本科毕业论文
GNSS配合测深仪在水下地形图测绘中的应用
刘吉羽
200831080112
指导教师林观土副教授
学院名称信息学院专业名称测绘工程
论文提交日期2012年5月4日论文答辩日期2012年5月19日
摘要
GPS-RTK技术定位速度快、精度高、实时的特点,给GPS- RTK在水下地形测量中的应用提供了良好的基础,可以快速、准确地进行水下地形测量。
本文首先对水下地形测绘的发展状况，我国测深技术的发展历程和测深的意义进行了介绍，叙述了GPS导航定位的基本原理和方法，介绍了GPS定位技术的原理以及工作组成部分，测深仪的工作原理，以及GPS、测深仪组合系统和全站仪、测深仪组合系统在水下地形测量中的原理、工作方法和注意事项，并提出了实地测深时应注意的问题。
本文还扼要的介绍了测深技术在水下地形测量中的误差来源，分析了其影响水深测量精度的因素，简要的提出了测深误差的改正。鉴于高精度全站仪在水下地形测绘中，精度相对RTK较高。本文利用改正后30个点的GPS-RTK的深度观测值与相同位置全站仪深度观测值对比，利用南方CASS软件计算面积为14523.84m2的固定区域内GPS-RTK 观测值的库容，并将其与相同区域内全站仪观测值的库容对比，研究GPS-RTK在水下测量中的应用价值。
实验表明，利用GPS-RTK配合测深仪进行水下地形测量，与传统的测量方式相比，具有较大的优势，特别是在面积较大，水下地形复杂，水深较大的水域，RTK水下地形测量简单、方便、快速、高效、可以全天候作业、同时大大提高了水深的测量精度。
关键词:GPS-RTK全站仪水下地形测量精度
GNSS combined with Depth Sounder Application of Underwater
Topography Surveying and Mapping
Liu Jiyu
(College of Informatics, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China) Abstract: GPS-RTK technical positioning characteristics of high speed, high precision, real-time, to GPS-RTK in the application of underwater topographic survey provided a good basis and you can quickly and accurately to underwater topographic survey.
The thesis elaborates the development situation of marine surveying and mapping and the progress and significance of sounding technology at home. Then the thesis systematically discuss the basic principle and methods of GPS Navigation and Positioning, the principle and components of GPS, the principle of Echo Sounder and GPS + Echo Sounder, total station + Echo Sounder in underwater topographic survey, and problems when sounding.
This thesis briefly describes the resources of errors of sounding technology in underwater topographic survey, analysis of the factors influencing the accuracy of bathymetric survey, briefly raised the error correction of sounding.Because of the higher precision of the total station instrument in the underwater topography, this article uses 30 points after correction of depth observations of GPS-RTK with the same comparative position depth of total station observations, use CASS software to get the observed value of capacity using GPS-RTK within a fixed area of the 14523.84m2and compared the same area capacity of total station observations, study on the application value of measurement of GPS-RTK under water topographic survey.
Experiments show that the use of GPS-RTK to underwater topographic survey combined with Echo sounder, compared with traditional methods of measurement, has larger advantage, especially in large, complex underwater terrain. GPS-RTK underwater topographic survey is simple, easy, fast, efficient and round-the-clock operations, while significantly improving the precision of the measurement of water depth.
