GPS 在疏浚船舶施工定位中的應(yīng)用

李 夏

（中港疏浚有限公司，上海 200136）

0 引言

對(duì)于疏浚船舶施工來(lái)說(shuō)，測(cè)量工作是重中之重，無(wú)論是在水道疏浚工程的開(kāi)展之前，還是在疏浚施工的完工以后，都需要進(jìn)行準(zhǔn)確嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃碌匦螠y(cè)量。因?yàn)樗碌匦螐?fù)雜且人們并不熟悉，所以船舶在疏浚的過(guò)程中需要準(zhǔn)確導(dǎo)航，保證所疏浚的路程按照計(jì)劃實(shí)行。而掌握每時(shí)每刻的水下地形情況，是使施工進(jìn)度快速進(jìn)行的關(guān)鍵所在。然而在傳統(tǒng)的定位儀器測(cè)量當(dāng)中，速度慢、效率低的情況層出不窮，無(wú)法展現(xiàn)疏浚工作的重要意義。但隨著GPS 技術(shù)逐漸走進(jìn)大眾視野，已經(jīng)讓疏浚船舶施工定位更加精準(zhǔn)、嚴(yán)格。

1 GPS 定位的概念及意義

1.1 GPS 的出現(xiàn)

GPS 被稱為全球定位系統(tǒng)，因?yàn)槊绹?guó)國(guó)防部要達(dá)到軍事的目標(biāo)，所以建立了此種衛(wèi)星定位系統(tǒng)，保證在海陸空三軍當(dāng)中都能夠發(fā)揮出導(dǎo)航定位的重要作用。在不斷的改進(jìn)以及使用當(dāng)中，GPS 技術(shù)已經(jīng)得到各界認(rèn)可，它不僅能夠滿足軍事以及各個(gè)領(lǐng)域用戶的使用要求，并且在極大程度上改變了傳統(tǒng)導(dǎo)航不精準(zhǔn)與定位困難的情況。GPS 已經(jīng)成為第3 大空間計(jì)劃，以GPS 衛(wèi)星、地面監(jiān)控以及GPS 接收機(jī)為主要核心，協(xié)調(diào)配合以構(gòu)成GPS 技術(shù)。而目前GPS 衛(wèi)星和地面監(jiān)控這兩部分，都是由美國(guó)軍方進(jìn)行控制，只有接收機(jī)在用戶的手中得以使用。

1.2 GPS 定位的精準(zhǔn)程度

測(cè)試碼、導(dǎo)航電文和波長(zhǎng)很短的載波這3 種信號(hào)都是由GPS 衛(wèi)星所播發(fā)出來(lái)的。測(cè)距碼和載波使用的范圍很廣泛，可以單獨(dú)或者相互配合進(jìn)行導(dǎo)航定位，并且能夠使接收機(jī)將接收的信號(hào)分為測(cè)碼定位接收機(jī)以及測(cè)相定位接收機(jī)2 種形式。測(cè)碼定位接收機(jī)以及測(cè)相定位接收機(jī)的精準(zhǔn)程度不太相同，測(cè)碼定位接收機(jī)可以依據(jù)型號(hào)的不同，將精準(zhǔn)程度分為十米極、米極、亞米級(jí)等形式，而側(cè)相定位接收機(jī)則可以使精準(zhǔn)程度達(dá)到毫米級(jí)，完全將GPS 定位的精度展現(xiàn)得淋漓盡致。不但GPS 接收機(jī)可以改變定位的精度，而且GPS 的觀測(cè)方法也能從一定程度上使定位更加精準(zhǔn)化[1]。改變觀測(cè)方法來(lái)提高精準(zhǔn)度，也可以進(jìn)一步地改革與更新。單點(diǎn)定位、差分GPS 定位、相對(duì)定位等測(cè)量方法都需要儀器在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行觀測(cè)，精度也可以隨著觀測(cè)時(shí)間的變化而更加精準(zhǔn)，完全能夠滿足于測(cè)量定位的標(biāo)準(zhǔn)。但這些測(cè)量方法，都是在測(cè)后數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，才能夠準(zhǔn)確地提供定位的結(jié)果，無(wú)法展現(xiàn)測(cè)量的實(shí)時(shí)性，因此RTK 測(cè)量逐漸得到重視。RTK 測(cè)量是一種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的定位測(cè)量方法，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控測(cè)量區(qū)域的動(dòng)態(tài)發(fā)展?fàn)顩r，還能夠?qū)y(cè)量的精準(zhǔn)達(dá)到厘米級(jí)，目前它已經(jīng)成為水下測(cè)量、疏浚定位檢測(cè)必不可少的測(cè)量方式。

