GPS技術(shù)在雙臺子河航道測量中的應(yīng)用

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)件的駁船通過拖輪自遼寧省雙臺子河河口分兩次牽引至卸貨碼頭,航道全長 62 km。由于雙臺子河為非航運(yùn)潮汐河道,歷史上無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,須對河道進(jìn)行水下地形測量及對 5處轉(zhuǎn)彎半徑在 100～300 m的河段進(jìn)行 1∶1000地形圖測量。

雙臺子河位于盤錦市西南部,兩岸葦田綿延數(shù)百公里,號稱“世界最大葦?！?人煙相對稀少,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為主要施測手段,在較短的時(shí)間內(nèi)圓滿完成了航道測量任務(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的相對定位原理[1][2]

GPS相對定位也叫差分 GPS定位,是目前 GPS定位中精度最高的一種。相對定位的最基本情況,是兩臺 GPS接收機(jī),分別安置在基線的兩端,并同步觀測相同的 GPS衛(wèi)星,以確定基線端點(diǎn)在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的相對位置或基線向量。這種方法,一般可以推廣到多臺接收機(jī)安置在若干基線的端點(diǎn),通過同步觀測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)在定位過程中所處的狀態(tài)不同,相對定位有靜態(tài)和動態(tài)之分。

1.1 靜態(tài)相對定位

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

靜態(tài)相對定位,一般采用載波相位觀測值(或測相偽距)為基本觀測量。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量工作中,均采用這種方法。在載波相位觀測的數(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)相對定位一般需要較長的觀測時(shí)間(1～3 h不等)。此種方法一般也被稱為經(jīng)典靜態(tài)相對定位法。

1.2 動態(tài)相對定位

動態(tài)相對定位是用一臺接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上固定不動,另一臺接收機(jī)安置在運(yùn)動載體上,兩臺接收機(jī)同步觀測相同衛(wèi)星,以確定運(yùn)動點(diǎn)相對基準(zhǔn)站的實(shí)時(shí)位置。

動態(tài)相對定位根據(jù)采用的觀測量不同,分為以測碼偽距為觀測量的動態(tài)相對定位和以測相偽距為觀測量的動態(tài)相對定位。

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

2 GPS技術(shù)在雙臺子河航道測量中的應(yīng)用

在雙臺子河航道測量中,GPS測量采用廣播星歷時(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測量、地形圖測量、橫斷面基點(diǎn)測量均在 1954年北京坐標(biāo)系下施測。四等水準(zhǔn)測量采用 85黃海高程基準(zhǔn)。

2.1 測量方法

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級平面控制網(wǎng)。實(shí)測中根據(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)測量通過傳統(tǒng)手段完成。加密 D級 GPS控制網(wǎng)測量的外業(yè)觀測采取靜態(tài)測量,采用 5臺套 Trimble GPS接收機(jī)進(jìn)行觀測,其基本圖形為大地五邊形,圖形之間采用邊連接,測得 9座標(biāo)石的平面位置和高程。

2.1.2 平面控制測量

根據(jù)任務(wù)要求,需進(jìn)行 5處彎道的水下地形測量和沿線 63 km河道水下縱橫斷測量以及 5座橋梁梁底高程測量,以尋找到安全航線。因此,平面控制測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),由人員手持流動站,按所設(shè)計(jì)的測量斷面逐點(diǎn)測量,當(dāng)測點(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)前的測量數(shù)據(jù)。實(shí)測中,為加快測量進(jìn)度,采用了 GPS和全站儀測量相結(jié)合的方法。

2)水下部分。水下部分的測量是此次測量的重點(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)測中,用 2臺套 Trimble5800+與測深儀相互配合進(jìn)行測量。首先將測深儀與 GPS固定在測量船相同的位置,測量人員按設(shè)計(jì)的測量斷面測量,GPS測得平面位置和水面高程,同時(shí)測深儀測得水深。則河底高程=水面高程-水深。

2.2 測量數(shù)據(jù)處理

外業(yè)取得的數(shù)據(jù)直接存儲在 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。基線解算前,按《規(guī)范》、《技術(shù)設(shè)計(jì)書》和《檢驗(yàn)規(guī)定》及時(shí)對全部資料進(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)量控制見表 1。

基線長度精度用標(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。

重測基線的長度較差 Ds,兩兩比較滿足下式規(guī)定:

重復(fù)基線的長度較差比較見表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)中各觀測量的質(zhì)量,用閉合差檢驗(yàn)公式對全網(wǎng)進(jìn)行 4結(jié)點(diǎn)閉合差檢驗(yàn),GPS網(wǎng)觀測精度均滿足《GPS測量規(guī)范》要求,見表3。

GPS網(wǎng)平差采用隨機(jī)配備的商用軟件— TGOffice,由于網(wǎng)的基線長度相差較大,平差時(shí)選擇應(yīng)用到各觀測值的加權(quán)策略。GPS網(wǎng)無約束平差和約束平差最弱邊相對精度及點(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)

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

1)觀測站之間無需通視。既要保持良好的通視條件,又要保障測量控制網(wǎng)的良好結(jié)構(gòu),這一直是傳統(tǒng)測量技術(shù)在實(shí)踐方面的困難問題之一。 GPS測量不要求觀測站之間相互通視,這一優(yōu)點(diǎn)即可大大減少測量工作的經(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)精確測定測點(diǎn)的三維坐標(biāo),高程測量精度可滿足四等水準(zhǔn)要求,且沒有累積誤差。實(shí)測中,基準(zhǔn)站架設(shè)在視野開闊且附近無高大建筑物的控制點(diǎn)上,作業(yè)半徑約為8～10 km。

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

4)操作簡便。 GPS測量的自動化程度很高,在觀測中,測量員的主要任務(wù)只是安裝并開關(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),而其他觀測工作,如衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測和記錄等均有儀器自動完成。

5)全天候作業(yè)。GPS觀測工作,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 GPS的使用及精度會有一定的影響,如近距離的高壓線路、建筑物、高大樹木、河道上的橋梁都會影響 GPS接收效果,因此在測量時(shí)應(yīng)盡量避開這些障礙物。當(dāng)衛(wèi)星信號無法接收時(shí),需通過全站儀、水準(zhǔn)儀完成附近的測量任務(wù)。目前隨著 GPS技術(shù)的升級換代,上述因素對測量的影響大大減輕,如目前許多GPS還可以接收俄羅斯的 Glonass衛(wèi)星信號,大大提高了設(shè)備的衛(wèi)星信號跟蹤性能。

4 結(jié)語

運(yùn)用 GPS測量技術(shù),僅用 15天的時(shí)間就順利完成了雙臺子河航道測量工作,測得了關(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)。又通過進(jìn)行潮汐水文觀測,摸清了雙臺子河的潮汐運(yùn)動規(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測量原理及其應(yīng)用 [M].北京:人民交通出版社,2002.

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

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

[4]SL58-93,水文普通測量規(guī)范[S].