Key words：GPS-RTK total station underwater topographic accuracy
目录
1绪论 (1)
1.1 引言 (1)
1.2 水下地形测量发展状况 (1)
1.2.1 水下地形测量的内容 (2)
1.2.2我国水下地形测量技术手段的发展状况 (3)
1.3测深的意义 (6)
1.3.1 测深在河道、水库测量中的应用 (6)
1.3.2测深在海洋工程中的应用 (6)
1.3.3测深在水底资源调查中的应用 (6)
1.3.4测深在军事领域中的应用 (7)
1.3.5测深在考古领域中的应用 (7)
1.4本文研究的目的及主要内容 (7)
2全站仪技术、GNSS技术和测深技术的测量原理 (8)
2.1 GPS定位原理及特点 (8)
2.2 GPS-RTK工作原理 (10)
2.3测深仪的基本工作原理 (11)
2.4GPS配合测深仪组合系统工作原理 (12)
2.5全站仪配合测深仪组合系统工作原理 (14)
3GPS-RTK与全站仪配合测深仪观测水下地形作业工程实例 (15)
3.1 测区概况 (15)
3.2测前的准备 (15)
3.2.1 物资准备 (15)
3.2.2作业准备 (15)
3.2.3作业计划 (16)
3.3外业数据的采集 (16)
3.3.1 GPS-RTK配合测深仪系统数据采集 (16)
3.3.2全站仪配合测深仪系统数据采集 (16)
3.4 数据成果 (17)
3.5 实地测深时应注意的问题 ............................................... 19 4 测量方法精度分析及提高测量精度的方法 .................................. 20 4.1 测深仪对水下地形测量的影响及改正 ..................................... 20 4.1.1 波束角对水深测量的影响 ............................................. 20 4.1.2 换能器动态吃水改正A H ............................................ 21 4.1.3 误差改正处理后数据成果 ............................................. 22 5 结论与前景预测 ........................................................ 25 5.1 结论与探讨 ........................................................... 25 5.2 前景预测 ............................................................. 25 参考文献 ................................................................. 27 附录 ..................................................................... 29 致谢 ..................................................................... 31 成绩评定表 (32)
1绪论
1.1 引言
21世纪是海洋世纪，把我国建设成为世界级的海洋强国是新世纪我国海洋中长期发展规划的总目标，是时代赋予我们的历史使命。统筹规划海洋的开发和整治，加强海岸带的综合开发和管理，合理利用海洋资源，促进海洋产业协调发展，推动沿海地区的进一步繁荣和发展对于我国的可持续发展极为重要。认识开发利用海洋和保护海洋许多国家积极推动海洋技术的发展，能够大力提高我国在海洋技术领域的国际竞争能力。
我国经济今后将持续增长，人口也将不断增加，这样资源的需求量和消费量会大幅度增长。限于陆上资源的种类和数量的有限性，我们就必须在发展科技、综合合理利用陆上资源的同时，不断开拓资源的新领域和新资源，把人们经济活动范围扩大到占地球表面积70．8％的海洋中去，使那里的各种资源能够为人类和我国的发展发挥出更大的作用。因此，海洋的战略意义越来越明显，人类向海洋进军的步伐已在加快。然而，人类对海洋的认识特别是海洋深处的环境、资源等的情况却知之甚少，人类对于海洋的探测技术和探测手段的发展也落后于其它科学领域的发展。
改革开放以来，我国海洋经济取得了飞速发展，海洋技术有了极大提升，海洋产业发展前景十分看好。随着现代科技的发展，在测绘行业中，现代海洋测绘也占有越来越重要的地位。根据海洋强国战略的要求，测绘范围也从近岸向公海延伸，覆盖中国近海全部海域。其中包括中国内海、领海、专属经济区和大陆架，以及公海的特定海域。在测量技术方面，GPS、RS、LIDAR(机载激光测深)、MES（舰载多波束）、GIS为一体动态探测继承技术以及仿生技术的不断发展，使得海洋测绘日益简便快速，同时促使我国经济更加和谐持续的发展(原大为等，2005)。
1.2 水下地形测量发展状况
水下地形测量主要应用于海洋测绘方面，水下地形测绘作为测绘领域的分支，其发展同其它相关领域的发展密不可分，但在自身独特的测绘环境中又逐步形成自己的发展体系。
