GPS-PPK技術(shù)在港口航道測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用研究

梁書(shū)祥

【摘 要】近年來(lái)，我國(guó)基建事業(yè)發(fā)展十分迅速，沿海各個(gè)省份、城市紛紛進(jìn)行各種大型港口航道項(xiàng)目的施工，為往來(lái)船只提供便利，使得我國(guó)水上交通愈發(fā)順暢。但是港口航道工程偶爾會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，為航行船只與往來(lái)人員帶來(lái)了一定的不便，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)：λ麄兊纳?cái)產(chǎn)安全，也不利于水上交通的發(fā)展。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，港口航道工程質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的原因有很多，其中測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、錯(cuò)誤估計(jì)水位等都是常見(jiàn)的問(wèn)題，若是在數(shù)據(jù)測(cè)量上出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)給港口航道埋下安全隱患。文章結(jié)合實(shí)際情況，研究GPS-PPK技術(shù)在港口航道測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】GPS-PPK技術(shù);港口航道測(cè)量領(lǐng)域;應(yīng)用研究

【中圖分類號(hào)】P228.4 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）01-0123-03

1 港口航道測(cè)量采用高新科技的重要性

港口航道的暢通乃是發(fā)展水上交通、保證船只順利航行的基礎(chǔ)，與我國(guó)航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展有著密切聯(lián)系，根據(jù)我國(guó)海洋管理部門(mén)調(diào)查與統(tǒng)計(jì)所獲的數(shù)據(jù)可知：在我國(guó)總體經(jīng)濟(jì)貿(mào)易中，港口交易占據(jù)了大概1/3的比重，有著舉足輕重的地位，直接影響我國(guó)國(guó)民生產(chǎn)總值，其中國(guó)內(nèi)的運(yùn)輸量占11%～13%，而進(jìn)出口貿(mào)易則比前者多一倍。同時(shí)，港口的建設(shè)與發(fā)展在我國(guó)南部沿海地區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)體系中占據(jù)57%的高額比重，在旅游業(yè)建設(shè)體系中更是達(dá)到了驚人的63%?？梢哉f(shuō)，港口的建設(shè)對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的開(kāi)發(fā)與建設(shè)有著十分重大的影響，這些數(shù)據(jù)無(wú)一不彰顯著港口建設(shè)的重要性。港口航道測(cè)量是建設(shè)港口時(shí)十分重要的步驟，只有減少測(cè)量誤差，獲取精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，才能保證港口航道的順利開(kāi)辟，從而使港口建設(shè)能夠順利完成，并提升我國(guó)水運(yùn)管理體系的質(zhì)量，為推進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供強(qiáng)大的動(dòng)力。

2 GPS-PPK技術(shù)簡(jiǎn)介與測(cè)量原理

2.1 GPS技術(shù)簡(jiǎn)介

GPS乃是全球定位技術(shù)，依托發(fā)射到太空中的衛(wèi)星作為基礎(chǔ)，采用無(wú)線電傳輸進(jìn)行信息發(fā)送和接收，實(shí)現(xiàn)高精度的無(wú)線全球定位，自問(wèn)世以來(lái)就廣受歡迎，家喻戶曉。GPS起源于20世紀(jì)的美國(guó)，最初被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，能夠幫助軍方實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈的精準(zhǔn)打擊，隨著這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，它的適用范圍逐漸拓展到民用領(lǐng)域，其具有的定位、導(dǎo)航與測(cè)量等強(qiáng)大功能使之有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，其中在汽車導(dǎo)航方面幾乎占據(jù)了整個(gè)市場(chǎng)，被譽(yù)為汽車的保護(hù)神。此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，GPS在物流行業(yè)也起到了關(guān)鍵作用。而在測(cè)量方面，由于它有著極高的精度，因此被廣泛應(yīng)用于建筑工程中的數(shù)據(jù)測(cè)量。

