GPS RTK在航务工程中的应用吴涛Word文件下载.docx

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GPS；

施工方法；

软件

ABSTRACT

ThisarticlefocusesontheapplicationofGPSinHarborEngineeringConstruction.Itprovidesabriefdefinition、tasks、contentanddevelopmentprospectsofoceanmeasurements.AbriefdescriptionofGPS-RTKpositioningtechnologyanditscharacteristicsanddevelopmentprospectsisalsostated.TakingNantongYangkouartificialislandprojectasanexample,thearticledescribesbrieflytheproject'

sbasicdata,intheprocessoftheproject,weusecertaininstrumentstoveritifyandreviewrelateddataofcontrolpointsontheproject,soitcanensurethereliability、theaccuracyofengineeringdataargument.Thepaperdiscussesindetailthemeasurementofmarinesurveyingintheconstruction,thevariousprocesses、themaintasks,thespecificprocessesandoperationsintheprocess.Thepaperpaysattentiontotheproblemsandsolutionsintheproject,summarizetheprojectoffthecoastofmeasurementandthedifferencenceofconventionalmeasurement,andsomeengineeringexperienceoftheothers.InthispaperstudytheapplicationofGPSinthemarineconstructionmeasurementandcomparisonwithothermethodsanddevicescombiningtheapplicationinengineering.

Keywords

MarineSurvey;

Bathymetry;

GPS;

ConstructionMethod;

Software

绪论

建国以来60年海洋测绘机构、装备、技术、教育、保障的发展历程进行了综述，根据重大事件发生的时间节点将60年的发展历程粗略地划分为四个历史阶段，这种划分未必科学，仅可看作是一家之言仅供参考。

建国初期百废待兴，海洋测绘事业也不例外，而作为组织实施海洋测绘的海军机构和力量的变化就尤其显得重要。

1956年海道测量部迁到天津之后，即开始了大规模的海区测量和海图编制，这是海洋测绘发展史上的一大历史事件，因此把1956年和1957年之交作为阶段的划分。

1978年涉及到海洋测绘教育、研究和新的调查力量的建立，是借十一届三中全会东风开展第三代海图编制的历史起点，因此也作为阶段划分的分界线。

1994年是海洋测量定位手段更新、水深测量手段变化、中远海综合测量船设计建造的重要一年，因此也作为新阶段划分的起点。

如今的海洋基础测绘作业，已经基本实现全球化定位、自动化采集、数字化处理、一体化成图，测绘装备与世界同步，测绘规范与国际接轨，基础测绘成果出版物达到世界先进水平。

在测绘技术、测绘装备不断发展的同时，海洋基础测绘的主要内容也在不断地丰富和完善，现阶段，海洋基础测绘的内容主要包括：

控制测量，海岸地形测量，水深测量，海底地貌测量，海底表层底质探测，潮汐观测，海洋重力测量，海洋磁力测量，各类海图和图集编绘，航海资料编写，航海通告编发，航海图书发行与供应等。

纵观海洋测绘发展的60年，作业模式实现了由手工操作到自动化操作的飞跃。

水深测量由主要靠手工使用水铊实施，发展到使用回声测深仪进行机械化作业，又发展到使用自动化水深测量系统实现了水深测量自动化作业。

海岸地形测量也实现了航空摄影测量和电子平板及GPSRTK相结合的测量模式。

自GPS的问世以来，随之开发了测深仪，不仅仅是在临海和江河水域的应用了，现扩大到外海或是深海作业了，凭借着加工工艺的发展，也出现了很多现代高科技设配，其中GPSRTK技术等到了很大的应用，这无形中对海洋施工测量带来了根本性的跨越。

自从GPSRTK技术的出现，测量方式实现了由点线测量到面测量的飞跃。

水深测量由逐点测定发展到线连续测定,随着多波束测深系统的出现，又发展到面连续测定，大幅度提高了工作效率和水深测量密度。

同时，数据采集实现了由模拟型到数字型的飞跃。

信息获取趋向实时化、规范化，信息采集平台趋向多元化，信息管理与使用趋向正规化，数字型信息产品趋向多样化。

GPS投入使用后，尽管我国在20世纪80年代中期即引进了GPS接收机，但体积庞大、价格昂贵，多数情况下还只是应用于大地测量和地震网监测等领域。

之后渐渐应用于海洋测绘和航海导航领域，并发展了GPS差分定位技术。

1994年，GPS全部建成并投入使用后，使得不仅仅是大地测量界、航海导航界，包括地球物理调查、海洋测绘等领域都开始大规模应用，彻底改变了传统的无线电定位方式。

目前，传统的无线电定位手段在海洋测量上已基本不用，大量应用的则是GPS所衍生的各种不同形式的定位方式。

GPS技术应用取得了突飞猛进的发展，沿岸GPS差分技术、广域差分技术、精密单点定位技术、星际差分技术、实时动态定位技术、连续观测站技术在控制测量及海上定位中得到了广泛应用。