从40年代开始，在海洋测绘中已经开始试验应用航空摄影技术。50年代，海洋测绘在应用新技术和扩大研究内容方面又取得了重大的进展。测深方面，除了使用单一波束的回声测深仪外，已开始使用侧扫声呐和多波束测深系统，海洋遥感测深也取得初步成功。定位手段，由采用光学仪器发展到广泛应用电子定位仪器。定位精度由几千米、几
百米提高到几十米、几米。测量数据的处理已经采用电子计算机。70年代以来，各主要临海国家已有计划地利用空间技术进行海洋大地测量和各种海洋物理场的测量(如海洋磁力测量)。特别是应用卫星测高技术对海洋大地水准面、重力异常、海洋环流、海洋潮汐等问题进行了比较详细的探测和研究。在海图成图过程中已广泛采用自动坐标仪定位、电子分色扫描、静电复印和计算机辅助制图等技术。海洋测量工作已从测量航海要素为主，发展到测量各种专题要素的信息和建立海底地形模型的全部信息。为此建造的大型综合测量船可以同时获得水深、底质、重力、磁力、水文、气象等资料。综合性的自动化测量设备也有所发展。例如1978年美国研制的960型海底绘图系统,就能够搜集高分辨率的测深数据，探明沉船、坠落飞机等水下障碍物，以及底质和浅层剖面数据等，并可同时进行海底绘图和水深测量、海底浅层剖面测量。海图编制除普通航海图的内容更加完善外，还编制出各种专用航海图（如罗兰海图、台卡海图）、海底地形图、各种海洋专题图（如海底底质图、海洋重力图、海洋磁力图、海洋水文图），以及各种海洋图集（黄谟涛等，2002）。
从80年代以来，数字海图数据库从无到有，发展异常迅速，随着电子计算机与数据库技术的发展，各国的数据库纷纷建成并得到完善。美国国家海洋局建立了美国近海、专属经济区及其他领地的海道测量数据库；英国建立了全球海域的光栅海图数据库；日本计划在10年内建立本国出版的1000幅航海图的数据库。德国A TLAS公司代表的SUSY-30FE/16测绘系统将电磁波测距技术同计算机技术结合，实现了野外数据采集、成图和工程量计算的自动化和智能化，开创了测量内、外业一体化、自动化的先河。但全球各国海图数据库的发展很不平衡，还有许多海域没有开始此项工作，预计21世纪中才有可能建成覆盖世界各主要航道的海图数据库。我国建立海洋测绘数据库的工作正在进行，并准备与国际接轨，建立满足实际需要的国家海图数据库中心（黄谟涛等，2007）。
1.2.1 水下地形测量的内容
水下地形测绘源于陆地测量，其任务可划分为科学性任务和生产性任务。科学性任务主要是满足科研需求而进行的，如地球形状，海底地址的构造运动、大地水准面的确定以及水域环境和海、河道演变分析等方面的研究。生产性任务是为满足实际工程需要而进行的水下测量工作，主要包括航海、航运、渔业、海洋工程、海上划界等生产项目。
水下地形测量主要包括定位和测深两大部分。传统的水下地形图测量方法是：定位测量采用经纬仪交会法、经纬仪配合测距仪极坐标法、全站仪方式等获得平面坐标；测
深利用测深杆法、测量锤法和回声测深仪等获得该平面位置处的水深，从而推算出该位置的水下高程。随着全球定位系统GPS技术的日益成熟，尤其RTK实时动态定位系统以其高精度、高效率、易操作的特点广泛应用于各种测量和放样，使用GPS-RTK技术进行水下地形测量就比较方便、快捷了。
1.2.2 我国水下地形测量技术手段的发展状况
海洋测量作为测绘科学研究的一个重要组成部分，它的主要任务是对海洋集合场合物理场参数进行精密测定和描述，其目的是为人类的活动提供必要的海洋空间信息。最近十几年，随着计算机技术和信息获取手段的改进和发展，海洋测量学科也发生了深刻的边划，继过去单一的海道测量学之后，相继出现了相对独立的海洋控制测量学、海洋工程测量学、海底地形测量学、海洋重力测量学、海洋磁力测量学以及海洋界面测量学等。机载激光测深、多波束测深以及侧扫声纳系统等一批具有全覆盖、高效率和高精度特点的高新技术测量设备的出现，已经使海洋测量从过去的点线测量模式转变为带状测量模式。海洋测量正在突破传统的时空局限，进入以数字测量为主体、以计算机技术为支持、以3S技术为代表的现代海洋测量新阶段。中国海洋测量技术在多个研究与应用领域的发展主要经过以下几个阶段：原始测量、常规水下测量、多波束全覆盖测量、机载激光测深等。
原始测量阶段
采用竹竿测量水深。这是将标有分划的竹竿（测杆），直接插入水底量测水深的方法。由于其劳动强度大并受使用测杆长度的限制，一般只适宜于测5m以内的浅水，水域的流速也不得大于1m/s，水深流急之处测杆很难固定在水中，所以是无法用测杆施测的。竹竿测量的精度比较高，一般均能满足规范规定的±0.1m—±0.2m之要求。这种原始测量水深的方法虽然简单落后，却是浅水区测深精度最高的方法。
砣测(或绳深)。这是在测绳下端牢系测深锤，将它投入水中，根据测绳的入水长度测得水深的方法，但其劳动强度大且也不适于水深流急之处。因为在流速大的水域，测绳会从中漂移，所测得水深值偏大，故一般只适于流速小于lm/s、水深小于15m的测区使用。以往在深水急流中测深是用测深铅鱼安装在测船的绞绳下进行，但该法既笨重又难操作，还要作测深绞绳的偏角改正等计算工作，所以现已基本淘汰，由回声测深仪取而代之。
常规水下测量阶段
