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精密单点定位技术在无验潮水深测量中的应用

归档日期:08-24       文本归类:非电离层      文章编辑:爱尚语录

  第 15 卷 2015 年 第3期 3月 中 国 水 运 China Water Transport Vol.15 March No.3 2015? 精密单点定位技术在无验潮水深测量中的应用 李海东 摘 1,2 (1.吉林大学 地球探测科学与技术学院,吉林 长春 130021;2.国家海洋局 第三海洋研究所,福建 厦门 361005) 要:文中对精密单点定位技术在无验潮水深测量工作中的应用进行了深入的分析,主要对精密单点定位技术的 观测模型以及具体的应用进行了分析,通过分析验证了精密单点定位技术在无验潮水深测量中应用的可行性。 关键词:无验潮;水深测量;精密单点定位技术 中图分类号:P228 一、精密单点定位的观测模型 1.精密单点定位技术 精密单点定位技术是采用事先确定好高精度卫星轨道、 时钟差、双频载波相位以及伪距观测量之后所进行的单点定 位方法。通过精密单点定位技术的应用,单台双频接收机能 够在全球范围实现高精度的单点静态定位以及动态定位。同 时,随着现代卫星轨道以及时钟差精度的不断上升,精密单 点定位的精度可以达到厘米级,而动态定位的精度则可以达 到分米级[1]。 2.精密单点定位观测模型 精密单点定位技术中常用的观测模型主要有传统模型、 UofC 模型以及无模糊度模型三种。 (1)传统模型 传统模型主要是通过双频载波相位以及伪距观测值的无 电离层组合共同构成观测模型,该模型可以有效消除一阶电 离层带来的影响。在精密单点定位中,传统模型的非差相位 观测方程可以用下面的公式进行表示: ? IF ? f12 f2 ?1 ? 2 2 2 ? 2 f12 ? f 22 f1 ? f 2 1 ? cdt ? 2 ? f12 ?1 N1 ? f 22 ?2 N 2 ? ? ? ? ? IF ? f1 ? f 22 文献标识码:A 文章编号:1006-7973(2015)03-0320-04 (2)UofC 模型 UofC 模型在无电离层相位组合的基础上,还采用了 L1 和 L2 两个频率上的测码伪距以及相位观测值的平均形式的 组合,其观测模型可以用下面的公式表达: PIF , L1 ? PIF , L2 ? ? IF ? 1 1 ? P1 ? ?1 ? ? ? ? cdt ? dtrop ? ?1 N1 ? ? PIF , L1 2 2 ? ? ? (4) 1 1 ? P2 ? ? 2 ? ? ? ? cdt ? dtrop ? ?2 N 2 ? ? PIF ,L2 (5) 2 2 ? f12 f2 (6) ?1 ? 2 2 2 ? 2 ? ? ? cdt ? dtrop ? BIF ? ? ? ? IF ? f12 ? f 22 f1 ? f 2 公式(4) 、 (5) (6)中的 PIF , L1 和 PIF , L2 分别表示 L1 和 L2 两个频率上的码与相位的组合观测值; ? IF 表示传统的无 1 电离层相位组合观测值;? ? PIF ,L ? 、? ? PIF , L ? 以及 ? ? ? IF ? 分别表 2 示 3 种组合观测值的量测噪声以及其它未被模型化因素所引 起的误差值。 (3)无模糊度模型 无模糊度模型通过历元间差分的载波相位观测值以及无 电离层伪距组合观测值进行求差处理。该模型的主要特征是 消除了模糊度对观测结果的影响,在观测过程中不需要对模 糊度进行考虑,其可以用下面的形式表达: PIF ? f12 f2 P ? 2 2 2 P2 ? ? ? cdt ? dtrop ? ? ? PIF ? 2 1 f ? f2 f1 ? f 2 2 1 (1) ? ? ? d ? trop 可以利用下面的公式表示传统模型的非差测码伪观测方 程: (7) (8) PIF ? ? ? ? dtrop ? cdt ? ? ? PIF ? f12 f2 P ? 2 2 2 P2 2 1 f ? f2 f1 ? f 2 2 1 (2) ??IF ? ?IF ? i ? ??IF ? i ?1? ? ? ? i ? ? ? ? i ?1? ? c ? dt ? i ? ? dt ? i ?1? ? ? drop ? i ? ? drop ? i ?1? ? ? ? ??IF ? ? ?? ? c?dt ? ?dtrop ? ? ? ??IF ? 公式(1)和(2)中的 P 表示伪距观测值; ? 表示载 波相位观测值;f 表示载波频率,trop 表示对流层延迟,c 代 表光速;dt 表示接收机的时钟差;ρ 表示星地间的距离; 公式(7)和(8)中的 ?? IF 表示两个历元 i 和 i-1 时刻 ?? 