潘潔晨,楊明東

(1.河南工程學(xué)院 土木工程系,河南 鄭州 451191；2.中交一航二公司，山東 青島 266071)

全球定位系統(tǒng) GPS(Global Position System)以其全天候、測站間無需通視、高精度、作業(yè)靈活等優(yōu)點在測量領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用.比如，建立和維持全球性的參考框架、布設(shè)各種等級的平面控制網(wǎng)、地球動力學(xué)研究、航空攝影測量、地籍測量、海洋測量等領(lǐng)域.根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域和精度要求，GPS 的作業(yè)方式與數(shù)據(jù)處理方法也不盡相同[1].在建立各種平面控制網(wǎng)和監(jiān)測地球板塊運動時，一般采用 GPS 靜態(tài)相對定位以獲得較高的定位精度； 在低等級的控制測量(圖根控制測量)以及界址點坐標(biāo)測定上，還可以采用 RTK(Real Time Kinematic)[2].另外,精密單點定位PPP(Precise Point Position)一天的觀測值所求得點位平面精度已經(jīng)達(dá)到厘米級，實時定位精度可達(dá)到分米級[3].

在 GPS 測量中通常采用兩類坐標(biāo)系統(tǒng)，一類是在空間固定的坐標(biāo)系統(tǒng)，另一類是與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)，稱地固坐標(biāo)系統(tǒng)[4].在航道工程控制測量中常用地固坐標(biāo)系統(tǒng), 在實際使用中需要根據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的變換，求出所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo),這樣更有利于表達(dá)地面控制點的位置和處理 GPS 觀測成果，在測量中得到了廣泛的應(yīng)用.

近年來，隨著外海深水港口、大跨度橋梁、水上建筑物等基礎(chǔ)工程建設(shè)的不斷增加，航務(wù)工程施工單位迎來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn).水上施工測量作業(yè)是港口碼頭施工的關(guān)鍵項目，以往水上測量定位控制采用的經(jīng)緯儀前方任意角(或直角)交會法已逐漸不能滿足現(xiàn)在工程對遠(yuǎn)距離、高精度、快速沉樁定位、全天候、白體化施工等的多重要求.隨著GPS定位技術(shù)，特別是GPS-RTK定位技術(shù)的不斷完善，其在定位精度、速度等方面已經(jīng)可以滿足水上工程測量定位控制的需要，顯示了GPS-RTK測量定位系統(tǒng)實際應(yīng)用的可行性及廣泛的應(yīng)用前景[5-6].

1 工程實例分析

1.1 測區(qū)概況及工程情況

月東油田人工島工程位于渤海遼東灣北端，北距遼寧省盤錦市約40 km，西距錦州市100 km，東距營口市40 km，如圖1所示.該水域?qū)俦P錦市管轄，區(qū)域內(nèi)平均水深范圍在0～5 m.

圖1 月東油田位置示意圖Fig.1 The schematic diagram of Yuedong oil filed

月東油田人工島平臺建設(shè)工程為獨立的人工島，包括護(hù)岸、1 000噸級靠船碼頭及島內(nèi)回填.人工島回填后頂標(biāo)高+3.7 m.人工島有效使用區(qū)的尺度為60 m×90 m.人工島周邊設(shè)有擋浪墻，西北側(cè)護(hù)岸為方塊重力式結(jié)構(gòu)兼作船舶?？奎c.工程范圍的原泥面標(biāo)高為-5.4 m左右，人工島內(nèi)的回填標(biāo)高為+3.7 m，外側(cè)擋浪墻的頂面標(biāo)高為西南側(cè)+6.8 m，東南側(cè)+6.0 m,東北側(cè)+5.5 m.圖2和圖3為碼頭斷面和護(hù)岸斷面.

圖2 碼頭斷面Fig.2 The drawing of the sectional wharf

圖3 護(hù)岸斷面Fig.3 The drawing of revetment sectional

1.2 GPS定位系統(tǒng)在施工程序中的應(yīng)用

1.2.1 應(yīng)用GPS-RTK技術(shù)建立施工控制網(wǎng)

(1)GPS基站的設(shè)置

根據(jù)陸上基站的布設(shè)要求，同時為了保證轉(zhuǎn)換參數(shù)的可靠性和精度，控制網(wǎng)應(yīng)不少于兩個不低于二等的國家三角控制點和兩個不低于二等的國家水準(zhǔn)點聯(lián)測.

根據(jù)月東油田人工島平臺建設(shè)工程的實際特點，該工程陸上基站設(shè)在距盤山縣小河子南6 km的貝類增殖小河管護(hù)站里，距離施工現(xiàn)場15 km，其輻射半徑為30 km.

(2)水上移動站設(shè)置

水上移動站即船站，分別設(shè)置在工作船上，由兩臺GPS組成.為了確保GPS接收機(jī)能夠正常工作，防止因工作船上吊機(jī)工作時，扒桿移動造成多路徑干擾，導(dǎo)致GPS失鎖，GPS天線安裝要求有一定高度，同時為了獲得盡可能高的定位精度，兩臺GPS天線安裝間距要求盡可能加大.因此，水上移動站的GPS天線安裝在船艉頂甲板兩側(cè)的專用安裝架上,具體安裝如圖4.

圖4 水上移動站的GPS天線安裝Fig.4 The antenna engineering of GPS mobile station on the water

GPS安裝完畢后，需量取的數(shù)據(jù)有：船長、船寬、GPS1-GPS2(a)、GPS1-左舷(b)、GPS2-右舷(c)、GPS1-工作區(qū)后沿，其中，a+b+c=船寬.另外將GPS相位中心至水面的距離量出并輸入軟件.