采用回声测深仪测量水深使得水下地形测量进入了新时代，从此便有了测深的连续记录。回声测深仪的工作原理是利用换能器在水中发出声波，当声波遇到障碍物而反射回换能器时，根据声波往返的时间和所测水域中声波传播的速度，就可以求得障碍物与换能器之间的距离。但测深仪的不足之处是：它们是单波束，这样在有些网格之间就没有水深数据，靠此数据网格所形成的水下地形图可能会影响航行安全，有可能将礁石以及其他影响航行安全的障碍物漏测掉而导致事故。同时，单波束的测深仪器测量范围小，速度慢效率低，对大面积的水深测量尤其是航道、海底全覆盖测量来讲，已不能满足要求。
多波束全覆盖测量阶段
多波束测深是一种具有高效率、高精度和高分辨率的水下地形测量新技术，自20世纪70年代问世以来，特别是最近十几年，在高性能计算机、高精度定位和各种精密数字化传感器以及其他相关高新技术的介入和支持下，代表当代水下地形地貌勘测最新研究成就的多波束测深技术不断变革，获得了极大的发展。与传统的单波束测深仪相比较，多波束测深系统具有测量范围大、速度快、精度高、记录数字化以及成图自动化等诸多优点，它把测深技术从原先的点线状扩展到面状，并进一步发展到立体测图和自动成图，从而使水底地形测量技术发展到一个较高的水平（Huang Motao等，2004）。
我国从20世纪90年代开始陆续从国外引进多套多波束测深系统，分别应用于海道测量、海洋工程测量、海洋划界测量、海洋资源调查、港口维护、地质灾害监测以及水下考古等多个领域，在国民经济建设中发挥了重要作用。实际上，我国早在20世纪80年代中期就开始致力于多波束测深系统的研制与开发工作，由于资金和某些技术上的原因，当时只研制出了一套系统样机，进行了一些必要的原理性试验。直到20世纪90年代初期，我国才开始投资研制实用型多波束测深系统，一种称之为H/HCS-017型多波束测深系统已于1997年研制成功，并于次年投入使用。该系统主要由换能器阵、发射子系统、接受子系统、海底检测单元以及数据传送单元几大部分组成。系统的工作频率为45KHz，具有48个波束，波束角为2″×3″，其测深范围为10~1000m，扇区开角为120°，测深覆盖范围最大可达4倍水深。H/HCS-017系统测深精度满足当前IHO标准。该系统的研制成功，标志着我国海道测量技术装备水平已达到一定的高度。
根据当代海洋测量技术发展的需要，国际海道测量组织（IHO）在1994年9月的摩纳哥会议上制定出了新的海道测量标准，即IHOS-44标准，并规定在高级别的水深测量中必须使用多波束全覆盖测量技术（丁继胜等，1999）。随着多波束测深技术应用范围的
不断深入和扩展，其独特的高效率测量方式已经被越来越多的使用者所认识，人们对这种测深技术的要求也越来越高。为了满足这种需求，多波束测深设备生产厂家正致力于全海深测量技术、高精度测量技术、集成化与模块化技术以及高分辨率测量技术的开发与应用研究。可以预见，在未来一段时间内，多波束测深系统将主要在仪器结构和性能两个方面求的突破和发展。在仪器结构方面，将向更小的体积和重量、更高的集成度以及更具灵活性的安装和维修方向发展；在仪器性能方面，将向更完备的功能、更高的侧脸精度以及更加简便的操作使用方向发展。但需要强调指出的是，多波束测深技术经过二十多年特别是最近几年的飞速发展，其仪器设备不论是结构设计还是观测精度，都已经达到相当成熟和相对稳定的阶段，不同类型仪器之间的性能差异也越来越小，目前在国际市场上，几乎所有的商用多波束测深系统的观测精度都能达到甚至超过IHOS-44标准。在多波束测深数据如何实施有效的处理和管理，是当前特别值得重视和急特研究解决的主要问题。因此，设计开发能够采集各种多波束原始数据的通用接口，并在此基础上开发出规范化的多波束数据后处理软件，已经成为多波束技术产业发展的必然要求（黄谟涛等，2000）。
机载激光测深技术阶段
将激光技术应用于海道测量最早是由澳大利亚国防科学技术机构于20世纪70年代至80年代间提出来的，这一工作开辟了海道测量技术的一个新领域，即机载激光测深。由于它的灵活机动性、高效率以及管理和使用上的方便性，这一新技术被认为是当今快速完成浅水测深最具发展潜力的手段之一。我国在20世纪80年代中期就进行过机载激光测深原理性试验，但直到90年代中期才进入实质性研制阶段。2001年，“机载海洋测深系统”在上海研制成功，这一系统主要由激光测深子系统、动态定位子系统、数据采集与控制子系统、地面数据分析和处理子系统以及飞行保障子系统等五大部分组成。
作为浅水海道测量技术的一种补充手段，机载海洋测深系统将与传统的声学方法结合使用，我们将在未来的实践中通过不断积累经验来寻求它们之间的最佳结合方式。目前，中国科学家正致力于提高激光器发射频率和最浅测深能力的研究工作，力争使激光器重复频率提高到1000Hz，最浅测深能力提高到0.5m。机载海洋测深系统的推广和应用，标志着我国在未来将更加重视航空遥感测量技术在海洋测量领域的应用和发展（黄谟涛等，2003）。
纵观我国的海洋测绘技术的发展，在常规海洋测绘作业，管理与航海保证方面和海洋测绘理论、应用研究方面与发达国家水平相当。但目前有些测量手段、成图技术和数
据传输等方面还比较手段落后，有的还采用人工描绘，配套的仪器设备和人员配置不能满足快速测量的要求，甚至部分地局难以自行完成应急测量工作。测量设施和技术手段与航道维护工作距现代化、网络化管理的要求有一定差距。相信通过现代测绘人的不断努力研究，一定可以取得更好的发展。
1.3测深的意义