表示两个历元的几 无电离层相位组合观测值之间的差值; 何距离差值;? ? ?? IF ? 表示历元差观测值的两侧噪声以及未被 模型化的误差。 二、无验潮水深测量的基本原理 1.无验潮水深测量系统基本构成 无验潮水深测量系统由 GPS 设备、 深测系统以及水上导 模糊度;? ? ? IF ? 和 ? ? PIF ? 分别表示两种组合观测值的未被模 型化的误差以及观测噪声。 收稿日期:2015-02-07 1 ? f12 ?1 N1 ? f 22 ?2 N 2 ? 表示无电离层组合观测模型的 f12 ? f 22 作者简介:李海东,吉林大学地球探测科学与技术学院,国家海洋局第三海洋研究所。 基金项目:国家海洋局第三海洋研究所基本科研业务费(海三科 2009058) 。 ???? 第 3 期 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 李海东:精密单点定位技术在无验潮水深测量中的应用? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 321 航采集软件三个部分构成,其中深测系统包括深测仪和换能 器两个部分[3]。 2.无验潮水深测量系统基本工作原理 无验潮水深测量技术放弃了传统的人工验潮或自动验潮 仪的观测方式, 而通过高精度的卫星测高技术进行水深测量。 其基本测量原理是通过高精度的卫星定位系统的测高方式, 以验潮站或者附近水准点的深度基准面大地高,结合卫星导 航定位技术,求出测点位置的深度基准面的大地高,进而利 用他们之间的关系得到测点的图载成果水深值,卫星导航定 位系统的测高技术是无验潮水深测量的最关键技术。 (1)计算验潮站深度基准面大地高 图2 GPS 无验潮成果水深计算示意图 ? 由上图可知,图载水深可以按照下列公式进行计算[4]: D ? H 0P ? H D (11) H D ? H ? (ha ? d ) (12) (13) d ? s ? 深测仪设定的确良吃水+声速改正 公式中 D 表示深度基准面起算图载成果水深;HD 表示 测点 P 海底大地高度值;ha 表示 GPS 天线至换能器经过改 正之后的垂直高度值; d 表示换能器到海底实际水深; s 表示 导航采集系统所记录的原始水深。 另外, 还可以根据下面的公式从 GPS 测高数据中对从深 度基准面起算的潮位进行反推。 h1 ? H ? H 0P ? ( ha ? 测深仪吃水) 图1 验潮站深度基准面大地高求定示意图 (14) 通过对上述公式进行分析可知,如果利用基于差分定位 的无验潮水深测量作业模式对图载成果水深进行计算,则搜 先需要根据精密单点定位所计算的高精度基准站三位坐标系 对差分定位进行解算,然后通过基准站与验潮站对水准进行 联合测量从而求出 H,H0 则由公式计算得出,最后利用公式 计算出图载成果水深。而通过精密单点定位无验潮水深测量 (9) 作业模式则可以紧紧通过计算验潮站水准点的大地高度值再 利用公式计算出图载水深成果。 三、实例分析 为了对水深测量作业中精密单点定位技术的应用可行性 进行验证,下面借助某次海上水深测量的实际数据,分别采 用传统的人工验潮方法、基于差分定位技术的无验潮以及基 于精密单点定位技术的无验潮三种方案对这些数据进行处 理,然后对三种方案所获取的潮位结果、主检交叉点不符值 以及水深成果进行深入的分析和比较,从而对精密单点定位 技术在水深测量应用中的可行性进行检验[5]。本次测量实验 分共花费 3d 完成,水深测量轨迹如图所示。 验潮站深度基准面与多年平均海面、GPS 天线以及验潮 站水准点等基准面之间的空间结构具体如图所示,根据图 1 中所示结构,可以利用下面的公式对验潮站深度基准面的大 地高进行计算: H 0 ? H ? [h ? ( L ? hm ) ? ?h] 公式中的 H 用于表示验潮站水准点的大地高;h 用于表 示验潮站水准点与高程基准面的高度差值;L 用于表示品滚 海平面与深度基准面的高度差值;hm 用于表示多年平均海面 与高程基准面之间的高度差值; △h 用于表示 GPS 天线与水 准点的高度差值。 (2)计算测点深度基准面大地高 水深测量的归算面是进行深度测量的基准面,其具体的 确定会直接影响水深测量结果的精度,对水深测量工作开展 的质量具有重要影响。当采用多个验潮站的深度基准面联合 表示测量区域深度基准面时,则先利用公式计算出每个验潮 站的深度基准面大地高,然后利用下面的公式计算出测量点 深度基准面的大地高。 H 0 (i) S (i) H ? 1 ? i ?1 S (i ) P 0 ? i ?1 n n (10) 公式中的 H 0 H 用于表示测点 P 处深度基准面的大地高 度值;n 表示验潮站的个数; H 0 (i) 表示第 i 个验潮站深度基 准面的大地高度值; S (i ) 表示测点 P 与第 i 个验潮站之间的 距离。 (3)计算图载成果水深 ? 图3 测线.潮位结果分析 中 国 水 运 第 15 卷 表 6 差分定位解主检测线不符值分布规律统计 深度 0m 0~20m 20~30m 30~50m 比对数量 0 0 34 1 0 0 35 0% 限差 0.2m 0.5m 0.6m 0.7m 1.5m 水深 3% 超限数量 0 0 0 0 0 0 0 ? 分别采用传统的人工验潮方法、基于差分定位技术的无 验潮以及基于精密单点定位技术的无验潮三种作业模式对三 天的潮位数据进行比较分析, 具体的数据比较结果如表所示。 表 1 人工验潮值与差分定位无盐潮结果的比较(单位:m) 日期 1d 2d 3d 最大值 1.124 1.361 1.631 平均值 0.290 0.022 0.184 标准差 50~100m 0.225 0.253 0.324 100m 以上 总计 超限点占比 表 2 人工验潮值与精密单点定位无盐潮结果的比较(单位:m) 日期 1d 2d 3d 最大值 0.379 0.828 0.831 平均值 0.018 0.007 0.025 标准差 0.125 0.129 0.197 表 7 人工验潮主检测线不符值分布规律统计 深度 0m 0~20m 20~30m 30~50m 50~100m 100m 以上 比对数量 0 0 33 2 0 0 35 5.714% 限差 0.2m 0.5m 0.6m 0.7m 1.5m 水深 3% 超限数量 0 0 2 0 0 0 2 表 3 差分定位无盐潮结果与精密单点定位无盐潮结果的比较 (单位:m) 日期 1d 2d 3d 最大值 1.136 1.281 1.494 平均值 0.308 0.015 0.159 标准差 0.241 0.288 0.251 总计 超限点占比 在《海道测量规范》中(GB 12327-1998)中对水深 测量过程中主检测线不符值的限差进行了详细规定,具体内 容如下: (1)当测量水深在 0~20m 范围时,主检测线m 范围时,主检测线m 范围时,主检测线m 范围时,主检测线m 时,主检测线不符值的限 差不能超过水深的 3%。 另外,规范中海对主检测线不符值的超限点数进行了规 定,规定其不能超过比对总点数的 15%。 从表中可以看出,人工验潮、差分定位无验潮以及精密 单点定位无验潮三种水深测量作业模式处理所得到的住检测 线交叉点不符值均满足水深测量规范的要求,这也充分说明 了基于精密单点定位的无验潮水深测量作业模式在实际工作 应用中的可靠性。 3.水深成果分析 以上述三种方法对三天的实验数据进行水深成果计算并 进行统计分析,具体分析结果如表所示,而表给出了实验所 有水深成果的统计分析结果。 表 8 人工验潮与差分定位解的水深成果比较(单位:m) 日期 1d 2d 3d 最大值 1.631 1.361 1.631 平均值 0.184 0.022 0.184 标准差 0.324 0.253 0.324 表 4 三种作业模式结果比较(单位:m) 对比项 人工验潮值与差分定位 人工验潮值与精密单点定位 差分定位与精密单点定位 最大值 1.631 1.494 0.831 平均值 0.165 0.161 0.018 标准差 0.271 0.261 0.154 从上述对比数据中可以看出,差分定位反推的潮位值与 精密单点定位反推的潮位值之间的差值较小,这说明精密单 点定位可以在无验潮水深测量工作中进行应用。而差分定位 反推的潮位值以及精密单点定位反推的潮位值与人工验潮的 潮位值之间的差值均较大,出现这种情况主要是由于人工验 潮水深测量过程中未对船只动态吃水以及涌浪所产生的影响 计算其中,而无验潮水深测量则可以有效避免这种影响,从 而提高结果的精度。 2.主检测线交叉点不符值分析 根据上述三种作业模式处理得到的主检测线交叉点不符 值的具体分布规律如表所示。 表 5 人工验潮主检测线不符值分布规律统计 深度 0m 0~20m 20~30m 30~50m 50~100m 100m 以上 总计 超限点占比 比对数量 0 0 33 2 0 0 35 5.714% 限差 0.2m 0.5m 0.6m 0.7m 1.5m 水深 3% 超限数量 0 0 2 0 0 0 2 (下转第 325 页) ? ???? 第3期 ???????????????????????????黄 曼等:浅析垂直农场在城市中的应用? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 325 可以相信,在未来的几年到几十年,垂直农场必将突破技术 瓶颈,实现全世界的普及和应用,解决全球粮食问题。 