1、GPS 在码头控制测量中的应用摘 要：GPS（Global Positioning System)全球定位系统是美国研制并在 1994 年投入使用的卫星导航与定位系统。其应用技术已遍及国民经济的各个领域。在测量领域，GPS 系统已广泛用于大地测量、工程测量、航空摄影测量以及地形测量等各个方面。本文将以望海珍珠湾综合开发建设项目码头控制测量项目为例，概略叙述 GPS 系统在码头控制测量中的应用。 关键词：GPS；码头；控制测量；应用 中图分类号： U656 文献标识码： A 1 概述 GPS 全球定位系统（Global Positioning System)在内码头工程测量中的应用，在最近的两年
2、得到了迅速推广，这主要依赖于 GPS 系统可以向全球任何用户全天候地连续提供高精度的三维坐标、三维速度和时间信息等技术参数。我们先了解一下 GPS 系统的组成，工作原理以及在测量领域的应用特点。 11GPS 系统的组成 GPS 全球定位系统由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成，除此之外，测量用户当然还应有卫星接收设备。 空间卫星群 GPS 的空间卫星群由 24 颗高约 20 万公里的 GPS 卫星群组成，并均匀分布在 6 个轨道面上，各平面之间交角为 60o，轨道和地球赤道的倾角为 55o，卫星的轨道运行周期为 11 小时 58 分，这样可以保证在任何时间和任何地点地平线以上可以接收 4 到
3、 11 颗 GPS 卫星发送出的信号。 GPS 的地面控制系统 GPS 的地面控制系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站，主控站的作用是根据各监控站对 GPS 的观测数据计算卫星的星历和卫星钟的改正参数等并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时还对卫星进行控制，向卫星发布指令，调度备用卫星等。监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星工作状态。注入站的作用是将主控站计算的数据注入到卫星中去。GPS 地面控制系统主要设立在大西洋、印度洋、太平洋和美国本土。 GPS 的用户部分由 GPS 接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成，其作用是接收 GPS 卫星发出的信号，利用信号进
4、行导航定位等。在测量领域，随着现代的科学技术的发展，体积小、重量轻便于携带的 GPS 定位装置和高精度的技术指标为工程测量带来了极大的方便。例如：我们在控制测量中使用的拓普康（TOPCON）HIPER+ GPS 测地型接收机其技术指标为：双频主机、天线，RTK 电台一体化；独特的电池设计、无需接线，使用 4h 以上；5 次/秒的快速位置更新，可靠的卫星“超跟踪“技术；新型于薄式控制器，4M 或 10M 的 PCMCIA 数据存储卡;测量精度：静态测量 5mm lppm；RTK 测量 10mm 十 1ppm（平面） ；20mm 十 1ppm(高程） 。这些技术指标充分的满足了控制测量的精度要求。
5、 1.2GPS 的工作原理 GPS 系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。在需要的位置P 点架设 GPS 接收机，在某一时刻 ti 同时接收了 3 颗(A、B、C)以上的GPS 卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS 接收机至 GPS 卫星的距离 SAP、SBP、SCP，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置(三维坐标)。从而用距离交会的方法求得 P 点的维坐标(Xp,Yp，Zp)，其数学式为：SAP2=( Xp-XA)2 (Yp-YA) 2 (Zp ZA) 2SBP2=( Xp-XB)2 (Yp-YB) 2 (Zp ZB) 2SCP2=( Xp-
6、XC)2 (Yp-YC) 2 (Zp ZC) 2式中(XA，YA，ZA), (XB，YB，ZB), (XC，YC，ZC)分别为卫星 A，B，C 在时刻 ti 的空间直角坐标。在 GPS测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，我们在码头工程控制测量中常用地固坐标系统。 （如：WGS-84 世界大地坐标系和 1980 年西安大地坐标系。 ）在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理 GPS 观测成果，因此在测量中被得到了广泛的应用。 2GPS 测量
