RTK在R2Sonic 2024多波束系统中应用探讨

RTK在R2Sonic 2024多波束系统中应用探讨摘要：本文详细分析了水域测量所用GPS差分改正信号的种类及精度，分解了R2Sonic 2024多波束系统测量过程中定位信号处理过程，探讨了RTK在多波束测量中应用的可行性。

关键词：RTK 多波束系统GPS差分改正
1前言
目前在水域测量的定位设备中，选择信标较多，选择RTK较少。

信标一般可选择Beacon、SBAS、StarFire等系统的GPS差分定位信号，测量过程中一般需要验潮。

在近海或者内陆的水域测量中，单波束已经实现了无验潮模式的RTK测量，测量精度和效率大幅提高。

在多波束系统中，GPS差分信号一般选择Beacon或SBAS，较少选择有偿使用的StarFire。

本文以R2Sonic 2024多波束系统为例，分解多波束测量过程中差分信号处理过程，探讨了常规RTK应用于多波束的可行性。

2水域测量三种典型GPS差分信号分析
Beacon海岸信标站台网,在我国是由交通部设立在我国沿海的20个站台组成。

信标站台以约300kHz的频率播发RTCM格式的GPS 差分信号，信号覆盖海岸线约100km，沿海用户可根据该信号计算位置坐标。

由于信标站台自身差分改正信号精度有限，台站间距离从几
十公里至几百公里不等，故用户所能得到的平面定位精度非常有限，从1m～5m不等，观测过程中需验潮。

Beacon海岸信标站台网播发的广域差分定位信号免费，目前国内95%海洋测量用户使用该信号。

SBAS即Satellite Based Augmentation Systems，是利用地球静止轨道卫星建立的地区性广域差分增强系统。

目前全球发展的SBAS系统有：欧空局接收卫星导航系统(EGNOS)，覆盖欧洲大陆；美国的DGPS(Differential GPS)，美国雷声公司的广域增强系统(W AAS)，覆盖美洲大陆；日本的多功能卫星增强系统（MSAS），覆盖亚洲大陆；等等。

SBAS通过地球静止卫星（GEO）发布包括GPS卫星星历误差改正、卫星钟差改正和电离层改的信息，通过GEO卫星发播GPS和GEO卫星完整的数据，通过GEO卫星的导航载荷发射GPS L1测距信号。

用户通过接受差分改正信号可计算自身坐标位置，测量过程中需要验潮。

平面定位精度在1m以内，信号使用免费，故内陆地区的水域测量较多使用SBAS差分信号。

StarFire?又称RTG（Real Time GIPSY）技术[1]，它是世界上第一个可以提供单机实时分米级定位精度的星基增强差分系统，是由美国航空航天局下属的喷气动力实验室（JPL）和美国NA VCOM 公司合推出的商业级高精度GPS 差分系统。

StarFire?系统拥有遍布全球的80多个参考站和6个地球同步卫星，信号覆盖全球。

定位模式分为RTK、SBAS增强、StarFire等，测量精度从厘米级到分米级不等。

由于StarFire?为商业级GPS差分系统，信号使用费用高昂，故使用
范围有限。

在近海或者内陆多波束测量中，对于精度和费用权衡，多选择SBAS差分信号。

但是SBAS差分信号本身精度有限，在精度较高的多波束测量中带来诸多限制。

下文在分析多波束系统差分定位信号处理过程后，探讨了RTK应用于多波束测量的可行性。

3 R2Sonic 2024多波束系统定位信号处理过程
R2Sonic 2024多波束系统是美国R2SONIC公司研发的浅水多波束，是目前最先进的多波束测量系统之一。

条带覆盖宽度10°～160°，工作频率200～400kHz，步长10 kHz，共21个工作频率。

工作深度500m以内，属浅水多波束。

R2SONIC2024系统采用基于PC机或者便携计算机的图形用户界面（GUI）操作。

计算机装有导航、数据采集和存储的PDS2000软件，该软件显示和采集深度、图像和其他传感器的数据。

命令信息通过以太网传输到声呐接口模块（SIM），后者具有给声呐头供电、实现同步、传感器数据时间打标以及数据和命令中继功能。

SIM接收换能器头解码声呐命令，触发发射脉冲，接收、放大、波束形成、底检测、打包，以以太网方式将数据传输到控制计算机。

R2Sonic 2024多波束系统中定位数据经Y型电缆输出给各单位，传输示意图所示：
接收机通过2个RS232串口Port A和Port B，共输出3种NMEA 定位语句和1种时间同步信号，即GGA、VTG、ZDA和1 PPS。