2.2 PPK技術(shù)簡(jiǎn)介

PPK技術(shù)是利用載波相位進(jìn)行事后差分的GPS定位技術(shù)，也就是動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)，是最近興起的測(cè)量技術(shù)，暫時(shí)還未被普及使用，一般被視作RTK技術(shù)的補(bǔ)充。

RTK技術(shù)，全稱載波相位差分技術(shù)，是依托GPS定位技術(shù)進(jìn)行的重要技術(shù)升級(jí)與革新，是GPS應(yīng)用過(guò)程中的重大突破，也是GPS應(yīng)用史上十分重要的里程碑。RTK技術(shù)是實(shí)時(shí)處理兩測(cè)量站之間載波相位觀測(cè)量的差分方法，基準(zhǔn)站負(fù)責(zé)利用GPS技術(shù)對(duì)載波相位進(jìn)行采集與測(cè)量，并將其發(fā)送給用戶接收端，接收端根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從而獲得被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。之前的靜態(tài)測(cè)量與動(dòng)態(tài)測(cè)量等多種測(cè)量方法都是需要在事后分析和計(jì)算時(shí)才能夠獲得較高精度的數(shù)據(jù)，而這種技術(shù)卻能夠?qū)崟r(shí)獲得精確的待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)且精度能夠達(dá)到厘米級(jí)，誤差控制在幾厘米，這種技術(shù)的發(fā)明為各種領(lǐng)域的數(shù)據(jù)測(cè)量帶來(lái)了新的曙光，大大提升了作業(yè)效率。但RTK技術(shù)存在一個(gè)十分致命的弊端：它受到作業(yè)距離的限制，當(dāng)作業(yè)距離較遠(yuǎn)，超出信號(hào)覆蓋范圍時(shí)，或者在偏遠(yuǎn)、信號(hào)差、基站少的山區(qū)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，就無(wú)法接受差分信號(hào)，不能進(jìn)行測(cè)量。差分傳輸是一種信號(hào)傳輸技術(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行傳輸工作，會(huì)在一定程度上受到周圍環(huán)境的影響，而PPK技術(shù)正好彌補(bǔ)了這一缺陷，它不需要應(yīng)用數(shù)據(jù)通信且作業(yè)半徑較大，高達(dá)300 km，在很多RTK技術(shù)受到限制無(wú)法正常使用的區(qū)域，PPK技術(shù)也能準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)。

PPK技術(shù)所使用的系統(tǒng)同樣由基準(zhǔn)站和流動(dòng)站組成，由于它是進(jìn)行事后處理，因此不需要用戶端裝備數(shù)據(jù)通信鏈，也不需要考慮流動(dòng)站是否能夠接收到通信信號(hào)的問(wèn)題，觀測(cè)時(shí)更方便，限制較少。由于港口都建設(shè)在海岸周圍，茫茫大海上的信號(hào)傳輸會(huì)受到一定的阻礙，很難接收通信信號(hào)，因此它更能勝任港口碼頭的測(cè)量工作。

3 測(cè)量原理

（1）GPS定位原理。GPS定位是通過(guò)3顆衛(wèi)星對(duì)同一用戶端的距離數(shù)據(jù)計(jì)算得出用戶端的位置坐標(biāo)，但這是理想情況下的條件，而實(shí)際進(jìn)行定位時(shí)，為了消除誤差，提升數(shù)據(jù)精度，會(huì)選擇第四顆衛(wèi)星傳回的數(shù)據(jù)作為參照，以獲得最為精準(zhǔn)的用戶端坐標(biāo)。

（2）載波相位測(cè)量原理。衛(wèi)星與地面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換所使用的電磁波都具有一定的周期，其波形是固定的，某特定時(shí)刻的電磁波在循環(huán)中所處的位置稱為相位，利用衛(wèi)星上某時(shí)刻的載波相位與到達(dá)接收機(jī)時(shí)的相位和所使用電磁波的波長(zhǎng)，能夠計(jì)算出衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離，再將數(shù)據(jù)帶入公式進(jìn)行計(jì)算，可得出載波相位測(cè)量的線性方程。