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可計算各項參數(shù).

1.2.2 GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)應(yīng)用于基床整平

基床整平利用GPS-RTK全球定位系統(tǒng)對平面位置和高程進(jìn)行水下放樣(GPS組裝與計算如圖5所示).潛水員下軌道，用二片石和碎石進(jìn)行細(xì)平,用細(xì)石進(jìn)行極細(xì)平，用刮刀刮平.下鋼軌時，整平方駁順基床定位，利用 GPS定位系統(tǒng)指揮方駁緩緩移動，直至方駁一舷移到預(yù)定下鋼軌位置為止，用GPS定位系統(tǒng)控制鋼軌方向，用垂球引至基床上，潛水員用混凝土小塊作點，測量工用手持式GPS和水下塔尺按照施工標(biāo)高減去導(dǎo)軌高度控制其高程.鋼軌兩端的點做好后，將鋼軌擱置上去，然后重新復(fù)核導(dǎo)軌頂標(biāo)高.使用不同厚度的鋼板加以調(diào)節(jié)，使鋼軌施工標(biāo)高的誤差控制在±10 mm以內(nèi).潛水員接著用塊石支墊鋼軌中部、圍護(hù)鋼軌周圍，依次完成所有的鋼軌安放工作.

圖5 標(biāo)高測量示意圖Fig.5 The schematic diagram of level measurement

1.2.3 GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)應(yīng)用于方塊安裝

基床整平驗收合格后、方塊安裝前，要先安放水下定位墩、設(shè)置方塊水下安裝線.施工時，采用方駁直接定位于基床上方，方駁邊緣伸出一個跳板，順著木跳板邊下放垂球；測量人員根據(jù)碼頭前沿線，用GPS手持機(jī)、指揮垂球繩移動，使所掛垂球線與GPS天線對中重合，此時垂球尖端所示即為安裝線第1點的位置，依次可做出第2點和第3點.各點間距控制在10 m左右，按定點連接成線，即為安裝基準(zhǔn)線.

針對第一塊方塊安裝無依托、安裝困難及精度受影響的不利條件，可采取如下方法安裝：起重船起吊方塊并在方塊兩側(cè)拴好晃繩，操縱船上卷揚機(jī)，調(diào)整方塊入水方向，待方塊離基床頂部0.2 m時，潛水員到方塊前后兩側(cè)根據(jù)安裝基線檢查里程和前沿兩個方向的偏差，根據(jù)安裝偏差指揮船上人員對方塊位置進(jìn)行調(diào)整，方塊到位后潛水員水下脫鉤.第一塊方塊完成后，再在其側(cè)用同樣方法安第二塊方塊，然后用背包GPS對這兩方塊的位置行測量，根據(jù)第二塊方塊安裝偏差對第1塊方塊進(jìn)行精確調(diào)整，使其滿足規(guī)范及設(shè)計要求.如果第二塊方塊安裝檢測不合格，則依據(jù)調(diào)整好的第一塊方塊對第二塊方塊進(jìn)行重新調(diào)整直至合格，如圖6為第一塊方塊安裝示意圖.

圖6 第一塊方塊安裝示意圖Fig.6 The schematic diagram of setup the first quadrel

2 結(jié)論與展望

通過以上對GPS測量應(yīng)用事例的探討，從GPS系統(tǒng)在海洋工程中的應(yīng)用可以看出，GPS在港口工程中的應(yīng)用具有很大的發(fā)展前景.

(1)本次工程將GPS-RTK應(yīng)用于水上工程測量,并取得了寶貴的經(jīng)驗和良好的效果.與傳統(tǒng)的GPS-RTD水下作業(yè)方式比較,GPS-RTK水下作業(yè)方式成果精度高,還可以節(jié)省水尺聯(lián)測以及內(nèi)插水位換算等繁瑣工作,可以大大降低工程成本和勞動強度,從而大幅度提高經(jīng)濟(jì)效益.隨著雙頻RTKGPS價格的回落、導(dǎo)航處理軟件的逐步完善以及GPS-RTK定位技術(shù)的提高,GPS-RTK在水下測量中將得到更加廣泛的應(yīng)用.

(2)GPS 作業(yè)有著極高的精度.它的作業(yè)不受環(huán)境和距離的限制，非常適合于地形條件困難地區(qū)與局部重點工程地區(qū)等.

(3)GPS 測量可以大大提高工作及成果質(zhì)量.它不受人為因素的影響，整個作業(yè)過程全由微電子技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)控制，自動記錄、自動數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動平差計算.

(4)GPS-RTK 技術(shù)將徹底改變航道測量模式，能實時得出所在位置的空間三維坐標(biāo).

(5)GPS 測量可以極大地降低勞動作業(yè)強度，提高作業(yè)效率.

參考文獻(xiàn):

[1] 桑金.基于GPS技術(shù)的水深算法[J]. 測繪通報,1999(8):12-13.

[2] 方穎.長江口深水航道工程無驗潮水下地形測量的測深數(shù)據(jù)處理[J]. 測繪通報,1999(3):45-50.

[3] 劉基余.全球定位系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M]. 北京：測繪出版社，1999．

[4] 劉大杰.全球定位系統(tǒng)的原理與數(shù)據(jù)處理[M]. 上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1996.

[5] 徐德寶. 海洋大地測量[M]. 北京: 海洋出版社, 1993.

[6] 趙建虎, 張紅梅. 水下地形測量技術(shù)探討[J]. 測繪信息工程,1999(4):22-26.