張海青

(黃驊市水務(wù)局,河北 黃驊 061100)

某大型物流項(xiàng)目中擬將運(yùn)載重達(dá) 800 t和560 t的兩個(gè)大型構(gòu)件的駁船通過(guò)拖輪自遼寧省雙臺(tái)子河河口分兩次牽引至卸貨碼頭,航道全長(zhǎng) 62 km。由于雙臺(tái)子河為非航運(yùn)潮汐河道,歷史上無(wú)較大型船舶航行記錄,加之該河道多彎曲段和淺灘,沿途還有 3座橋梁,航行難度很大。為尋找到安全航線,須對(duì)河道進(jìn)行水下地形測(cè)量及對(duì) 5處轉(zhuǎn)彎半徑在 100～300 m的河段進(jìn)行 1∶1000地形圖測(cè)量。

雙臺(tái)子河位于盤(pán)錦市西南部,兩岸葦田綿延數(shù)百公里,號(hào)稱“世界最大葦?！?人煙相對(duì)稀少,河道兩岸多溝壑、沼澤,交通極為不便,通行困難。用傳統(tǒng)的測(cè)量方法在短時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)難度極大。為此,選擇以 GPS為主要施測(cè)手段,在較短的時(shí)間內(nèi)圓滿完成了航道測(cè)量任務(wù),確定了安全航線,為大型構(gòu)件運(yùn)輸方案的實(shí)施提供了保障。

1 GPS的相對(duì)定位原理[1][2]

GPS相對(duì)定位也叫差分 GPS定位,是目前 GPS定位中精度最高的一種。相對(duì)定位的最基本情況,是兩臺(tái) GPS接收機(jī),分別安置在基線的兩端,并同步觀測(cè)相同的 GPS衛(wèi)星,以確定基線端點(diǎn)在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的相對(duì)位置或基線向量。這種方法,一般可以推廣到多臺(tái)接收機(jī)安置在若干基線的端點(diǎn),通過(guò)同步觀測(cè)GPS衛(wèi)星,以確定多條基線向量的情況。

根據(jù)用戶接收機(jī)在定位過(guò)程中所處的狀態(tài)不同,相對(duì)定位有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)之分。

1.1 靜態(tài)相對(duì)定位

靜態(tài)相對(duì)定位就是安置在基線端點(diǎn)的接收機(jī)固定不動(dòng),通過(guò)連續(xù)觀測(cè),取得充分的多余觀測(cè)數(shù)據(jù),以改善定位精度。

靜態(tài)相對(duì)定位,一般采用載波相位觀測(cè)值(或測(cè)相偽距)為基本觀測(cè)量。這一定位方法是當(dāng)前 GPS定位中精度最高的一種方法,在精度要求較高的測(cè)量工作中,均采用這種方法。在載波相位觀測(cè)的數(shù)據(jù)處理中,為了可靠地確定載波相位的整周未知數(shù),靜態(tài)相對(duì)定位一般需要較長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間(1～3 h不等)。此種方法一般也被稱為經(jīng)典靜態(tài)相對(duì)定位法。

1.2 動(dòng)態(tài)相對(duì)定位

動(dòng)態(tài)相對(duì)定位是用一臺(tái)接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上固定不動(dòng),另一臺(tái)接收機(jī)安置在運(yùn)動(dòng)載體上,兩臺(tái)接收機(jī)同步觀測(cè)相同衛(wèi)星,以確定運(yùn)動(dòng)點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)站的實(shí)時(shí)位置。

動(dòng)態(tài)相對(duì)定位根據(jù)采用的觀測(cè)量不同,分為以測(cè)碼偽距為觀測(cè)量的動(dòng)態(tài)相對(duì)定位和以測(cè)相偽距為觀測(cè)量的動(dòng)態(tài)相對(duì)定位。

RTK定位技術(shù)就是基于載波相位觀測(cè)值(Real-time kinematic)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù),它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果,并達(dá)到厘米級(jí)精度。在 RTK作業(yè)模式下,基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù),還要采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù),并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,同時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果,歷時(shí)為1～3 s。

2 GPS技術(shù)在雙臺(tái)子河航道測(cè)量中的應(yīng)用

在雙臺(tái)子河航道測(cè)量中,GPS測(cè)量采用廣播星歷時(shí),其相應(yīng)坐標(biāo)系為世界大地坐標(biāo)系 WGS84,然后在1954年北京坐標(biāo)系進(jìn)行約束平差。圖根 RTK測(cè)量、地形圖測(cè)量、橫斷面基點(diǎn)測(cè)量均在 1954年北京坐標(biāo)系下施測(cè)。四等水準(zhǔn)測(cè)量采用 85黃海高程基準(zhǔn)。