7、的技术特点 2.1 测站之间无需通视 测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS 这一特点，使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔，以使接收 GPS 卫星信号不受干扰。 22 定位精度高 一般双频 GPS 接收机基线解精度为 5mm 1ppm，而红外仪标称精度为5mm 5ppm，GPS 在码头控制测量中的应用精度与红外仪相当，但随着距离的增长，GPS 测量优越性愈加突出。大量实验证明，在小于 50 公里的基线上，其相对定位精度可达 1210-6，而在 100500 公里的基线上可达 10-610-7。 23 观测时间短 观测时间短采用 GPS 布设控制网时每个测站上的观测时间一般在3040mi
8、n 左右，采用快速静态定位方法，观测时间更短。例如使用TOPCON HIPER+GPS 接收机的 RTK 法可在 5s 以内求得测点坐标。 24 提供三维坐标 GPS 测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。 25 操作简便 GPS 测量的自动化程度很高。目前 GPS 接收机已趋小型化和操作傻瓜化，观测人员只需将天线对中、整平，量取天线高打开电源即可进行自动观测，利用数据处 理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。而其它观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。 26 全天候作业 GPS 观测可在任何地点，任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。 3GPS
9、 系统在实际测量工作中的应用 望海珍珠湾综合开发建设项目码头工程的测量主要应用了 GPS 的两大功能：静态功能和动态功能。静态功能是通过接收到的卫星信息，确定地面架设基准站点的三维坐标；动态功能是通过卫星系统，把已知的三维坐标点位，实地放样地面上。 3.1 望海珍珠湾综合开发建设项目码头控制测量 3.1.1 建立布网方案 根据辽宁营口鲅鱼圈区业主提供的控制点拟在望海珍珠湾综合开发建设项目附近建立 GPS 基准站。为此我们通过 GPS 静态测量和 GPS-RTK测量技术进行施测 3.1.2GPS 静态测量法 GPS 静态测量法就是根据制定的观测方案，将四台拓普康 GPS 接收机安置在待定点上同时
10、接收卫星信号，直至将所有环路观测完毕。观测数据经平差计算得到兴晨房顶加密点西安 80 坐标系的坐标。测量方法在工程附近兴晨办公室房顶加密控制点，作为将来的基准站点。在码头有西安 80 坐标系的 E 级控制点五个( 已知起算点) ， 其中望海寨北山（X=4468272.257，Y=431802.521，H=81.137）台子山 （X=4462888.360，Y=424040.200，H=122.766）北李屯（X=4461030.031，Y=429276.932，H=133.373）太平山（X=4455834.156，Y=430748.991，H=40.122）青年营（X=4466004.136
11、，Y=429365.189，H=66.100）高程系统为 1985 国家黄海高程系统。根据工程需要在码头附近加密控制点，以便于测设，我们建立控制网。控制网如图 1 所示： 图 1 GPS 控制点示意图 3.2GPS 的动态测量（RTK）在望海珍珠湾综合开发建设项目码头测量中的应用 为了检验 GPS 的动态测量（RTK）精度我们对于兴晨房顶布设的加密控制点架设 GPS 基准站，利用 GPS-RTK 动态测量业主提供的控制点，经过测量附和数据结果表明静态测量的精度满足施工规范的要求。为验证码头工程在控制测量的精度，我们分别以望海寨北山和北李屯为基准站对原加密的控制点兴晨房顶也进行了 RTK 测量，
12、进行了坐标比较。差值小于施工测量规范规定的要求，从以上比较可知，RTK 测量可以用于工程的控制测量是非常有效的新技术。由于 GPS-RTK 测量技术具有精度高、效率高、测量时间短、数据处理高度自动化等优点、其在港口码头工程领域中已经或正在逐步取代常规的测量手段以其特有的优势发挥着重要的作用。20 世纪 90 年代，随着全球定位系统迅速的发展，我国大型挖泥船施工和水深测量使用了 DGPS 系统及计算机图形处理技术，DGPS 定位信息与电子海图背景有机的结合起来，可以实时显示、航迹和周围的地理情况，达到全天候的定位导航作业，定位精度可以达到亚米级完全满足水下施工定位的需要，大大提高了挖泥效率和时间