我国从20世纪90年代开始陆续从国外引进多套多波束测深系统，分别应用于海道测量、海洋工程测量、海洋划界测量、海洋资源调查、港口维护、地质灾害监测以及水下考古等多个领域，在国民经济建设中发挥了重要作用。

可以预见，随着计算机技术和网络技术的发展，海洋测绘的服务保障方式必将发生极大的变化。

随着卫星定位技术的发展，海洋测量调查一直沿用的技术指标必将加以改变。

随着数据库和地理信息系统的完善，海图制图生产和服务也必将发生根本性的变化。

回顾60年的历史，海洋测绘取得了辉煌的成就，展望未来，海洋测绘在保障服务方面将取得更大突破。

现在我们面临的问题是，怎么样利用现代科技的产物来提高我们对大自然开发的效率性，可靠性。

我们要如何完成从海洋施工测量理论如何转化为现实的模型中的任务。

为此，我们还必须从实践中摸索，以寻求更好、更快捷的方法来完成项目，也是这篇文章的研究内容。

1概述

1.1海洋测量的定义与任务

随着计算机技术、空间技术和通讯技术的飞速发展，测绘科学技术从理论体系到应用范围都发生了深刻的变化，国际测绘联合会（IUSM）早在1990年制定联合会章程时，就对测绘学科的内涵作了重新定义:

“测绘是采集、量测、处理、分析、解释、描述、分发、利用和评价与地理和空间分布有关数据的一门科学、工艺、技术和经济实体”。

海洋测量学是测量学的分支。

主要是对海洋和海岸进行测量和调查，获取海洋基础地理信息，为船舶导航、国防建设、海洋开发管理和海洋研究服务的学科。

海洋测量主要包含海上定位、海洋大地测量和水下地形测量。

海上定位通常指在海上确定船位的工作。

主要用于舰船导航，同时又是海洋大地测量不可缺少的工作。

海洋大地测量主要包含在海洋范围内布设大地控制网，进行海洋重力测量。

在此基础上进行水下地形测量，测绘水下地形图，测定海洋大地水准面。

此外海洋测绘的工作还包含海洋划界、航道测量以及海洋资源勘探与开采（海洋渔业、海上石油工业、大陆架以及专属经济区的开发）、海地管道的敷设、近海工程（如海港工程）、打捞、疏浚等海洋工程测量。

为科学研究服务（确定地球地形状和外部重力场）的海洋测量除了海洋重力测量、平均海面测量、海面地形测量以外，还有海流、海面变化、板块运动以及海啸等测量。

海上定位是海洋测绘中的最基本的工作。

由于海域辽阔，海上定位可根据离岸距离的远近而采用不同的定位方法，如光学交会定位，无线电测距定位、GPS卫星定位、水声定位以及组合定位。

一般对于近海海域，可以采用在岸上活岛屿上设立基准站，采用差分技术活动态相对定位技术进行高精度海上定位。

1.2海洋测量未来的发展前景

随着现代科技的发展和作业内容的延伸,海洋测绘在测量手段的现代化、立体化及学科交叉增强及学科界限模糊两个方面发生了深刻变革。

传统海洋测量仅局限于基于船载设备的点测量,如单波束测深系统，难以实现“面”扫测，新兴的海洋扫测系统如多波束和测深测扫声纳的出现，使水深测量这一基本工作实现了对海底的全覆盖扫测和呈现。

同时，LIDAR系统、航空重磁力测量以及水深遥感的发展和应用,使海洋测量呈现现代化、立体化的态势。

海洋测量内容随着工程需求的拓展，涉足领域越来越广。

卫星遥感、扫测技术、水下摄影、水下电视等非接触式测量技术在海洋测量中的广泛应用，使得遥感技术与海洋测量密切相关。

基于声波的高精度水深测量和定位对水下波束的声速精度要求越来越高，风暴潮的频繁出现、潮汐潮位在现代海洋测量中的重要性日益增强等都决定

了海洋水文与海洋测量密不可分，与海洋测绘相关的物理学、计算机学、电子学等与海洋测绘的交叉融合在海洋测量中越来越显著，这些不但改变了传统海洋测量的现状，也打破了已有海洋测绘的结构体系。

