1、利用 GPS 卫星定位技术对疏浚工程船舶进行施工定位 摘 要：结合疏浚工程施工，论述利用 GPS 先进技术对疏浚工程船舶进行施工定位效果良好。关键词：工程；疏浚船舶；GPS 原理；Abstract ：This paper expounds that construction positioning for dredging vessels by GPS advanced technique can achieve good effect in combination with dredging engineering construction. Key words ：engineering ；
2、 dredging vessel ； GPS principle ； positioning随着科学技术的发展，GPS 卫星定位系统现已成为全球广泛应用的定位手段，它以全球性，全天侯，准确，可靠和高效率等优点被测量与施工所采用。结合 19992002 年横门出海航道整治工程 H2 标施工定位实践，探讨如何利用 GPS 卫星定位进行施工。1、工程概况横门出海航道整治工程 H2 标段位于珠江口自广东省中山市的中山港起至伶仃洋国际航道#3，#4 灯标止，全长 48km ，中山港至横门口l0km ，口门内有 1 过渡性浅滩，口门外有烂山，二茅和淇澳 3 处浅滩。H2 标的主要施工任务是二茅浅滩的航道疏
3、浚，该地段的滩顶水深在 4. 0m 左右。根据招标文件要求，需投入 4m3 抓斗船，绞吸挖泥船，必要时可投入耙吸式挖泥船等设备，完成整个施工生产任务。竣工后的工程标准：全潮通航 3 000t 海轮；航道建设标准尺度为：水深 6. 0m ，航道底宽 120m ，弯曲半径 580m ，总工程量 187 万 m3.二茅浅滩疏浚段水域开阔，航道轴线离岸太远，采用以往的施工方法很难完成此任务，根据这特殊的施工环境，选择采用数台 GPS200 实时差分GPS 对疏浚施工船舶进行定位。2、GPS 的工作原理差分 GPS 之所以能获得高精度的定位数据，是因为在已知位置设一基准（固定）站，通过 GPS 接收卫星
4、信号监测 GPS 的系统误差，并按规定的时间间隔把误差校正量等数据通过无线数据链播发出去，移动站利用收到的信息，对 GPS 观测值进行校正，以消除星历误差，星钟误差，大气层延迟差等公共误差。基准站对每颗在视场的 GPS 卫星进行连续跟踪测量，在 ti 时刻测得的伪距为 di（i 为卫星编号） ，而基准站 ti 时刻至卫星的距离可算出为 pi ，则伪距改正数为：di = pi - di.由于di 是随时间不规则变化的，因此还要将伪距的变化率传给移动站。基准站将时标，伪距改正数，伪距变率和卫星数据龄期 AODE 组成 l 串电文，通过无线数据链向移动站广播。发 AODE 的目的是为了保持基准站和移
5、动站使用同一龄期的星历，以消除卫星星历误差和星钟误差。Port Waterway Engineering Total 355 No18 Aug. 2003移动站接收到差分电文后，对 GPS 测得的伪距进行改正，获得高精度的位置。移动台的计算机用于采集 GPS 的位置数据，并通过后处理，绘成坐标图，显示定位实时动态位置，起到导航作用。3、用于施工定位的主要设备及 GPS 的主要技术指标3.1 疏浚船舶用于定位的主要设备疏浚船舶用于定位的主要设备有：GPS，电子罗经，电脑和导航软件。3.2 GPS 的主要技术指标（1）8 通道并行 GPS 接收机，重捕获时间只要几秒钟；（2）实行导航定位平面位置精
6、度：1m ；静态相对定位精度：（5mm + lppm） ；（3）作用距离： 40km（与通讯条件有关） ；（4）差分发射间隔：2s ；（5）位置水深采集速率：1 次/ s ；（6）电源：1114V 直流电；（7）功耗：基准站静态功耗为 5W ，电台发射功耗为 25W ，移动站静态功耗为 5W ；（8）主机体积及质量：体积：210mm90mm150mm ；质量：3kg. 4、利用 GPS 进行施工定位首先在某一已定坐标点上设立基准站，然后在各施工船舶上设立移动站。由于每个地方所采用的坐标系不一样，导航软件可直接对采集的经纬度数据进行一级或二级坐标系转换成为当地坐标系。电子罗经以及因 GPS 天线
7、的位置与实际要定位的点的平面位置之间的误差都可以通过固定差校正或天线偏差校正，将各种误差消除。4.1 基准站的设立4.1.1 基准站位置及接收机的选择横门出海航道整治工程的施工工况：海面宽阔，战线较长。在选择 GPS 接收机设备时，本着经济，实用，可行的目的，选用符合工程技术要求的国产 GJ200 测量型 GPS 单频接收机，该机的数据链用 UHF 频段。而 UHF 是直达波，所以，基准站选择设在较开阔且较高的项目部所在地民用楼的五楼天台上，使基准站发射的 UHF 信号有效控制整个工程施工区域，同时，还需尽量减少误差。在设立基准站时，采用 3 台 GPS 进行静态测量，测出五楼天台计划设立基准