4 GPS-PPK技術(shù)在港口航道測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 制樁前對(duì)水位等的測(cè)量

樁乃是港口航道中最基礎(chǔ)也是最重要的部分，一般會(huì)在基地進(jìn)行制作，再運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)進(jìn)行沉放。在進(jìn)行預(yù)制時(shí)，應(yīng)當(dāng)按照高樁港口航道的不同分類進(jìn)行材料和結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度、粗細(xì)等的選擇，并且按照沉樁順序分類生產(chǎn)。制樁工作應(yīng)當(dāng)先于高樁港口航道工程進(jìn)行，保證在施工過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)槿睒抖鴮?dǎo)致的工程延期、停工等問(wèn)題。同時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，生產(chǎn)樁的時(shí)間不能過(guò)早，否則會(huì)增加儲(chǔ)存費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用，而且在其堆積存放的過(guò)程中也可能出現(xiàn)一定的損耗和腐蝕問(wèn)題，增加建造成本，還可能出現(xiàn)生產(chǎn)量過(guò)大、浪費(fèi)資源的問(wèn)題，以及增大積壓資金導(dǎo)致后續(xù)工作缺乏資金等麻煩。應(yīng)當(dāng)在施工規(guī)劃大體完成后進(jìn)行制樁，確保數(shù)量和型號(hào)不會(huì)出現(xiàn)較大偏差，根據(jù)工程項(xiàng)目計(jì)劃書(shū)中規(guī)定的樁數(shù)留出一定余量，防止開(kāi)工后因?yàn)闃兜膯?wèn)題影響工程進(jìn)度。

項(xiàng)目書(shū)中所需樁數(shù)量的計(jì)算與所用樁的長(zhǎng)度、直徑等，需要先對(duì)目標(biāo)海域的水深、水流速度等進(jìn)行測(cè)量，傳統(tǒng)測(cè)量方式中存在較大誤差，尤其是計(jì)算水深時(shí)，需要在潮起潮落受到海浪影響嚴(yán)重的海面上進(jìn)行，原始的水深測(cè)量方法需要對(duì)聲速、水位等數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列測(cè)量與計(jì)算，才能得到圖載水深，在不考慮海底地形變化等因素的影響時(shí)，可以將其表示為以下公式：

Ht=HO+△I+△H+△D+Tide+ξ（1）

其中，Ht為圖載水深，HO為野外觀測(cè)水深，△I為測(cè)深儀指標(biāo)差改正值，△H為聲速改正值，△D為吃水改正值，Tide為水深改正值，ξ為其他改正項(xiàng)。水深測(cè)量的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

這種方法存在許多弊端，例如多個(gè)因素之間相互影響、相互制約，其中一個(gè)變量發(fā)生改變時(shí)，會(huì)同時(shí)引發(fā)其他多個(gè)數(shù)據(jù)的變化，導(dǎo)致最終結(jié)果不準(zhǔn)確。船舶航行時(shí)，受到海浪的作用，測(cè)量換能器的吃水深度十分困難且誤差較大。而利用GPS-PPK技術(shù)進(jìn)行水深測(cè)量，則可以避免這個(gè)問(wèn)題，消除海浪、換能器吃水等多個(gè)因素的影響，測(cè)量原理如圖2所示。

S=D+SM+V-H

圖2中，H代表利用GPS-PPK技術(shù)測(cè)得的大地高度，其中H代表利用GPS-PPK技術(shù)測(cè)得的大地高度，而D則是代表從船底到海底地形的實(shí)際水深，V代表GPS天線到換能器表面的高度，S代表從海圖基準(zhǔn)面到海底地形的圖載水深，ED則是該點(diǎn)海底的大地高（大地高：某點(diǎn)沿參考橢球面法線到參考橢球面的距離）。