海洋测绘发展的总趋势是向高精度、全覆盖、全过程自动化方向发展，结合我国的具体国情以及国外的研究进展，具体表现在如下几个方面：

①海洋大地测量基准、大地水准面及海洋无缝垂直参考基准面的研究

②水下综合定位与导航技术

③AUV/ROV关键测绘技术

④海洋遥感信息技术

⑤多源多传感器信息的融合技术研究

⑥海平面变化、海洋灾害监测及预报技术

1.3RTK定位技术

1.3.1RTK的工作原理及优缺点

RTK的工作原理是将一台接收机置于基准站上，一台或几台接收机置于载体（或称流动站）上，基准站和流动站同时接受捅一时间相同GPS卫星发射的信号，基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到GPS差分改正值。

然后将这个改正值及时地通过无线电数据链电台传递给共视卫星的流动站，以精化其GPS观测值，得到经过差分改正后流动站较准确的实时位置。

精密GPS定位都采用相对技术。

无论是在几点间进行同步观测的后处理（RTK），还是从基准站将改正值及时传输给流动站（DGPS）都称为相对技术。

其中差分的数据类型有伪距差分、坐标差分和相位差分三类，前两类定位误差的相关性随基准站与流动站的空间距离的增加其定位精度迅速降低，故RTK采用第三种方法。

其优点有以下几种：

1）作业效率高

2）定位精度高,没有误差积累

3）全天候作业

4）RTK作业自动化、集成化程度高

其缺点有以下几种：

1）受卫星状况限制

2）受电离层影响

3）受数据链电台传输距离影响

4）受对空通视环境影响

5）受高程异常问题影响

6）不能达到100%的可靠度

1.3.2RTK在海洋测量中的应用现状及发展前景

为了维护我国海洋国土的完整和权益，开发和利用海洋资源，海洋测绘是一项超前期的基础性建设，GPS卫星测量技术的问世，为海洋测绘开创了高新技术新途经。

以现在的RTK测量技术，RTK技术海洋测量中的应用可概括如下:

应用在水下地形测绘、水上定位测量、海洋资源探测、远洋船舶的最佳航程和安全航线测定；

远洋船队在途航行的实时调度和监测；

内河船只的实时调度和自主导航测量；

海洋援救的探寻和定点测量；

远洋渔船的结队航行和作业调度；

海洋油气平台的就位和复位测定；

海底沉船位置的精确探测；

海底管道敷设测量；

船运货物失窃报警；

净化海洋（如海洋溢油的跟踪报告）；

海事纠纷或海损事故的点位测定。

2工程简介及基础数据建立

2.1工程概况

2.1.1地理位置

南通港洋口港区人工岛工程位于江苏省南通市如东县海滨辐射沙洲的西太阳沙，工程西距小洋口港约32km、东南距吕四港约50km，地理位置东经121°

25′35″，北纬32°

32′50″的西太阳沙上，距离最近的陆域海岸线约13km。

2.1.2水文、地质、气象状况

设计水位+6.89米，低水位+0.81米，极端高水位+9.00米，极端低水位-0.25米。

人工岛坐落在标高-2.5~+4.0米的西太阳沙洲沙滩面上，施工区域为滨海沉积环境，受潮汐影响较大，砂性土和粘性土相间成韵律沉积，以东北风对工程影响最大。

2.1.3主要工程量及工期要求

防冲钢板桩84366延米、软体排52万m2、土方布倒滤层39万m2、块石抛填总量140万m2、其中提心石80万、护底石18万、垫层石19万、护坡石11.6万m2等，护面块体16.7万m2、档浪墙砼7万m2、充砂管袋88万m2、吹填约800万m2、其中回填砂约136万m2。

2006年12月1日开工，2007年7月31日前岛壁全部合拢，2007年11月15日LNG区域吹填完成，2008年8月31日LNG区域交工验收，2008年11月28日竣工。

2.1.4结构形式

人工岛工程是南通港洋口港台区航道-码头栈桥-人工岛-陆岛通道系统项目的最重要组成部分。

本工程范围包括：

岛壁结构，Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区先期回填区陆域形成，内隔堤，LNG接收站排水口构筑物。

