胡 凯

(辽宁白石水利水电建筑工程有限公司，辽宁 沈阳 110000)

SonTek DGPS是采用了一种高精度的、载波相位差分原理自行研制和生产的DGPS。当SBAS系统的差分信号可以被接收时[1]，其定位误差会很小，完全可以达到亚米级的精度。由于在走航式M9/S5中的GPS主要是用来测定船只移动的速度，因此SonTek DGPS接收器采用了VTG的格式，利用测量多普勒位移和载波相位差分原理，可以很好地反映出船只的航行速度。采用VTG格式的好处在于DGPS接收器甚至于可以不需要接收SBAS系统的差分信号，这一点，对于在SBAS系统覆盖范围的边缘地区尤为有用。有关这方面的应用，美国USGS做了大量的试验，并有一个专题的技术报告证明这个理论。在国内，以下的试验也同样证明了这个理论。采用VTG的另一个好处是，可以不受多路径误差的影响，特别对于测量地点附近有桥梁、高大建筑物和树木等物体存在时，更体现出其优越性。

在M9/S5的应用软件-RiverSurveyor Live中，有2个图标会显示出仪器接收到差分信号的状态。当“GGA图标显示绿色的DIF、VTG图标显示蓝色的VTG”时，表示仪器处于GPS的差分信号锁定状态；也就是说，测量的地点处于MSAS系统的覆盖范围之内。当“GGA图标显示黄色的GGA、VTG图标显示黄色的VTG”时，表示仪器处于GPS的差分信号没有锁定的状态；或者说，测量的地点处于MSAS系统的覆盖范围之外。美国USGS的大量试验，在加拿大和新西兰的试验以及辽宁等地的试验结果表明，在河宽大于20m、船速不小于0.1m/s的情况下，甚至于在不满足这些条件的工况下，即使仪器处于GPS的差分信号没有锁定的状态，其流量测验的成果仍然可以获得与用RTK GPS的GGA作参考的成果相近的效果；仪器仍然可以达到亚米级的测量精度。

SonTek RTK GPS是一种由SonTek公司自行研制和生产的、简单、性价比极高的实时动态RTK解决方案。SonTek RTK GPS自带一个基站，采用普通的三脚架固定方式，但不需要精确地安置和固定，可随意地在河岸选择开阔的地方展开即可。它可以将接收到的RTK差分信号，通过专用的无线电台传输给测量移动中的M9/S5主机，因此可以获得高精度实时动态大地坐标位置。SonTek RTK GPS完全可以替代底跟踪[2]，在洪水期间底跟踪失效，或河床走底的情况下，仍然可以采集精确有效的数据，其测流精度达到0.03m。它比DGPS有更高的性能，包括300s典型的自锁时间等功能，甚至在宽度仅为1m的小溪中测流，仍然可以保持足够的测流精度。

SonTek RTK GPS的另一个特征是它不依赖于来自地球同步卫星的差分信号[3]，就可以利用本身的固定位置不断地修正获得精确的大地坐标位置，然后以此作为标准给出每次GPS信号的修正数据，使M9/S5主机同样可以得到RTK的测量精度。

1 GPS配置的实验

为了进一步验证SonTek DGPS和SonTek RTK GPS的性能[4]，在不同条件下，使用底部跟踪作为参考，与分别采用DGPS和RTK GPS作参考时[5]，M9/S5软件中显示的直线距离(DMG)与实际距离之间的差距，以验证测量的精度。

1.1 试验1

第1次试验是在辽宁中小河流上进行，时间是2021年5月20日。考虑到本次试验仅对测量显示的距离与数据距离的误差感兴趣，而不作流量误差的考核；所以，试验是沿着小河的岸边拖曳M9进行。采用的是M9主机，加上DGPS的配置。在试验的地点可以收到MSAS系统发出的差分信号。表现出来的是GPS质量为2，见表1。

表1 工况试验数据成果

从以上的试验情况分析，采用VTG做参考时，测量的精度更高一些。虽然，从平均值来看，表面上GGA测量的距离更接近20m；但是，可以看到150033那次测量的数值偏小很多，却把平均值拉平了。从理论上来说，在没有受到干扰等因素的影响时，GGA作参考的精度会比较高，但是，如果受到多路反射的影响时，其测量精度有时反而会不如VTG参考的数据。这次试验的结果表明：采用VTG作参考测量船速，其精度是可以达到亚米级的。