2 GPS 在疏浚船舶施工定位中的具體應(yīng)用

2.1 全面控制測(cè)量嚴(yán)謹(jǐn)程度

GPS 系統(tǒng)正確的應(yīng)用方式，需要各個(gè)步驟都嚴(yán)謹(jǐn)合理的配合，在水下實(shí)時(shí)測(cè)量之前，控制測(cè)量是十分重要的?？刂茰y(cè)量的有效完成需要依附GPS 技術(shù)，從建立GPS 控制網(wǎng)開(kāi)始，打造出最為完善的高精度控制點(diǎn)，使得測(cè)量是GPS 參考站設(shè)置能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)并且符合需求。依據(jù)科學(xué)方法，GPS 參考站與移動(dòng)站之間最為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木嚯x應(yīng)該是在15～20 km，但理論上的研究并不適用于實(shí)際情況的需求，因?yàn)榈匦我约半姶怒h(huán)境質(zhì)量等各個(gè)方面影像的出現(xiàn)，導(dǎo)致在現(xiàn)實(shí)生活中GPS 參考站與移動(dòng)站之間的距離縮短為5～7 km 最為合適?？刂茰y(cè)量需要依據(jù)實(shí)際的環(huán)境因素，進(jìn)行實(shí)時(shí)的創(chuàng)新變革，根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，可以將WGS84 坐標(biāo)建立成為控制網(wǎng)，并且能夠更為快捷的在坐標(biāo)系的輔助中完成測(cè)量工作，在一些有國(guó)家坐標(biāo)已知點(diǎn)的測(cè)區(qū)中，運(yùn)用GPS 控制網(wǎng)有效的連接國(guó)家網(wǎng)已知點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)以及地方坐標(biāo)系之間的合理轉(zhuǎn)變，全面控制測(cè)量的嚴(yán)謹(jǐn)以及精確程度，實(shí)現(xiàn)GPS 技術(shù)的合理應(yīng)用。

2.2 疏浚船舶的導(dǎo)航

疏浚工程在水上正式施工的過(guò)程中，疏浚船舶起到非常重要的作用，其必須合理的按照設(shè)計(jì)好的疏浚路線航行，將所測(cè)量的誤差降低到最小，避免一些不標(biāo)準(zhǔn)、不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那闆r發(fā)生[2]。而將GPS 技術(shù)運(yùn)用其中，就可以從一定程度上規(guī)范疏浚船舶的導(dǎo)航路線，完善疏浚施工過(guò)程的嚴(yán)謹(jǐn)程度。定義航線以及航行中的實(shí)時(shí)導(dǎo)航功能，在一般的情況下都存在于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的GPS 當(dāng)中。在進(jìn)行測(cè)量工作之前，需要將疏浚的范圍按照一定的模式進(jìn)行規(guī)劃，明確各個(gè)航線的起始點(diǎn)，規(guī)定疏浚船舶的行駛路線。在正式施工作業(yè)的過(guò)程中，GPS 要準(zhǔn)確把握疏浚船舶的實(shí)時(shí)位置，并且更為精準(zhǔn)的用同行以及數(shù)據(jù)的方式，來(lái)展現(xiàn)船舶的位置以及坐標(biāo)方向，準(zhǔn)確地指正船舶與預(yù)定航線出現(xiàn)的位置偏差，讓疏浚船舶能夠以最短的時(shí)間、最高的效率，再次行走在正確的航線之中。利用計(jì)算機(jī)一級(jí)比較專(zhuān)業(yè)的導(dǎo)航軟件，也可以為疏浚船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)航，讓船舶的駕駛員能夠更有針對(duì)性、更有方向性的形式在正確的航線上。不僅如此，疏浚船舶在挖掘階段，也應(yīng)該準(zhǔn)確的把握疏浚船舶的方向和需要挖掘的方位，這樣才能夠使挖掘更為精準(zhǔn)，更有效率，因此使用GPS 技術(shù)，就可以讓疏浚船的挖掘工作更有方向性的進(jìn)行。

