摘要：從GPS水下地形測(cè)量出發(fā)，粗略地分析研究了GPS的誤差來(lái)源以及誤差對(duì)水下地下測(cè)量的影響，同時(shí)，提出了相應(yīng)的改正辦法。
　　關(guān)鍵詞：GPS、誤差、改正
　　
　　差分GPS水深測(cè)量的誤差來(lái)源傳統(tǒng)劃分為平面定位誤差和水深測(cè)量誤差，事實(shí)上，由于GDPS水道測(cè)繪系統(tǒng)是由多種系統(tǒng)設(shè)備所組成，單純地考慮三維定位測(cè)量是不全面的。GDPS定位測(cè)量的誤差來(lái)源應(yīng)分為GDPS平面定位誤差、水深測(cè)量誤差、水面高程傳遞誤差、系統(tǒng)延時(shí)和船舶姿態(tài)等綜合誤差進(jìn)行討論。
　　1差分GPS定位誤差
　　1.1差分GPS平面定位誤差
　　差分GPS是利用基準(zhǔn)站和移動(dòng)站GPS接收機(jī)之間誤差的相關(guān)性，用差分技術(shù)消除和削弱兩者的公共誤差提高移動(dòng)臺(tái)的動(dòng)態(tài)定位精度。但采用偽距差分和載波相位差分時(shí)，其誤差的相關(guān)性是隨著兩站間距離的增加而減弱，定位精度隨之下將。
　　DGPS差分技術(shù)在30Km內(nèi)，基本消除了衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星軌道誤差、大氣層延遲誤差，但隨著距離的增加，衛(wèi)星軌道誤差、大氣層延遲誤差及RMS顯著增大，因此可認(rèn)為差分GPS技術(shù)在局部范圍內(nèi)對(duì)移動(dòng)臺(tái)定位精度有很大改善。
　　1.2差分GPS的時(shí)間延遲
　　由DGPS的定位原理，移動(dòng)臺(tái)是接收來(lái)自基準(zhǔn)站的差分信號(hào)進(jìn)行差分改正而實(shí)時(shí)計(jì)算出移動(dòng)臺(tái)的位置.在此過(guò)程中，移動(dòng)臺(tái)GPS接收機(jī)要經(jīng)過(guò)基準(zhǔn)站差分改正數(shù)的計(jì)算→改正數(shù)發(fā)射→差分信號(hào)接收→觀測(cè)衛(wèi)星→差分改正→發(fā)送位置信息→計(jì)算機(jī)接受信號(hào)的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，包含兩方面的時(shí)間延遲:其一是由基準(zhǔn)站GPS接收機(jī)計(jì)算出差分改正數(shù)，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)傳機(jī)到移動(dòng)臺(tái)的數(shù)傳機(jī)，再經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換進(jìn)入移動(dòng)臺(tái)GPS接收機(jī)的時(shí)間延遲。其二是進(jìn)入移動(dòng)臺(tái)GPS接收機(jī)的差分信號(hào)經(jīng)接收機(jī)進(jìn)行處理計(jì)算，在送至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ)的時(shí)延。
　　此外，若系統(tǒng)采用事后差分模式，由于目前大多數(shù)的導(dǎo)航軟件在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，移動(dòng)臺(tái)記錄的定位數(shù)據(jù)中的時(shí)間系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘，而基準(zhǔn)站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，一般為UTC時(shí)間，這樣在后處理過(guò)程中進(jìn)行數(shù)據(jù)合并時(shí)，如果計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘同UTC時(shí)間不能保持嚴(yán)格同步，則會(huì)引起基準(zhǔn)站和移動(dòng)臺(tái)數(shù)據(jù)的時(shí)間系統(tǒng)誤差而影響最終的處理結(jié)果。
　　2水面高程傳遞誤差
　　海洋測(cè)量中海底的高程獲得是依靠水面進(jìn)行傳遞。在高程傳遞的過(guò)程中需要進(jìn)行深度基準(zhǔn)面的確定、潮位站水尺零點(diǎn)的測(cè)定、潮位觀測(cè)、潮位改正過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，必然會(huì)產(chǎn)生這樣或那樣的誤差。
　　2.1深度基準(zhǔn)面的確定誤差