8、站的坐标点的坐标，将基准站设在该点上。基准站设立后，在移动站到离施工区最近和最远的已知点上进行精度测试，结果表明，各施工区域均能可靠接收差分信号和卫星信号，精度在1m 内，符合施工定位的规范要求。4.2 抓扬式挖泥船采用 GPS 进行施工定位将 GPS 天线固定在驾驶室前面的抓斗吊架顶端（抓斗中心对上去的位置） ，将电台差分天线固定在驾驶台顶上，将电子罗经置于驾驶室内，并使电子罗经方向与驾驶室平面中轴线方向一致（即电子罗经方向代表驾驶室左右移动的平面方向） ，将电脑和 GPS 主机设在驾驶室内驾驶员能清楚看到显示器里面的图像的地方，从电脑主机上接 l 台显示器置于船体后方，以便负责移锚的船员能
9、够根据电脑显示器里面的电子图形进行移锚校正船位，再将 GPS 和电子罗经接上电脑主机串口，打开电脑的导航软件，并将开挖计划线编好，使导航软件进入测量状态。移船定位时，将驾驶室前的抓斗吊架置于船体正前方，测电子图形中的小船的中轴线代表抓斗船船体平面中轴线方向，十字中心代表吊架顶端 GPS 天线的平面位置即抓斗中心的平面位置。抓扬式挖泥船沿着已定开挖行挖泥前进，则电子图形中的小船中轴线方向与开挖行的计划线的中线方向一致，且十字中心在计划线的中线如发生偏离，移锚人员应松紧锚缆将船位纠正。施工挖泥时，驾驶员可通过电子图形观察抓泥时抓斗移动的动态位置和排斗的间距。驾驶员通过观察电子图形中小船移动的方向，
10、距离以及十字中心的坐标来辨别挖泥船的施工和移位状况。4.3 绞吸式挖泥船利用 GPS 进行定位绞吸式挖泥船是沿着以钢桩为圆心，船体为半径的弧线挖泥的。绞吸式挖泥船施工时需要定船头绞刀的位置，也要定船尾主钢桩的位置。如果只定绞刀的位置，钢桩偏了会产生超挖和漏挖；如果只定钢桩的位置，无法辨别绞刀是否挖到边线。绞吸式挖泥船施工定位采用 2 条 GPS 天线，不用电子罗经。将 l 条 GPS天线固定在驾驶室前 A 字架的顶端，l 条 GPS 天线固定在近主钢桩的地方，将 2 条 GPS 天线的另一端接上信号转换器后，再接入 GPS 主机（GPS 主机只能接收 l 条 GPS 天线的信号，不能同时接收
11、2 条 GPS 天线的信号，计算出 2 个点的坐标，通过信号转换器可选择接收其中任 l 条 GPS 天线的信号） 。将电台差分天线固定在驾驶室顶，电脑置驾驶室内驾驶员可以清晰看到显示器里面图像的地方。绞吸船施工时主要给绞刀定位。（1）由于赶进度，原出运码头后方回填顶层部分（约 45m 厚）回填开山石含泥量较大，且未经过碾压，造成 1 个地方的台车梁在出运沉箱时产生沉降引起滑道板变形，从而引起台车轻微受损，有几个轮子由滚动变为滑动，使沉箱出运遇到一点麻烦，后来把 1 段（6m）滑道板拆卸下来，在下面铺 1 层砂浆调整到设计高程后，才解决了这个问题。（2）底胎模设计高程确定，台车高度及千斤顶行程没
12、有综合考虑。由于千斤顶的行程最大为 20cm ，而台车放在滑道上的高度比混凝土底胎模高 1617cm ，仅有 34cm 的富余量。另外由于顶升沉箱时有些千斤顶混凝土基础可能下沉 12cm ，再加上轨道梁施工顶高程的偏差，造成有几个沉箱在顶升时需分 2 次顶升才能使台车进入沉箱底部，影响了出运的进度。（3）在出运过程中，在顶升最后 1 个沉箱时其中 1 个千斤顶坑基础产生沉降，一受力就往下沉降，经多次不断加碎石垫平处理，仍无法解决问题。后经研究，把这个千斤顶放在轨道上进行顶升，虽然台车未能完全进入沉箱底，存在台车受力不均而变形的风险，但最后还是成功了，后分析千斤顶基础下沉的原因，主要是因为基础下
13、面原是 1 条旧水沟，施工时基础处理不深入造成的。5、结 语（1）台车出运沉箱施工操作比较简单，技术比较成熟。（2）利用台车出运沉箱，关键是解决轨道梁设计及基础的施工，防止出运时轨道梁产生沉降变形，另外千斤顶基础亦应处理好，避免下沉。（3）沉箱预制底胎模高程设计应综合考虑台车的高度及千斤顶的行程，预留一定的富余量，避免 2 次顶升。查看绞刀是否挖到边线，偶尔检查钢桩是否偏离中线。将各部件连接后，打开电脑中的导航软件，将开挖行的中线，边线计划线设置好。给钢桩定位时，接收船尾钢桩 GPS 天线的信号，电子图中小船的十字中心代表钢桩的位置，通过电脑屏幕可以知道钢桩移动的距离和坐标。施工时要求主钢桩位于开挖线的中线上给绞刀定位时，接收 A 字架顶端上GPS 天线的信号。由于位于水下面绞刀的平面位置与 A 字架顶端的平面位置不一样，施工前需要计算出开挖到边线时两者平面位置之差。通过修改电子图形中开挖行边线的计划线（即电子图形中的小船十字中心到达边线计划线时，船舶绞刀也同时挖到开挖行的边线）或者查看偏航窗口中的偏航距离来消除此误差。驾驶员通过观看电子图形中小船与计划线的位置来控制船舶施工。