4.2 基線的測(cè)量

樁必須精確地沉放到預(yù)定位置才能起到作用，保證港口平臺(tái)的穩(wěn)定性，保障航道的安全，否則容易出現(xiàn)傾斜和坍塌事故。為了確保樁的沉放位置不出現(xiàn)偏差，應(yīng)當(dāng)預(yù)設(shè)施工基線，并在相應(yīng)的位置標(biāo)出控制點(diǎn)。一般布置相互垂直的兩條基線，其中一條與港口航道中軸線平行，這樣能夠保證樁與港口航道面垂直，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。選取施工基線的布置點(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意在水平地面上且無(wú)沉陷、位移、傾斜，盡量遠(yuǎn)離施工中心，避免基線受到施工影響而產(chǎn)生走位，不能精準(zhǔn)指示位置。若港口航道附近沒(méi)有能夠依據(jù)的岸線或者建筑物，可以在現(xiàn)場(chǎng)制作測(cè)量平臺(tái)，以供定位使用。當(dāng)港口航道附近地形復(fù)雜，不能采用上述任何一種方法時(shí)，可以設(shè)置不垂直的兩條基線（特殊情況下，繪制水平或者垂直方向上的基線具有一定難度，因此可以利用兩條不成直角的基線輔助施工），用經(jīng)緯儀采用特殊方法進(jìn)行基線繪制，做到在任何情況下都能保證基線精度。在繪制基線時(shí)需要測(cè)量很大一片區(qū)域的平整度、長(zhǎng)度與寬度等，傳統(tǒng)測(cè)量方式是采用人工測(cè)量，以三角高程測(cè)量方法為基礎(chǔ)，配合水準(zhǔn)測(cè)量、導(dǎo)線測(cè)量等多種方法，再經(jīng)過(guò)大氣等方面的改正計(jì)算，最后得出數(shù)據(jù)，很容易受到工程師工作狀態(tài)和天氣因素的影響而出現(xiàn)誤差，而利用GPS-PPK技術(shù)可以直接獲得數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)獲取重力、大氣等相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算，大大節(jié)省測(cè)量時(shí)間，并具有較高的精度，也不受天氣影響。

4.3 沉樁過(guò)程中的測(cè)量

沉樁是碼頭航道構(gòu)建過(guò)程中最重要且最關(guān)鍵的步驟，但同時(shí)也是難度最大的一項(xiàng)施工，因?yàn)樗艿江h(huán)境和施工條件的影響最大，容易出現(xiàn)偏差。施工單位必須在沉樁前對(duì)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境、地形等做好調(diào)查，依托有利環(huán)境，選擇最佳時(shí)機(jī)進(jìn)行沉樁，為日后港口航道的建造打下良好的基礎(chǔ)。

（1）因地制宜地選擇沉樁方法。目前，常采用的沉樁方法，例如打入樁、震動(dòng)沉樁、靜力壓樁等，適用的環(huán)境與主要依托的動(dòng)力都有差別，施工前應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦翁攸c(diǎn)、水位、風(fēng)向等條件，選擇最恰當(dāng)?shù)某翗斗椒?。例如，在覆土較厚的地區(qū)，可以采用鉆孔埋樁法。想要獲得風(fēng)力、水位、水底地質(zhì)、砂石厚度等數(shù)據(jù)，就必須進(jìn)行復(fù)雜的測(cè)量工作，會(huì)消耗大量的人力、物力資源，而采用GPS-PPK技術(shù)可以直接獲取數(shù)據(jù)，為沉樁工作提供科學(xué)的依據(jù)。

（2）沉樁間距的測(cè)量。沉樁順序與間距的選擇關(guān)系到施工質(zhì)量與整個(gè)工程的進(jìn)度，它并不是固定的，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整，一般采用順岸沉樁的順序，從港口航道的岸邊開(kāi)始逐漸向外設(shè)樁。在使用單一打樁船工作時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意保持樁之間的間隔，采用多條打樁船同時(shí)進(jìn)行施工時(shí)，需要讓它們之間保持一定的距離，防止相鄰的樁下沉?xí)r引發(fā)的震動(dòng)帶來(lái)水壓驟變，引發(fā)對(duì)岸坡的沖擊，給施工帶來(lái)不便。此外，樁之間需要保持一定距離，這個(gè)距離需要根據(jù)水壓、水深等多方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行確定，利用GPS-PPK技術(shù)能夠方便地獲取這些數(shù)據(jù)。