其中Ⅰ区（LNG接收站区）围填面积为29.966万m2，Ⅱ区油品及化工品围建面积为32.66万m2，Ⅲ区矿石及煤炭区围建面积为80.67万m2，Ⅱ区、Ⅲ区先期回填面积为22.634万m2，岛壁结构总长度为4688.458米，内壁堤总长度为3477.094米，平面略图如图2-1所示：

图2-1平面略图

由于本工程地处外海，无法用传统的方法进行测量定位，根据工程的特点，本工程的测量定位全部使用GPSRTK定位技术，本文就GPSRTK定位技术在海洋人工岛前期工程中的应用作介绍。

2.2工程主要技术规范和指标

考虑到本项工程的特殊性，主要测量手段是采用GPS和测深仪进行定位的，以及水准测量控制高程。

为此，在作业过程中必须有科学的技术准则以及严谨的作业管理准则。

2.2.1GPS控制网的技术设计的依据

主要参考技术依据有以下几个：

（1）《南通洋口港人工岛工程技术总设计书》

（2）《GB_T18314-2001全球定位系统（GPS）测量规范》

（3）《CJJ73-97全球定位系统城市测量技术规程》

2.2.2施工测量主要的技术依据

（1）《南通洋口港人工岛工程技术总设计书》

（2）《JTS257-2008水运工程质量检验标准》

（3）《GB50026-2007工程测量规范》

（4）《GB17501-1998海洋工程地形测量规范》

（5）《GB12898-91国家三、四等水准测量规范》

2.3工程控制点复核

这一步在项目中很关键，也是非常重要的一项，之后的工程数据取决于它的准确性和可靠性，它和很多因素有关，如：

数据的来源不同、时间不同以及控制点的完备性，甚至和人员也有关系等等。

2.3.1实地踏勘及网形优化

南通港洋口港区GPS首级控制网是业主委托南通测绘局于2006年10月面设，原控制网共13个控制点，其中A级控制点3个，B级控制点6个，C级控制点4个。

高程控制网采用二等水准测量方法进行测量。

业主于2006年12月15日进行了控制点的交接。

经现场踏勘，首级控制网中的所有控制点都保存良好，但考虑到施工的实际情况及转换参数的需要，不需要对所有控制点进行复测，只要选取部份控制点进行复测就可以满足要求。

根据工程特点及现场施工测量的具体情况，我们选取了长沙初中，B03，B04，B05，C01五个控制点进行复测，做B级GPS控制。

考虑到施工测量的需要，为了提高施工测量的精度，将基准站点JZHZ一起进行测量。

2.3.2外业测量

将6个控制点组成二个大地四边形（长沙初中，B03，B04，B05组成一个大地四边形，B05，B03，C01，JZHZ组成另一个大地四边形），按照边连式方式（公共边为B03-B05），利用四台中海达双频GPS接收机采用静态测量的模式，进行同步观测。

GPS控制网示意如图2-2：

图2-2GPS控制网示意图

GPS型号：

HD9900EX精度：

平面：

±

（3mm+1PPm），高程：

（5mm+1PPm）。

作业前按规范要求制定观测方案，选取最佳时段。

作业时严格按规范要求操作，由于施工距离较远，为了提高观测精度，观测时间为四小时。

2.3.3数据处理

数据处理使用中海达的随机软件HDS2003数据处理软件包，数据处理过程分二部分，一是基线解算，二是控制网平差。

1）基线解算

数据处理时要求解算出的基线双差固定，且要求Radio值大于3，参考方差接近于1。

对不合格的基线进行删除卫星、改变高度角等方法改善基线解算结果，对合格的基线进行同步环和异步环检校。

本次复测共有11条基线，同步环6个，异步环4个，同步环中，相对误差的最大值是0.98PPm，最小值是0.19PPm，异步环中，相对误差的最大值是0.60PPm，最小值是0.31PPm。