六、结束语 作为城市新型农业发展模式的垂直农场,通过人工技术 控制农作物生长环境进行全年不间断的生产,利用极少的土 地为城市提供数量可观、供应稳定的农作物产品,改善城市 环境质量,引导城市居民进入低碳生活。虽然到目前为止, 垂直农场的理念在我国发展的还比较缓慢,但有理由相信, 随着科学技术的进步和城市发展的需求,垂直农场终将会在 我国获得前所未有的发展。 ? 图4 新加坡热带地区生态设计大厦 参考文献 [1] 陈旭铭. 垂直农业在城市发展所面临的问题与策略研究[J]. 生态经济,2013, (3) :136-139. [2]作者不详.垂直农场,再造一个巴西[J].新财经,2012, (2):76-77. [3] 孝文.韩国试验摩天大楼垂直农业[J].工会博览,2011, (24):13-14. [4] 陈旭铭.中国发展建设城市垂直农场的前景探讨[J].现代 商贸工业,2011,(20):96. [5]黄帆. “垂直农场”:农业发展新趋势[J].WTO 经济导刊, 2010, (4) :88. [6]杨锐, 王丽蓉. 垂直的农场: 未来都市农业景观初探[C]. 中 国风景园林学会.中国风景园林学会 2011 年会论文集: 下 册.南京:中国风景园林学会,2011. 五、垂直农业的发展前景 预计到 2050 年世界上超过五分之四的人口将居住在城 市,到那时候,全世界的人口将增加约 30 亿。不仅如此, 目前全世界超过百分之八十的可耕种的土地已被利用,粮食 问题将越来越成为全世界人民共同关注的问题。为了避免灾 难的发生,解决未来粮食问题,合理充分利用有限的土地资 源显得尤为重要。因此,在都市中建设室内垂直农场或许可 以成为一个新的解决途径。 十年前,垂直农场或许只是一个概念。但是随着科学技 术的发展,许多国家已经开始试水垂直农业[5、6]。当首批由 “垂直农场”生产的食品第一次走进超市货架上的时候,设 想中的垂直农场已经变为了现实。更重要的是,它的用水量 相比传统农场减少了近百分之九十。不仅如此,2012 年新 加坡一座小型垂直农场生产的产品也开始面世。因此,我们 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? (上接第 322 页) 表 9 人工验潮与精密单点定位解的水深成果比较(单位:m) 日期 1d 2d 3d 最大值 1.494 1.281 1.494 平均值 0.159 0.015 0.159 标准差 0.251 0.288 0.251 总之, 传统人工验潮获得的水深成果与 GPS 无验潮测高 所获得的水深成果存在较大的系统偏差,这种系统偏差主要 是由于传统人工验潮测量模式未对测量船只的动态吃水所产 生的影响进行修正所引起的。而基于差分定位以及精密单点 定位的无验潮测量模式可以有效克服测量船只动态吃水产生 的影响,从而降低所得到的水深成果的系统偏差,这也证明 了差分定位技术与精密单点定位技术所得到的定位精度基本 相同,因此,可以利用精密单点定位技术取代差分定位技术 在无验潮水深测量作业中进行应用。 参考文献 [1] 王正军.精密单点定位监测地面沉降研究[J].工程勘察, 2014, (09) :77-81. 标准差 0.302 0.264 0.177 表 10 差分定位解与精密单点定位解的水深成果比较 (单位: m) 日期 1d 2d 3d 最大值 0.833 0.828 0.833 平均值 0.025 0.007 0.025 标准差 0.197 0.129 0.197 表 11 三种作业模式结果比较(单位:m) 对比项 人工验潮与差分定位 人工验潮与精密单点定位 差分定位与精密单点定位 最大值 1.631 1.494 0.833 平均值 0.130 0.111 0.019 [2] 张华,唐俊,宋国大等.海岛礁测量中精密单点定位优化 解算方案研究[J].海洋测绘,2014, (04) :13-16. [3] 徐益群,陈日高.精密单点定位技术在海上工程中的应用 [J].海洋测绘,2014, (04) :66-68. [4] 王阅兵,游新兆,金红林等.北斗导航系统与 GPS 精密 单点定位精度的对比分析[J].大地测量与地球动力学, 2014, (04) :110-116. [5] 胡艳,胡剑.GPS 单历元精密单点定位精度分析[J].山东 科技大学学报(自然科学版),2013, (01) :74-78. 从表中的水深成果对比结果来看,精密单点定位于差分 定位的测高精度基本处于同一水平;GPS 无验潮工作与人工 验潮所获取的水深成果存在系统偏差,GPS 无验潮在水深测 量工作中的应用可以有效避免船只动态吃水以及涌浪对测量 结果的影响,因此,船只动态吃水的量级大约为 10cm。 ? ?

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