随着人类对海洋的开发和利用，人类的活动也越来越离不开海洋，而测深对海洋各个领域的研究起着至关重要的作用，因此，测深对人类在海洋中的活动作用也越来越显得突出。
1.3.1 测深在河道、水库测量中的应用
水下地形测量在航道、港口、水利、资源等领域拥有越来越广泛的应用。在河道整治和航运方面，为了保证船只安全行驶，用以了解河底地形，查明河中的浅滩、沙洲、暗礁、沉船、沉树等影响船只安全行驶的障碍物；在港口码头建设方面，为了在建港地区进行疏浚工作及停泊轮船而要修建码头，需要进行水下地形测量，作为其设计和施工的依据；在水利工程建设方面，利用水下地形测量资料，可以确定河流梯级开发方案、选择坝址、确定水头高度、推算回水曲线；在桥梁工程建设方面，用以研究河床冲刷情况，决定桥墩的类型和基础深度，布置桥梁孔径等；在科学研究方面，通过水下地形测量和有关河道纵、横断面测量，可以研究河床演变及水工建筑前、后的水文形态变化规律，监视水工建筑物的安全运营，观测水库的淤积情况（许家琨等，2004）。
1.3.2 测深在海洋工程中的应用
因为港口、海上石油平台、海底管线、油田井场、锚地等工程建设的基础在海底、铺设海底电缆需要在海底挖沟，并对铺设好的电缆进行掩埋和质量检查、这需要测深技术对海底地形进行细致的勘查，对施工作业区进行全覆盖测量，实时显示海下地形情况，更精确，更直观的提供基础图件和数据，获得高质量的海底地形信息，决定管线的铺设走向，航道的选择及港口治理，判断此海域是否可以作为锚地使用，还可以利用测深技术测定枯水期则因为水动力的影响又产生冲刷现象，不定期或定期地对固定海域进行测量，从而分析确定海底的冲淤变化规律，决定海洋工程的设计等（许文彬，2008）。1.3.3 测深在水底资源调查中的应用
寻找海底矿物是海底资源调查的重要内容，海底矿物的形成有其独有的机理，例如稀有金属锰结核都分布在大洋深处平坦海域，钻结核则是因海底火山喷发而形成。为了
寻找潜在矿区，必须首先获取相关信息，这就需要对海底地形进行高分辨的测量，利用测深技术可对海底沙质地形、岩石地层和软泥层进行探测，测出海底不同界面反射信号的差异，判断海底悬浮淤泥，判别岩石地层等资源。
1.3.4 测深在军事领域中的应用
利用测深技术，可以准确地测定水下地形，绘制水下地形三维立体图，提供直观的海底形态，获取大量的信息量，为未来数字化战争提供了准确地信息和数据，特别是在军事监查和战略思想上具有重要意义，它和其他航海保证工作一样共同完成保障舰艇安全航行、正确定位等任务。
1.3.5 测深在考古领域中的应用
水下考古是在现代科学中的新兴学科，我国近海沉积了许多古代文化遗产和财富，但我国一直缺乏相关技术设备和理论知识，给水下考古工作带来了难度，利用测深仪等高技术和设备可以准确地测定水下地形，探测到水下遗址的位置，生成直观的三维水下立体影像，考古学家根据测深仪提供的水下地形资料，对水下遗址进行考古调查，判断出考古的位置、结构等主要古迹的位置，使考古工作向前迈进了一大步。
1.4本文研究的目的及主要内容
水下地形测量源于陆地测绘，但同陆地测绘又存在很大的差异。水下地形测绘中，水深测量的精度和误差问题，一直是水下测量中很难处理的技术难题。水下测量过程中，定位和测深相对独立，由于受测量手段和外界因素的限制和影响，对GPS-RTK和测深仪系统的测量精度研究是水下地形测绘的一个重要分支。本文结合GPS-RTK和测深仪组合系统以及全站仪和测深仪组合在水下地形测量中的应用，介绍了GPS-RTK、测深仪以及其组合系统的工作原理、方法。
本文简要的叙述了水下地形测绘技术的发展状况，在我国海洋测深技术的发展状况的前提下，从测深仪本身出发，粗略地分析研究了水深测量的误差来源，并就误差的来源对水下地形测量的影响加以分析并提出了相应的改正。
本文利用工程实例，通过分析和对比全站仪和测深仪系统以及GPS-RTK和测深仪系统对广州附近某基地水库的测量结果，假设全站仪技术测量的成果精度较高，利用改正后的GPS-RTK观测值与全站仪观测值对比，并对水库内固定区域库容的计算结果对比，研究GPS在水下测量中的应用价值。为实际生产提供一定理论分析的依据和实践经验，期望对相应的海测工作有一定的参考价值。
2全站仪技术、GNSS技术和测深技术的测量原理
2.1GPS定位原理及特点
GPS定位系统采用高轨测距，以观测站至GPS卫星之间的距离作为基本观测量。为了获得距离观测量，主要采用两种方法:一是测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，即伪距测量；一是测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量。采用伪距观测量定位速度最快，而采用载波相位观测量定位精度最高。通过对4颗或4颗以上的卫星同时进行伪距或相位的测量即可推算出接收机的三维位置。
