GNSS进行高程测量或精化区域似大地水准面时，须精确测定高程异常值。在陆地，会与国家大地控制进行GNSS静态相对观测和水准测量分别获取控制点的大地高和正常高；而在海上或岛礁，无法与国家大地控制网进行水准联测。

2）应用原理

大地测量学假定平均海面为大地水准面，因此各地的多年平均海面，其高程应该是相等的。但由于短期扰动的影响，各地多年平均海面的高程存在差异，但差异是微小的，一般在每100 km范围内平均仅为10 mm，优于国家二等水准测量的精度要求。采用同步期平均海面法传递高程，两水位站距离72 km时，大潮期间同步观测3天，计算的高差最大差值小于0.05 m。所以，可以认为在相距50 km以内的沿岸和海上分别设立陆地水位站和海上临时水位站，在大潮期间同步观测3天或7天以上，分别计算的临时平均海水面（逐时潮位的平均值）相等。

而海上临时水位站观测采用GNSS PPK作业，若不考虑高程异常影响，在大潮期间同步观测3天或7天以上的两个临时平均海水面应一致。反之，若两个临时平均海水面不一致，则是基准站与流动站的高程异常不同所致。根据高程异常的定义，似大地水准面到参考椭球面的距离，计算公式为：高程异常=大地高-正常高。陆地水位站观测水位属于正常高，GNSS PPK获得的水位（高程数据未经高程异常改正）属于大地高，所以海上临时水位站所处位置的高程异常等于GNSS PPK所测水位的平均值减去陆地水位站观测水位的平均值。

3）应用情况

在港珠澳大桥工程中，在测区挖泥船“金雄”上安装GNSS接收机，设置海上临时水位站，陆地水位站采用香港天文台公开发布的香港赤鱲角水位。分别于2012年11月10日至12日，2014年5月14日至17日进行了两次同步观测，所求得的高程异常仅相差0.4 mm，说明采用GNSS PPK进行同步验潮测定海上高程异常的方法可靠。

3 结 论

1）GNSS PPK技术不受无限电传播距离限制，有效作用距离较远，精度较高。采用GNSS PPK技术不仅解决了远距离 RTK无法完成控制网点验证的问题，还可以应用于面积较大、地貌复杂的地区和无线电限制区域进行地形测量。

2）采用GNSS PPK技术解决了常规摄影测量精度相对较低、不能满足疏浚与吹填工程中大比例尺测图精度要求的问题，不仅提高了平面精度和高程精度，而且大量减少了地面像片控制点的布设。

3）采用GNSS PPK技术解决了远距离水深测量水位控制和精度保证的问题，成功应用于三维水深测量，还解决了海上高程异常测定的难题。在今后的疏浚与吹填工程测量中具有广阔的应用前景。