13、的利用率。以重力式码头为例，概括来讲水下工程有以下工序，首先要进行基槽开挖，抛石、打夯、整平、安装方块等整套施工工序。且各工序施工的工艺基本都是运用大型船舶设备进行施工的，由于水下施工的地理环境和条件的影响，传统的施工测量定位技术，除了不能像陆地上那样灵活的掌控定位、点位之外，仍由很多的限制，诸如控制点通视、地形复杂程度问题等，RTK测量实时动态定位技术，就能很好的解决这些问题，能够快速的完成施工测量放样工作，不在受地理条件，时间天气的影响，减少和节省人力、物力、时间的同时，也保证了控制测量的精度，在水工建设的质量、进度上，创造了良好的开端，水下工程施工质量、季度直接影响到麻油上部结构，其完工
14、的时间和质量制约了整个工程的完工的时间和效益。 在港口码头工程中 RTK 技术实行了全天候船舶导航定位和挖泥船的定位。克服了以往传统光学仪器定位受雨天、雾天、夜晚、视距等因素的影响，大大提高了生产率其精度也满足施工需要，在外海和内河港口码头施工中得到广泛的应用。水下整平系统同样利用 RTK 技术实时动态控制水下抛石基床的顶面高程，如把移动台接收机连接到测杆的端头，改正仪器上的天线高度，拟合的高程改正数，对铺设的整平钢轨进行线放样，数字采集方法控制点位高程进行快速的整平。相对比经纬仪看垂直度，水准仪观测高程的传统方法，很大的优越性。复测钢轨时用水准仪进行进一步检验，基床整平完全满足规范的要求。在
15、港口码头施工过程中，施工质量的控制、验收等工作往往要进行水深测量，传统的测量方法基本用铅垂水砣或测深杆测水深点，配合岸上全站仪交会观测，记录水位计算坐标、水深，人工绘图等繁杂的工序。若进行大规模的测深出图作业在野外现场工作上，更加耗时、费力。通过 GPS 测量技术结合测深仪及其他设备安装在测深船上组成了一套完整的测量水深的系统，实行人机对话，在电脑显示屏幕上实时监控测深船行走的航迹线、水下泥面高程，以 RTK 模式高精度的实时测定水下地形点的坐标，一一对应测深仪声速测定的深度，进行天线高设定、吃水改正设置，利用成图软件对平面定位坐标饿实时匹配水深数据，按要求的格式可直接在测深船上出图，成图的精
16、度、效率都大大得以提高。可见利用 GPS 测量能大大提高作业的效率，减轻劳动强度，保证码头和航道建设质量。 虽然 GPS-RTK 技术发展越来越成熟应用越来越广泛，有其高精度、高效率、数据处理高度自动化等一系列优点，但是仍然有其局限性，移动站作业时会经常受高大建筑物、各种电磁波信号、无线电发射台、高压电线及大面积水域的影响，遇到上述情况时候移动站常常不能达到固定解状态，无法进行高精度的施测。为了解决这一弊端，最好是 GPS-TTK测量技术与传统全站仪测量相结合利用各自优势完成测设任务。 4 小结 通过以上对 GPS 测量的应用事例的探讨，可以看出 GPS 在码头工程的控制测量上具有很大的发展前
17、景。 4.1GPS 作业有着极高的精度 GPS 测量可以极大地降低劳动作业强度，减少野外砍伐工作量，提高作业效率。一般 GPS 测量作业效率为常规测量方法的 3 倍以上。GPS 高精度高程测量同高精度的平面测量一样，是 GPS 测量应用的重要领域。特别是在当前高等级公路逐渐向山岭重丘区发展的形势下，往往由于这些地区地形条件的限制，实施常规的几何水准测量有困难，GPS 高程测量无疑是一种有效的手段。 4.2GPS 测量可以大大提高工作及成果质量 它的作业不受环境和距离限制，非常适合于地形条件困难地区、局部重点工程地区等。并且不受人为因素的影响。整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制，自动记录
18、、自动数据预处理、自动平差计算。4.3GPS-RTK 技术将彻底改变码头测量模式 GPS-RTK 能实时地得出所在位置的空间三维坐标。这种技术非常适合路线、桥、隧勘察。它可以直接进行实地实时放样、中桩测量、点位测量等。 参考文献 1 李青岳,陈永奇， 工程测量学，北京,测绘出版社，1995.5第二版 2 许娅娅, 雒应， 测量学北京:人民交通出版社,2002.3 第二版 3全球定位系统实时动态（RTK）测量规范 （CH/T 2009-2010） 4 交通部水运工程测量规范 （JTJ203-2001） 5李征航，黄劲松.GPS 测量与数据处理M.武汉：武汉大学出版社，2005 6 交通部港口与航道工程施工规范 （JTJ300-2000） 7熊志昂，李红瑞，赖顺香.GPS 技术与工程应用M.北京：国防工业出版社，2005 8 张伟，张东升.GPS（RTK）基准站任意架设技术在工程测量中的应用J.科技资讯，2006（16）：3839 作者简介:路敬伟男 1979.01 本科工程师测绘工程