均小于规范的要求。

最弱点平面中误差是长沙中学点，其值是0.013m。

2）控制网平差计算

平差计算分二步进行，在基线解算检验符合要求后，进行无约束平差。

平差时以一个点的WGS84三维坐标为依据进行无约束平差。

平差后基线最弱边是B03-长沙初中，边长相对误差为1/753741，基线长是3216.0674m。

然后进行约束平差，选定西安80坐标系，平差时将B03，B04，B05作为约束点，经过约束平差后，计算出控制点长沙初中，C01，JZHZ的平面坐标。

平差后的精度为：

基线最弱边仍是B03-长沙初中，边长相对误差为1/992356，精度明显提高了。

平面最弱点位是长沙初中，平面点位中误差为3.2mm，均符合规范规定的要求。

2.3.4控制点的检校

经过约束平差后，使用控制点的平差坐标与提供坐标进行比较，结果如表2-1：

表2-1控制点的平差坐标与提供坐标进行比较单位：

mm

点名X差值Y差值H差值

长沙初中-0.3-1.5--

C01+0.4+0.1+5.5

从以上的比较结果可以看出，控制网最弱点位于长沙初中的实测坐标与提供坐标的差值，最大值为-1.5mm，可以满足施工的要求。

由于长沙初中没有高程，从C01的高程差值可以看出，差值为+5.5mm，明显比平面差值大，这是因为用GPS测量高程不理想误差较大的原因。

但也可以满足施工的要求。

从控制点的复测成果可以看出，控制点的坐标较差很小，均在允许范围内，说明控制点已处于稳定状态。

可以用来进行施工控制测量。

其中控制点点位成果表详见附录一。

2.3.5GPS高程

业主提供的控制点高程是用精密水准测量的成果，为了检查GPS高程与水准测量的高程差值，我们用水准仪将JZHZ点与B04点、长沙初中与B03进行了联测，测量出的差值最大为3mm，满足四等水准的技术要求。

2.4GPS基准站的布设

考虑到现场施工时，架设基准站的需要，在进行控制网复测前，我们在黄海大桥（接岛大桥）的起始位置附近建立了基准站点JZHZ，并与复测控制网一起进行了测量。

基准站点JZHZ使用强制对中，施工时，一天24小时不间断发送信号，供各个工序流动站GPS接收使用，并安排专人进行看守。

2.4.1转换参数的计算

由于施工区域距离基准站点JZHZ的最近距离达13km，且向一边延伸，为了减少测量误差，提高施工测量精度，特别是高程的精度，需要增加参与计算的控制点的个数，提高拟合模型的准确性。

为此，将JZHZ，长沙初中，C01三个个控制点的高程（二等水准高程），当作已知点，用于参数计算。

用六个控制点计算的七参数如下：

X=169.3809898496（m）

Y=146.4174124599（m）

Z=111.7338018417（m）

εx=0.3563256704（〃）

εy=4.7251838447（〃）

εz=-3.1698592896（〃）

K=-0.0000004652

2.4.2控制点的比测

为了检测转换参数的正确性，使用七个转换参数用背包GPS对业主提供的另外5个控制点的坐标进行了比测。

其最大的差值为：

平面+21mm，高程+14mm，完全能满足施工的要求。

由于施工现场远离基准站了为了确保测量的正确性，在监理的协助下，我们在施工现场与二个兄弟单位进行了联测，测量结果表明，测量互差较小，能满足规范及施工的要求。

说明本次计算的七个转换参数可以作为以后施工的测量依据。

3GPSRTK在航务工程中的施测

在本文中，讨论的航务工程是以人工岛为例，主要对人工岛前期工程进行阐述，以及在施测过程中应注意的哪些问题，并用一定的方法来解决。

3.1水深测量

本工程岛壁轴线围成的海床面积约1.44Km2岛壁轴线长4688.458m，在施工过程中为了掌握海床的冲淤变化，为施工提供依据，经常要对海床进行监测，水下测量的任务十分繁重。

传统的水深测量多采用前方交会定位，不但精度难以保证，内业计算量大，外业作业艰苦，而且，在外海需要搭设平台，否则无法进行定位。

使用GPS定位技术后，这些困扰水深测量工作的问题就迎刃而解了。

它的测量方式是在测量船上使用双频GPS以RTK的测量模式+笔记本电脑+数字式测深仪自动采集测量数据，利用软件对测量数据进行后处理，然后用CAD成图，用绘图仪出图。

3.1.1基本原理

GPSRTK定位是一种高精度实时动态载波相位差分定位技术，由基准台、移动台及RTK差分数据链组成。

利用GPSRTK定位技术可实现无水位观测的水下地形测量。

如图3-1所，h为GPS天线到吹水线的高度，Z0为测深器换能器设定吹水，Z为测量的水深值。

Zp为绘图水深，H为RTK测得的相对深度基准面的高