2.1 測(cè)量方法

2.1.1 平面控制網(wǎng)確定

首先根據(jù)已知的 GPS控制點(diǎn)建立 D級(jí)平面控制網(wǎng)。實(shí)測(cè)中根據(jù)需要在 63 km的河道沿線共埋設(shè)標(biāo)石 9座,已知的 GPS點(diǎn)的高程復(fù)合按四等水準(zhǔn)測(cè)量通過(guò)傳統(tǒng)手段完成。加密 D級(jí) GPS控制網(wǎng)測(cè)量的外業(yè)觀測(cè)采取靜態(tài)測(cè)量,采用 5臺(tái)套 Trimble GPS接收機(jī)進(jìn)行觀測(cè),其基本圖形為大地五邊形,圖形之間采用邊連接,測(cè)得 9座標(biāo)石的平面位置和高程。

2.1.2 平面控制測(cè)量

根據(jù)任務(wù)要求,需進(jìn)行 5處彎道的水下地形測(cè)量和沿線 63 km河道水下縱橫斷測(cè)量以及 5座橋梁梁底高程測(cè)量,以尋找到安全航線。因此,平面控制測(cè)量分為水上和水下兩部分進(jìn)行。

1)水上部分。首先將 GPS接收機(jī)安置在測(cè)區(qū)內(nèi)適當(dāng)位置的標(biāo)石上作為基準(zhǔn)站,在基準(zhǔn)站的控制精度范圍內(nèi),由人員手持流動(dòng)站,按所設(shè)計(jì)的測(cè)量斷面逐點(diǎn)測(cè)量,當(dāng)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)精度達(dá)到 GPS儀器預(yù)設(shè)的精度時(shí),保存當(dāng)前的測(cè)量數(shù)據(jù)。實(shí)測(cè)中,為加快測(cè)量進(jìn)度,采用了 GPS和全站儀測(cè)量相結(jié)合的方法。

2)水下部分。水下部分的測(cè)量是此次測(cè)量的重點(diǎn),航線的正確與否關(guān)系到船只的航行安全及造價(jià)上億元的設(shè)備安全。實(shí)測(cè)中,用 2臺(tái)套 Trimble5800+與測(cè)深儀相互配合進(jìn)行測(cè)量。首先將測(cè)深儀與 GPS固定在測(cè)量船相同的位置,測(cè)量人員按設(shè)計(jì)的測(cè)量斷面測(cè)量,GPS測(cè)得平面位置和水面高程,同時(shí)測(cè)深儀測(cè)得水深。則河底高程=水面高程-水深。

2.2 測(cè)量數(shù)據(jù)處理

外業(yè)取得的數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在 GPS手簿中,GPS網(wǎng)基線解算采用 Trimble公司隨機(jī)配備的軟件— Trimble Geomatics Office Ver1.63(TGO)軟件?；€解算前,按《規(guī)范》、《技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)》和《檢驗(yàn)規(guī)定》及時(shí)對(duì)全部資料進(jìn)行全面檢查,確保作業(yè)成果符合作業(yè)調(diào)度命令和《規(guī)范》要求,觀測(cè)數(shù)據(jù)、質(zhì)量分析合理,然后在WGS84系統(tǒng)下進(jìn)行基線處理。

2.3 測(cè)量精度及誤差分析

表1 基線向量解算精度表 m

基線向量解算形式:高度角限制 15°,采用廣播星歷,其解算類型為雙差固定解。其質(zhì)量控制見(jiàn)表 1。

基線長(zhǎng)度精度用標(biāo)準(zhǔn)差表示:

式中,e為標(biāo)準(zhǔn)差,mm;d為平均相鄰點(diǎn)間距離,取 7×106m;a為接收機(jī)固定誤差,a=10 mm;b為接收機(jī)比例誤差系數(shù),b=5。

經(jīng)計(jì)算,e=36 mm。

重測(cè)基線的長(zhǎng)度較差 Ds,兩兩比較滿足下式規(guī)定:

重復(fù)基線的長(zhǎng)度較差比較見(jiàn)表2。全網(wǎng)共有重復(fù)基線 2條,重復(fù)基線差值均小于限差要求,GPS基線精度不存在系統(tǒng)誤差,滿足規(guī)范要求。

為進(jìn)一步檢查 GPS網(wǎng)中各觀測(cè)量的質(zhì)量,用閉合差檢驗(yàn)公式對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行 4結(jié)點(diǎn)閉合差檢驗(yàn),GPS網(wǎng)觀測(cè)精度均滿足《GPS測(cè)量規(guī)范》要求,見(jiàn)表3。