1.2 试验2

第2次试验是在辽宁某广场内进行。时间是2021年5月22日。分4种不同配置、不同工况的条件。第一种是采用DGPS配置进行试验；先用卷尺测量2点之间的距离，在接收到差分信号的情况下，将带有DGPS的主机以步行的速度(0.5～1.0m/s)走完全程，比较分别以GGA、VTG作参考时的直线距离(DMG)的数值。第2种试验与前一次相同的方法，只是在没有差分信号的条件下进行，也同样对GGA、VTG与DMG距离进行比较。第3种试验是在广场的水池中进行，同样采用DGPS配置进行试验，用卷尺测量2点之间的距离，用绳子拖曳三体船通过水池(速度约0.11m/s)，然后比较分别以底跟踪、GGA、VTG作参考时的直线距离(DMG)的数值。第4种试验与第3种的试验条件相同，只是改成RTK GPS的配置进行试验，见表2。

表2 第1种和第2种工况的试验

上述表格中的前面8组数据是第1种工况(收到差分信号)，最后2组数据是第2种工况，即没有接收到差分信号(从GPS质量=1，可以判断，这时没有收到差分信号)，而试验的成果表明，不论是在有差分信号和没有差分信号的不同情况下，用VTG做参考测试的距离与实际距离之间的误差很小，测量距离按照SonTek的建议(大于20m)，可以看到，仪器能够达到亚米级的精度。

第3种工况试验见表3，结果表明，在水中实际测量时，其效果与在岸上试验的效果很接近。这次试验是突破了SonTek对河宽要求的限制。但从实际数据来看，仍然可以满足亚米级的精度要求。

表3 第3种工况的试验

第4种工况试验见表4，结果表明，当采用RTK GPS配置时，对于窄小的河道中进行测量，仍然可以达到如同底跟踪一样的精度。从数据分析，其测量的误差明显小于采用DGPS配置的测验误差。因此，RTK GPS配置特别适用于小型渠道或窄小河道、在走底的情况下或底跟踪失效的情况下，进行流量的测验。

表4 第4种工况的试验

1.3 试验3

第3次试验也是在辽宁某广场内进行，时间是2021年5月24日，只采用DGPS配置进行试验。其目的是：在不满足SonTek提出的大于20m河宽、大于0.1m/s船速的情况下，M9是否可以达到亚m级的精度。分5种工况条件进行试验。第1种是定点试验；M9静止不动10min，观察偏移的距离。第2种试验是以小于0.1m/s的速度移动20m，对GGA、VTG与DMG距离进行比较。第3种试验是以大于0.1m/s的速度移动10m，对GGA、VTG与DMG距离进行比较。第4种试验是以大于0.1m/s的速度移动5m，对GGA、VTG与DMG距离进行比较。第五种试验是以小于0.1m/s的速度移动5m，对GGA、VTG与DMG距离进行比较，见表5。

表5 工况试验结果

在第1种工况，静止10min的测试中，在第1min的时段内，GPS质量=1，也就是如果没有差分信号[6]，采用VTG做参考，这时偏移的距离仅0.14m。在以后的9min中，都已经收到了差分信号，最后的偏移为0.5m；或者说，随着时间的推移，累计的偏移量会有所增加。但不论是什么情况，仍然可以达到亚米级的精度。后面的几种工况，则是对小于20m河宽、或小于0.1m/s的船速，甚至于既小于20m河宽、船速又小于0.1m/s的不同条件进行测试。从试验的成果来看，已经突破了SonTek公司所建议的测量条件的限制，可以看到在不同情况下还是可以达到亚米级的精度。

1.4 试验4

第四次试验是在辽宁某广场内内进行。时间是2021年5月26日。分2种不同配置、不同工况条件的岸上测试方法。第1种是采用DGPS配置进行试验；第2种是采用RTK GPS配置进行试验。其目的是：在不满足SonTek提出的大于20m河宽、大于0.1m/s船速的情况下，M9是否可以达到亚m级和0.03m的精度。分别用尺测量11、12m和6、5m等情况试验。其中：最后2次是采用RTK GPS配置的试验数据，见表6。