GGA 为GPS定位信息，VTG为地面速度信息，ZDA为时间和日期信息，1 PPS为GPS授时的秒脉冲信号。

Port A输出GGA和VTG，供给数据采集软件PDS2000；Port B输出ZDA和PPS，ZDA供给PDS2000和SIM，1 PPS单独通过Port B串口第9针经BNC接口接入SIM。

串口Port A必须输出有效的GGA和VTG语句，而串口Port B输出的语句必须是唯一的ZDA字符串，不能有其它的NMEA语句，同时必须经第9针输出1 PPS时间同步信号给SIM进行打标。

对于多波束系统而言，这3种NMEA定位语句和1种时间同步信号缺一不可。

PDS2000采集软件所采集的原始数据中，包括定位信息、打标信息、表面声速信息、声波发出与接收信息等等。

当差分信号出现失锁或断电时，当前时间段的条带数据不可用，也不可事后补救，只能返工。

故在多波束系统测量过程中，务必保持GPS差分定位信号连续不间断。

4 RTK在多波束系统中应用的可行性分析
在多波束数据后处理中，横摇偏角（Roll）、纵倾偏角（Pitch）、航偏角（Yaw）、时间延迟（Time Offset）、潮位以及声速剖面均可得到有效改正。

然而GPS差分信号平面定位精度有限，其坐标值在定位精度范围内具有不确定性。

结果会在条带重叠区出现系统性偏差，在高差较大的水下地形区域会更加明显，如下图所示：
这种系统偏差是由于GPS差分信号平面定位精度引起，无法消除。

这就使得在分辨率要求较高的水下测量中，多波束测量系统无法得到高精度的三维数据，如海底电缆、海底光缆等。

如果能将RTK 引入多波束系统，定位精度提高近两个数量级，而且无需验潮，可得到高精度的水下地形数据。

RTK在单波束测量中已经有广泛应用，定位精度高，无需验潮。

在单波束测量中，接收机只需要输出GGA语句即可满足定位需求，而多波束系统需要另外的VTG、ZDA和1 PPS。

目前市场上大多数RTK接收机拥有2个以上的信号输出端口。

如Trimble R8系列，Leica GX1200系列等。

然而这些接收机均缺少PPS输出端口。

但是，作为GPS最重要的功能之一——授时，在接收机主板上一直保留有PPS 输出端口，故只需在接收机外壳上重新设置一个PPS输出端口即可。

除对RTK接收机外壳进行改造外，还需自制Y型电缆，以连接RTK接收机与SIM、数据采集软件。

RTK接收机输出端口多种多样，如Leica的lemo接口，Trimble的RS232串口等。

按照工业接口标准，在Y型电缆输入端，根据接收机不同选择不同接口，分别制作Port A、Port B和PPS接口。

在Y型电缆输出端，制作输出端口Port A（RS232串口）、Port B1（RS232串口）、Port B2（RS232串口）和PPS输出口（BNC接口）。

输入端Port B一分为二，分别接入Port B1 和Port B2；输入端的PPS接口电缆一分为二，一部分接入Port B1第9针，一部
分作为PPS输出口。

这样就保证GGA、VTG、ZDA和1 PPS输入到数据采集软件，ZDA和1 PPS分别输入到SIM上GPS和PPS端口。

SIM接口如下图，GPS和PPS端口在左侧。

在测量开始时，设置RTK接收机Port A输出GGA、VTG语句，Port A输出ZDA，PPS端口输出1 PPS。

将自制Y型电缆按照对应接口分别与RTK接收机、数据采集软件、SIM连接。

这样多波束就可以得到厘米级别的定位精度坐标数据。

5 结论
改造RTK接收机外壳使之能输出PPS信号，自制Y型电缆使之可输出GGA、VTG、ZDA语句，可使RTK应用于R2Sonic 2024多波束系统，能大幅提高多波束测量精度，而且无需验潮。

但在应用过程中，测区应在RTK参考站信号和精度覆盖范围内[2]（一般不超过30km），而且RTK拟合高程误差不超过规范要求。

参考文献
[1] 冯林刚，赵永贵?星基差分GPS——StarFire系统[J]?测绘通报，2006（11）：6~8.
[2] CH/T 2009-2010，全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范[S].。