GPS網(wǎng)平差采用隨機(jī)配備的商用軟件— TGOffice,由于網(wǎng)的基線長(zhǎng)度相差較大,平差時(shí)選擇應(yīng)用到各觀測(cè)值的加權(quán)策略。GPS網(wǎng)無(wú)約束平差和約束平差最弱邊相對(duì)精度及點(diǎn)位精度均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

表2 重復(fù)基線的長(zhǎng)度較差比較

表3 閉合環(huán)精度統(tǒng)計(jì)

3 GPS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和局限性

3.1 GPS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)在雙臺(tái)子河使用 GPS技術(shù)進(jìn)行航道測(cè)量,可以發(fā)現(xiàn)該技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)。

1)觀測(cè)站之間無(wú)需通視。既要保持良好的通視條件,又要保障測(cè)量控制網(wǎng)的良好結(jié)構(gòu),這一直是傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)在實(shí)踐方面的困難問(wèn)題之一。 GPS測(cè)量不要求觀測(cè)站之間相互通視,這一優(yōu)點(diǎn)即可大大減少測(cè)量工作的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間,同時(shí)也使點(diǎn)位的選擇變得更加靈活。

2)定位精度高,沒(méi)有誤差積累。只要滿足 GPS的基本工作條件,在一定的作業(yè)半徑范圍內(nèi),GPS可同時(shí)精確測(cè)定測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo),高程測(cè)量精度可滿足四等水準(zhǔn)要求,且沒(méi)有累積誤差。實(shí)測(cè)中,基準(zhǔn)站架設(shè)在視野開(kāi)闊且附近無(wú)高大建筑物的控制點(diǎn)上,作業(yè)半徑約為8～10 km。

3)觀測(cè)時(shí)間短。進(jìn)行 GPS測(cè)量時(shí),將基站架設(shè)在已知控制點(diǎn)上,測(cè)量人員手持流動(dòng)站,利用 RTK技術(shù)每點(diǎn)定位歷時(shí)僅幾秒鐘,速度很快。

4)操作簡(jiǎn)便。 GPS測(cè)量的自動(dòng)化程度很高,在觀測(cè)中,測(cè)量員的主要任務(wù)只是安裝并開(kāi)關(guān)儀器、量取儀器高、監(jiān)控儀器的工作狀態(tài)和采集環(huán)境的氣象數(shù)據(jù),而其他觀測(cè)工作,如衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測(cè)和記錄等均有儀器自動(dòng)完成。

5)全天候作業(yè)。GPS觀測(cè)工作,可以在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間連續(xù)地進(jìn)行,一般也不受天氣狀況的影響,風(fēng)雨天均可實(shí)施。

3.2 GPS技術(shù)的局限性

外部環(huán)境對(duì) GPS的使用及精度會(huì)有一定的影響,如近距離的高壓線路、建筑物、高大樹(shù)木、河道上的橋梁都會(huì)影響 GPS接收效果,因此在測(cè)量時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)這些障礙物。當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)無(wú)法接收時(shí),需通過(guò)全站儀、水準(zhǔn)儀完成附近的測(cè)量任務(wù)。目前隨著 GPS技術(shù)的升級(jí)換代,上述因素對(duì)測(cè)量的影響大大減輕,如目前許多GPS還可以接收俄羅斯的 Glonass衛(wèi)星信號(hào),大大提高了設(shè)備的衛(wèi)星信號(hào)跟蹤性能。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用 GPS測(cè)量技術(shù),僅用 15天的時(shí)間就順利完成了雙臺(tái)子河航道測(cè)量工作,測(cè)得了關(guān)鍵河段的水下地形圖,取得了準(zhǔn)確的河道深泓線坐標(biāo),為船只安全航行打下了良好的基礎(chǔ)。又通過(guò)進(jìn)行潮汐水文觀測(cè),摸清了雙臺(tái)子河的潮汐運(yùn)動(dòng)規(guī)律,制定了完善的航行和停泊方案,最后圓滿完成了拖航任務(wù)。

[1]胡悟生,高成發(fā).GPS測(cè)量原理及其應(yīng)用 [M].北京:人民交通出版社,2002.

[2]南方測(cè)繪儀器有限公司.GPS定位原理及應(yīng)用[Z],2005.

[3]SL197-97,水利水電工程測(cè)量規(guī)范 (規(guī)劃設(shè)計(jì)階段)[S].

[4]SL58-93,水文普通測(cè)量規(guī)范[S].