　　深度基準(zhǔn)面是一種相對(duì)基準(zhǔn)面，是為方便船舶航行、便于海圖的水深換算以及滿足海洋航道科研、設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)面，有時(shí)也稱為設(shè)計(jì)水位，深度基準(zhǔn)面在理論上是同大地平均水準(zhǔn)平行的，我國(guó)普遍采用理論深度基準(zhǔn)面.但在內(nèi)河，此相對(duì)基準(zhǔn)面是傾斜的，大致同河床平行，稱為航行基準(zhǔn)面，在長(zhǎng)江航行基準(zhǔn)面呈西高東低的形態(tài)，在長(zhǎng)江下游地區(qū)感潮河段，則采用理論深度基準(zhǔn)面。
　　理論深度基準(zhǔn)面的確定一般是以水文計(jì)算的辦法來(lái)確定，以航行保證率的方法計(jì)算。通常以95%的通航率為標(biāo)準(zhǔn)，而航行保證率是用統(tǒng)計(jì)的方法確定的，統(tǒng)計(jì)資料的時(shí)間愈長(zhǎng)，得到的保證率愈高.然而，在最初確定某處深度基準(zhǔn)面時(shí)，是很難依據(jù)保證率來(lái)確定。因而，理論深度基準(zhǔn)面雖然是顧及潮汐變化的一個(gè)人為的深度起算面，但它對(duì)海圖使用的影響最終與潮位預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確程度有關(guān)，只要獲得準(zhǔn)確的從深度基準(zhǔn)面起算的潮高，就可獲得實(shí)際水深值。我們知道理論基準(zhǔn)面是依驗(yàn)潮站多年的資料確定的，其實(shí)質(zhì)是確定理論深度基準(zhǔn)面同平均海面的差值.但在多年的潮汐觀測(cè)過(guò)程中，地殼的形變、水尺基準(zhǔn)水準(zhǔn)點(diǎn)的不規(guī)則下沉，水尺零點(diǎn)水準(zhǔn)測(cè)量過(guò)程、潮汐的觀測(cè)以及統(tǒng)計(jì)資料時(shí)間區(qū)間上儀器、觀測(cè)方法的更新必然會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)誤差和觀測(cè)誤差，直接影響理論深度基準(zhǔn)面的確定精度，最終影響到理論深度基準(zhǔn)面之間及同國(guó)家高程基準(zhǔn)間的換算精度。
　　2.2潮位站水尺零點(diǎn)的測(cè)定誤差
　　潮位站水尺零點(diǎn)的精度直接關(guān)系到潮汐觀測(cè)的準(zhǔn)確度，測(cè)定。在水準(zhǔn)測(cè)量過(guò)程中基準(zhǔn)點(diǎn)，儀器、水準(zhǔn)尺、觀測(cè)過(guò)程、從而給水尺零點(diǎn)高程帶來(lái)誤差。
　　2.3潮位觀測(cè)誤差
　　其測(cè)定是通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量的方法標(biāo)石等下沉因素會(huì)到來(lái)誤差，受太陽(yáng)、月球及起天體引力和地球自轉(zhuǎn)的相互作用，地球瞬時(shí)海面形成一個(gè)動(dòng)態(tài)起伏的面。影響瞬時(shí)海面高程變化的因素很多，但主要是由潮汐和波浪所引起。潮汐是一種長(zhǎng)周期波，具有極強(qiáng)的規(guī)律性，通常將其看作為一個(gè)確定性過(guò)程，而波浪為一種短周期的波動(dòng)，具有一定的隨機(jī)統(tǒng)計(jì)性，通常將其作為一個(gè)擾動(dòng)因素。目前，幾乎所有的潮位觀測(cè)方法均是針對(duì)波浪的擾動(dòng)，消除和消弱其擾動(dòng)影響，以期獲得準(zhǔn)確的潮汛水位值。潮汐觀測(cè)(或水位觀測(cè))方法主要有水尺觀測(cè)法、驗(yàn)潮井觀測(cè)法和傳感器式水位觀測(cè)法等。
　　水尺觀測(cè)法是海洋測(cè)量中普遍采用的方法，多應(yīng)用于臨時(shí)驗(yàn)潮站上。基本方法是選擇一個(gè)合適的驗(yàn)潮位置，豎立驗(yàn)潮水尺，某時(shí)刻在水尺上讀取2-3個(gè)瞬時(shí)水面觀測(cè)值，取其平均值作為該時(shí)刻的水位觀測(cè)值.此方法簡(jiǎn)單易實(shí)施，生產(chǎn)成本較低，但在動(dòng)態(tài)環(huán)境上讀取水位觀測(cè)值，受觀測(cè)者的主觀因素很大，雖然人工讀數(shù)用平均法消除了部分波浪的影響，但又附加了一部分人的隨機(jī)觀測(cè)誤差.因此，讀數(shù)平均法的濾波性能不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)精度不高。
　　2.4潮位改正誤差