按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位(差分定位)。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量。相对定位(差分定位)是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量。按定位观测，GPS定位分为动态定位和静态定位。若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位。若接收机相对于地球表面静止，则称为静态定位。静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的己知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体(如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等)。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS 信号实时地测得运动载体的状态参数(瞬间三维位置和三维速度)。
GPS的问世标志着电子导航技术发展到了一个更加辉煌的时代。GPS系统与其它导航统相比，主要特点有如下六个方面：
1）定位精度高。实践已经证明,GPS相对定位精度在50km以内可达10-6mm，100-500km 可达10-7mm，1000km可达10-9mm。此外，GPS可为各类用户连续地提供高精度的三位置、三维速度和时间信息。
2）观测时间短。随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20km以内相静态定位，仅需15-20min；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15km 以内时，流动站观测时间只需1-2min，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。实时定位速度快。目前GPS接收机的一次定位和测速工作在1s甚至更小的时间内便可完成，高动态用户来讲尤其重要。
3）执行操作简便。随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的己达“傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度，使外业工作变得轻松愉快。
4）全球、全天候作业。由于GPS卫星数目较多且分布合理，所以在地球上任何地点均可连续同步地观测到至少4颗卫星，从而保障了全球、全天候连续实时导航与定位的需要。目前GPS观测可在一天24h内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下等气候的影响。
5）功能多、应用广。GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.lm/s，测时的精度可达几十毫微秒，其应用领域不断扩大。
6）抗干扰性能好、保密性强。由于GPS系统采用了伪码扩频技术，因而GPS卫星发送的信号具有良好的抗干扰性和保密性。
GPS系统主要包括有三大组成部分:即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。
空间星座部分。由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作(21+3)星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面相对于赤道平面的倾角为55°，各个轨道平面之间交角60°。每个轨道平面内的各卫星之间的交角90°，任一轨道平面上卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30°。在20000k m高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数量随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了计算观测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。
地面监控部分。GPS工作卫星的地面监控系统目前主要由分布在全球的一个主控站、三个信息注入站和五个监测站组成。对于导航定位来说，GPS卫星是一动态己知点。星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的
时间，求出时钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS 的空部分和地面监控部分是用户广泛应用该系统进行导航和定位的基础，均为美国所控制。
用户设备部分。接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于观测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在观测站上，接收单元置于观测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。
近几年，国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5mm+lPMP.D，单频接收机在一定距离内精度可达10mm+2PPM.D。用于差分定位其精度可达亚米级甚至厘米级。各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测（徐绍铨等,2002）.