表6 工况试验结果

该广场位于辽宁的中部，是在MSAS系统地球静止卫星的覆盖范围之外，试验的数据也表明：在昆明是没有差分信号的。在这种情况下，可以看到，在不同的距离和不同的船速时，采用VTG输出格式处理的数据，仍然可以达到亚米级的精度。

1.5 试验5

第5次试验是在辽宁某广场内内进行。时间是2021年5月28日。采用M9的仪器进行试验。全部试验是在用户的严格监督和直接参与下进行。同样分2种不同配置、不同工况条件的岸上测试方法。第1种是采用DGPS配置进行试验；第2种是采用RTK GPS配置进行试验。其目的是与在昆明的试验相同，以及想在用户的监督下进行试验。

前3次是用DGPS配置进行试验。用卷尺在地面上测量40m，仪器沿着卷尺行走。第1次直接走了40m，然后停下，在计算机是读出VTG的测量距离。第2次，分别在10、20、30、40m处停下，在计算机上读出VTG的距离，分别是9.99、19.98、29.95、39.90m。第3次，分别在5、10、20、30、40m处停下，再一次分别在计算机上读出VTG的距离，这些数据是4.96、10.05、19.92、29.91、39.91m。

然后采用DGPS配置在固定不动，静止的状态下，用VTG读出的距离，以测试其漂移的程度。在静止1min后，读出漂移了0.10m，在静止5min后，漂移了0.70m，以后，基本在0.70m附近晃动。

最后，用户要求用RTK GPS配置的M9进行测试。其结果如下的第4次和第5次。其中：第4次是移动20m，并在5、10、20m处停下读数，它们分别是5.02、10.02、20.02m。第5次则采用固定，静止的方式，也是静止5min，而最后的漂移距离仅为0.02m，见表7。

表7 工况试验结果

该广场位于辽宁的西北部，同样也处于MSAS系统地球静止卫星的覆盖范围之外[7]，接收不到差分信号。在这种情况下，以上的试验数据表明：在配置了SonTek公司自制的DGPS部件，在用M9系统测量时，采用VTG输出格式处理的数据，是可以达到亚米级的精度[8-10]。而如果采用了RTK GPS配置，则测量的精度会提高到0.03m。

2 结语

由于我国地域宽广，接收位于日本上空MSAS系统静止卫星的差分信号的情况也有所区别。SonTek RTK GPS自设基站，不依赖于MSAS系统的DGPS差分信号，所以，这种结构的配置原则上适用于世界上任何地区。由于SonTek RTK GPS的测量精度非常高，通常，特别适用于窄小的河道中测流。

SonTek DGPS可以接收SBAS系统下任何一个系统的差分信号，在我国的部分地区可以接收MSAB系统的差分信号。为了适应不同地区、不同条件的测流需要，SonTek DGPS有2种不同的参考方式输出，一种是GGA格式，另一种是VTG格式。GGA格式可以提供船只的当前位置，再计算出船速，由于这种格式是利用差分信号不断地进行修正，所以，测流的精度较高，满足亚米级的测流精度。但是，使用GGA会受到多路反射的影响(例如周围的更大建筑物、树木、桥梁的反射)，造成GPS信号的漂移，最终影响到测量的精度。而VTG格式只是接收天空中移动的24颗卫星中的部分卫星，计算动态物体的多普勒位移，直接提供船只的移动速度，同样不依赖于MSAS系统的DGPS差分信号，因此也可以适用于世界上任何地区的测流。但是比起RTK GPS来说，SonTek公司提出测量条件的2个建议：河宽应大于20m，船速应大于0.1m/s。在满足上述条件的情况下，软件上显示的GGA、VTG图标不论是蓝色，还是黄色，无论是采用GGA，还是采用VTG作为测量的参考，都可以获得很好的流量测量效果，和相似的测流精度。而在中国的试验结果表明：即使在不满足以上2个条件的情况下，在没有DGPS差分信号的地域，如果有很好的卫星接收质量，包括较多的可视卫星数和较低的HDOP(水平万州精度)，仍然可以达到亚米级的测量精度。