　　在沉PS和水深測(cè)量?jī)x器聯(lián)合作業(yè)中，所測(cè)得的水深值是測(cè)船定位點(diǎn)處的瞬時(shí)海面至該點(diǎn)海底的深度。除了聲速改正、吃水改正等影響測(cè)深儀讀數(shù)的改正外，還必須將實(shí)際測(cè)量的水深值換算為相對(duì)于理論深度基準(zhǔn)面或平均海水面的高程，也就是得到穩(wěn)定的深度場(chǎng)，需要進(jìn)行潮汐改正(或稱水位改正)。由于測(cè)量船所處的海面受到潮汐的漲落起伏，作周期性的升降運(yùn)動(dòng)，水深測(cè)量是在這個(gè)不斷升降的海面上進(jìn)行的，測(cè)得的深度是由瞬時(shí)海面起算的深度，為了正確地表示海底地貌、就要把測(cè)得的深度化為規(guī)定的深度基準(zhǔn)面(我國(guó)采用理論深度基準(zhǔn)面)起算的深度，在工程測(cè)量中，有時(shí)采用當(dāng)?shù)囟嗄昶骄�海面作為起算的深度，這就是水位改正。如圖l所示
　　
　　圖1潮位改正誤差圖
　　潮位改正的數(shù)學(xué)模型為:
　　H=h-Hc
　　式中，h為實(shí)測(cè)水深；Hc為瞬時(shí)相對(duì)于理論深度基準(zhǔn)面的水位(或潮位)；H為測(cè)深瞬間海底相對(duì)于理論深度基準(zhǔn)面的高程。
　　從式中可看出，Hc的觀測(cè)精度會(huì)直接影響最終海底的相對(duì)高程。
　　在上段中，我們討論了潮汐的觀測(cè)方法及其誤差來(lái)源，這個(gè)討論是基于單個(gè)的潮位站開(kāi)展的。事實(shí)上，在水深測(cè)量的過(guò)程中，隨著測(cè)深位置同潮位站的距離的增加，其潮位的相關(guān)性顯著減少，因而在一定的精度誤差約束下，驗(yàn)潮站存在一定的有效作用范圍。對(duì)于大范圍的海洋水深測(cè)量，則必須設(shè)置多個(gè)驗(yàn)朝站進(jìn)行驗(yàn)潮，并進(jìn)行內(nèi)插改正。
　　3時(shí)間測(cè)定誤差
　　測(cè)深儀的發(fā)射器由震蕩、功能、發(fā)聲等電路組成，回聲信號(hào)放大器由功放、檢波、限幅、射極輸出等電路組成，時(shí)間的測(cè)定是在這兩者間對(duì)信號(hào)放大比較測(cè)定，由于受分辨率的限值和信號(hào)在線路及電路上的延遲，必然存在時(shí)間的測(cè)定誤差，則對(duì)深度值的影響為
　　
　　式中，為時(shí)間測(cè)定誤差。
　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于測(cè)深儀的時(shí)間測(cè)定問(wèn)題目前已得到很好的解決，時(shí)間測(cè)定誤差己不再是影響水深測(cè)量的主要誤差源。
　　4波浪對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)的影響及其消除
　　引起海面起伏的原因很多，如風(fēng)浪，潮汐，海嘯等。由風(fēng)引起的波浪，是海上分布最廣，出現(xiàn)概率最高，對(duì)水深測(cè)量產(chǎn)生影響最大而最不容易消除的一種隨機(jī)誤差。
　　波浪與普遍物理上的規(guī)則波有所不同，規(guī)則波的振幅、周期，波狀是有恒定的值，而波浪的振幅變化無(wú)章，相位雜亂;周期、波長(zhǎng)變化和方向分散;波浪發(fā)生的時(shí)間是隨機(jī)的，形狀也極不規(guī)則。在水深測(cè)量中，測(cè)區(qū)內(nèi)每一測(cè)點(diǎn)的波浪是隨地點(diǎn)變化的，其變化無(wú)法預(yù)知，沒(méi)有規(guī)律性。例如相隔幾米其波面高之差比兩點(diǎn)的潮汐差大得多。因此，對(duì)于波浪的影響的消除是件不易的事。
　　波浪除了隨機(jī)性外，還有方向性、傳播性。波浪是帶有方向性的物理現(xiàn)象，它是跟當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)的方向以及外海波浪的傳播方向有關(guān)，而且還表現(xiàn)在波浪本身的方向分散。對(duì)于某個(gè)海區(qū)的一個(gè)大范圍來(lái)說(shuō)，波浪又具有統(tǒng)計(jì)特征，由于海區(qū)波浪的時(shí)空變化的隨機(jī)性，一般可采用概率統(tǒng)計(jì)的方法去估算、預(yù)報(bào)波高、波周期和波長(zhǎng)，所以可以得到某海區(qū)一定范圍內(nèi)的統(tǒng)計(jì)值。但并不能預(yù)測(cè)到海區(qū)內(nèi)每一點(diǎn)波浪要素，因此，波浪的這一統(tǒng)計(jì)特征并不符合水深測(cè)量對(duì)測(cè)深點(diǎn)的同步要求。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
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