2.2GPS-RTK工作原理
RTK技术，即GPS实时载波相位差分。RTK测量技术是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术，它是测量技术与数据传输相结合而构成的测量系统，一台接收机根据需要固定在已知点上或未知点上做基准站，其它接收机安置在运动载体上做流动站，同时观测卫星。基准站把接收到的所有卫星信息(如基准站的坐标、天线高等)都通过通讯系统传送到流动站。流动站本身在接收卫星数据的同时，也接收基准站传送的差分数据。在流动站完成初始化后，把接收到的基准站信息传送到控制器内(一般是掌上电脑)，由控制器实时计算出点位坐标并显示出来。但是，RTK技术所得到的各点位置是属于WGS－84地球协议地心坐标系中的坐标值，而实用的工程项目成果属于某一国家地点的参心坐标系或者工程项目所建立的工程坐标系中的坐标。因此，必须解决定位成果的坐标转换问题，可采用系统所提供的功能通过求解相应的转换参数来实现。
GPS-RTK(Real Time Kinematic)是一种全天候、全方位的新型测量系统，意为适时动态测量，是目前适时、准确地确定待测点的位置的最佳方式，是基于载波相位观测值的实时动态定位技术。它需要一台基准站接收机和一台或多台流动站接收机，以及用于数据传输的电台。RTK定位技术，是将基准站的相位观测数据及坐标信息通过数据链方式及时发送给动态用户，动态用户将收到的数据链联同自采集的相位观测数据进行实时差分处理，从而获得动态用户的实时三维位置（姜仁辉等，2011）。
2.3测深仪的基本工作原理
水下地形测量中，测深仪的工作原理是利用超声波穿透介质并在不同介质表面会产生反射的现象，利用安装在测量船下的超声波换能器（探头）发射超声波，测出发射波和反射波之间的时间差来进行测量的。声波在水中的传播速度为C，换能器（探头）发出超声波，声波经探头发射到水底，并由水底反射回到探头被接收，测得声波信号往返行程所经历的时间为t，则换能器表面至水底的距离H为：
H=1
2
Ct (2.1)
同时根据探头上固定杆的刻度可获知水面与探头之间的距离，即吃水深度，两者之和即为最终水深值（刘忠强等，2010）。
目前我国大量使用的是单波束回声测深仪，单波束回声仪每次只能发射一束声波，只能得到一个水深数据点，通过连续测量、记录，最后以点连线。另外，如利用单波束回声仪测量一个地区的水下地形，须先根据测图比例和规范要求，预先确定测点和测线的间距，再用测量船逐线逐点进行连续测量，并通过内业处理和绘制水深图。然后还可根据水深图来绘制水下地形等深线图或断面图。如果将测深仪与GPS技术相结合，利用现有的测量导航软件、数据后处理软件组成自动化水深测量及成图系统，外业水深测量、导航、数据采集过程可完全实现自动化。若配合水深测量数据后处理软件，将大大提高了水深测量的工作效率和经济效益（陈希，2010）。
测深仪功能简介
测深仪是一种应用测深原理测量水深的仪器安装在船上的换能器向水底辐射声脉冲，水底界面将会产生反射，测定水底反射波到达时间t就可以确定水深。下面以回声测深
仪为例，简单的介绍一下其原理及功能。
图1 测深仪原理及功能
图中发射部分周期性的产生超声频电脉冲，一路送到记录器或者显示器，另一路通过收发装置送到换能器被转换成有方向性的声波脉冲向水底辐射。经过水底反射返回换能器。在传播过程中，声能经过往返的传播衰减和介质吸收，实际回到换能器的声能很微弱，而且混杂着噪声。接收部分将所有的回波信号从噪声背景中检测出来，加以放大、变换、供记录显示。记录显示器能自动地将发射信号之间的时差换算成水深值，并进行记录或者显示。其部分功能如下:
发射机——在中央处理器的控制下，周期性地产生有一定频率、一定脉冲宽度、一定电功率的电振荡脉冲，由发射换能器按一定周期向海水中辐射。发射机一般由振荡电路、脉冲产生电路、功放电路组成。
接收机——将换能器接收的微弱回波信号进行检测放大，经处理后送入显示器。在接收电路中，采用了现代相关检测技术和归一化技术，采用了回波信号自动鉴别电路、回波水深抗干扰电路、自动增益电路、时控放大电路，使放大后的回波信号能满足各种显示设备的需要。
发射换能器——是一个将电能转换成机械能，再由机械能通过弹性介质转换成声能的电——声转换装置。它将发射机每隔一定时间间隔送来的有一定脉冲宽度、一定振荡频率和一定功率的电振荡脉冲，转换成机械振动，并推动水介质以一定的波束角向水中辐射声波脉冲。