4.4 布置樁基工作中的測(cè)量

（1）樁長(zhǎng)測(cè)量。支撐樁的長(zhǎng)度由硬土層的標(biāo)高決定，而摩擦樁的長(zhǎng)度則根據(jù)結(jié)構(gòu)重量與將要施加在它身上的壓力決定，樁尖標(biāo)高需要盡可能地保持一致，不能出現(xiàn)較大差距，否則可能造成港口平面傾斜;此外，樁長(zhǎng)不能超過(guò)打樁船能夠接受的最大高度，否則就需要進(jìn)行逐節(jié)接樁，并且接樁時(shí)也不能使用太多，接樁處較為脆弱，要將接樁位置設(shè)置在腐蝕較小處。由于海底地勢(shì)不平，在測(cè)量硬土層高度時(shí)會(huì)遇到許多阻礙且需要多次測(cè)量，由人工進(jìn)行測(cè)量工作量巨大，采用GPS-PPK技術(shù)可以節(jié)省大量人力、物力。此外，想要在不平整的海底地勢(shì)條件下保持樁尖高度一致，就需要在水下進(jìn)行高度測(cè)量，傳統(tǒng)測(cè)量方式會(huì)受到海浪波動(dòng)的影響，GPS-PP技術(shù)不受這些因素的影響，能直接獲取數(shù)據(jù)。

（2）樁基的平面與縱向布置中的距離監(jiān)測(cè)。樁基縱向布置需要根據(jù)橫向排架間距確定，一般采用較長(zhǎng)的樁和較大間距跨度，降低造價(jià)。而進(jìn)行平面布置時(shí)需要精確測(cè)量與計(jì)算斜樁的傾斜角度和方向，避免樁在水底互相碰撞。此外，樁基之間需要預(yù)留超過(guò)0.5 m的間距，防止由于誤差導(dǎo)致的兩樁相碰。在水中確定1 m以下的長(zhǎng)度時(shí)較為困難，唯有依托新技術(shù)，才能夠方便地進(jìn)行間距測(cè)量，并準(zhǔn)確獲取斜樁的傾斜角度。

5 GPS-PPK技術(shù)在港口航道測(cè)量領(lǐng)域的使用前景展望

經(jīng)過(guò)大量的測(cè)試實(shí)踐，如今GPS-PPK技術(shù)所獲得的水深、大地高等數(shù)據(jù)精度已經(jīng)達(dá)到較高水平，完全能夠滿足我國(guó)港口航道測(cè)量時(shí)對(duì)于數(shù)據(jù)的精度要求，可將誤差控制在可接受范圍內(nèi)，不會(huì)影響安全性。此外，這項(xiàng)技術(shù)的作用距離也將大大提升，能夠覆蓋港口航道測(cè)量所需的作業(yè)范圍。未來(lái)，還可發(fā)展GPS-PPK聯(lián)測(cè)的測(cè)量方式，利用多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)對(duì)某幾個(gè)標(biāo)段或者整體標(biāo)段進(jìn)行聯(lián)測(cè)，最大限度地消除誤差，提高測(cè)算結(jié)果的精度，并提升測(cè)量效率。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量數(shù)據(jù)平臺(tái)的構(gòu)建也會(huì)提上日程，屆時(shí)大型碼頭航道建設(shè)工程中就會(huì)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，多項(xiàng)數(shù)據(jù)的測(cè)量、多個(gè)標(biāo)段的數(shù)據(jù)采集工作可同時(shí)進(jìn)行，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)平臺(tái)，可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)、計(jì)算與保存，還可綜合考慮不同標(biāo)段情況的差異對(duì)工程進(jìn)行整體的調(diào)整。

參 考 文 獻(xiàn)

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