接收换能器——是一将声能转换成电能的声——电转换装置。它可以将接收的声波回波信号转变成电信号，然后再送到接收机进行信号放大和处理。
显示设备——显示设备的功能是直观地显示测深仪所测得的水深值。
电源部分——提供全套仪器所需要的各种电源。
目前，测深仪一般分两大类:模拟式和数字式测深仪，按发射频率可分为单频和双频测深仪及多波束测深仪。就其工作原理和基本结构来说，通常由五部分组成(如图1)。即声波发射、接收电路，发射、接收转换开关，发射、接收换能器，数字换能器，数字显示器，模拟记录器等（马成武等，2010）。
2.4GPS配合测深仪组合系统工作原理
差分GPS和测深仪组合系统在水下地形测量中的应有主要由基准站和移动台两大部分组成，可描述为图2。基准站由GPS接收机，数据链构成。移动台由GPS接收机，数
据链，测深仪，计算机，测量软件以及计算机外部设备构成。基准站GPS接收机的作用是为了获得两站间的公共误差如卫星钟误差，星历误差，电离层误差，对流层误差等，流动站GPS接收机则利用基准站解算所得的公共误差对自身的观测值进行改正以确定较精确的自身位置。
图2 组合系统的组成部分
GPS-RTK结合回声测深仪测量水下定位点坐标与高程的方法，是将GPS流动站天线直接安装在测深仪换能器的正上方，这样可以保证在测量的过程中，GPS测量的点位与测深仪测量的水下点位在同一铅垂线上。GPS接收机天线与测深仪的换能器之间，由一根固定长度的杆件连接在一起，使换能器底面到GPS天线之间相当于一根已知长度的占标杆，只要将杆立直，则GPS接收机所测数据的平面坐标，即是换能器底面对应点的平面坐标，也就是所测水深点的平面坐标。利用测深仪统的控制装置可使接收天线与换能器同步工作，即在GPS接收机测量三维坐标的同时，测深仪也测得其底面以下部分的水深，具体工作原理如图3所示。
图3 水下高程计算示意图
水下定位点的高程计算公式：
012=H H h h -- (2.2)
式中：H ——水下定位点高程；
0H ——GPS 接收天线的高程；
1h ——天线至换能器底部高度；
2h ——换能器以下部分的水深。
在测量过程中，所测数据直接显示在电脑显示器上，根据反馈出的水下地形变化情况、设计及规范要求的地形点密度情况、测船行进的速度情况等，可以对仪器的测点采集密度、采集方式进行调整设置，满足水下测图精度的需要（吕继书等，2010）。 2.5 全站仪配合测深仪组合系统工作原理
全站仪的水下定位地形测量，一般采用极坐标法进行，如图4所示，在已知点A 设站(仪器高为i ),照准棱镜P (棱镜高v ),P 点对应的水下点Q ，Q 点至棱镜杆支点的距离为L ，全站仪测定天顶距B ，坐标方位角α，斜距S ，平距D ，则Q 点的坐标公式为：
·cos ·sin ·cos Q
Q Q A A A X X D X Y D Z Z S B i v L αα?=+??
=+??
=++--??
(2.3)
在测量过程中，一方面全站仪测量和记录棱镜杆脚点P0的三维坐标，另一方面船上测量人员需要利用测深设备测定L的数值，两方面测量要保持同步，以此实现对Q点三维坐标的获取。由此可见，测量的同步性和测量的精度一同影响最后的结果（张旭志，2008）。
图4 全站仪水下点坐标测量示意图
3GPS-RTK与全站仪配合测深仪观测水下地形作业工程实例
3.1测区概况
某水库水域面积约96500平方米，东西总长508m，南北总长484m。最深处水深3.57m，最浅处水深0.26m。工程于2001年11月动工至2008年12月竣工。为了更好的完成此项工作，首先要进行水下地形测量，但由于水库面积较大，如果采用传统的水下测量方法，不仅费时费力，而且水下地形的精度难以保证，所以决定采用GPS-RTK和全站仪分别配合测深仪的方法进行施测。
3.2 测前的准备
3.2.1 物资准备
1) GPS准备：GPS-RTK（1+1）一套；
2) 全站仪准备：全站仪一台、棱镜二个；
3) 测深仪准备：测深仪一台（包括数据线），换能器一个；
4) 其它：救生艇一艘，救生衣、铁丝、绳子、木板、铁钉、记录纸若干。
3.2.2作业准备
根据库区现场的实际地形情况确定GPS基准站设置的密度，提前做好沿线控制网的