2.3 GPS 與回聲測(cè)探系統(tǒng)配合檢測(cè)疏浚效果

GPS 與回聲測(cè)深系統(tǒng)合理的協(xié)調(diào)配合，能夠更有效的檢測(cè)疏浚過(guò)程的效果以及質(zhì)量。自動(dòng)化的測(cè)深系統(tǒng)由GPS、回聲測(cè)深儀、計(jì)算機(jī)以及導(dǎo)航軟件構(gòu)成，利用此系統(tǒng)配合GPS定位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠準(zhǔn)確的測(cè)量三維坐標(biāo)和各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的維持以及高程，但是GPS 所測(cè)量得到的高程屬于大地高，而正常高才是符合工程中最常用的高程系統(tǒng)，所以必須將大地高轉(zhuǎn)化為正常高，而水底高程的準(zhǔn)確得出，是由高程減去測(cè)深儀測(cè)得的水深和測(cè)深儀深入的深度而得到的。而準(zhǔn)確地使用軟件導(dǎo)航功能，就能夠輔助測(cè)深系統(tǒng)已預(yù)定的斷面為依據(jù)，完美測(cè)量出水下地形的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，以最為精準(zhǔn)的角度來(lái)了解疏浚工程實(shí)施的狀況[3]。計(jì)算機(jī)的控制工作在此系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，無(wú)論是數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存處理，還是GPS 和測(cè)深儀的測(cè)量，這些都需要運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，才能夠精準(zhǔn)的完成。最為震撼的一點(diǎn)是，外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)能夠在測(cè)量完畢后，以圖的形式展現(xiàn)出來(lái)，并且全方位提供出各個(gè)點(diǎn)的水深以及斷面則發(fā)展?fàn)顟B(tài)，以最為直觀的方式來(lái)監(jiān)測(cè)到疏浚的施工效果。

2.4 GPS 與水下多波束測(cè)深系統(tǒng)配合檢測(cè)疏浚效果

水下多波束測(cè)深系統(tǒng)有一段歷史意義，它早在20 世紀(jì)90 年代就出現(xiàn)在水下地形測(cè)量技術(shù)的范疇之內(nèi)。它與回聲測(cè)深儀有著很大的區(qū)別，水下多波束測(cè)深系統(tǒng)是利用聲學(xué)換能器技術(shù)以及回聲信號(hào)處理技術(shù)要合理配合，來(lái)展現(xiàn)技術(shù)的高度突破狀態(tài)。水下多波束的換能器具有十分重要的作用，它能夠在同一時(shí)間將100 數(shù)以上的聲波投入到水中，并且有效的控制聲波頻率在數(shù)百千赫茲左右，按照扇形模式發(fā)射到水下。換能器一般存在于船舶的底部，當(dāng)疏浚船舶作業(yè)的過(guò)程中，很大范圍的水深數(shù)據(jù)都可以被有效的檢測(cè)下來(lái)，讓測(cè)量進(jìn)度以及質(zhì)量都有了大幅度的提升[4]。水下多波束也能夠合理監(jiān)測(cè)船體因各種因素造成的測(cè)量誤差，保證定位施工的準(zhǔn)確程度。多波束系統(tǒng)的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止如此，它的實(shí)時(shí)軟件能夠?yàn)槭杩９こ處?lái)更為先進(jìn)的測(cè)量方式。例如，它可以將測(cè)量區(qū)域繪制成三維立體圖等高線圖等形式，全方面為船舶提供準(zhǔn)確的水下作業(yè)信息。而且計(jì)算體積的功能，更讓疏浚與挖掘工作變得異常簡(jiǎn)便，在最大的程度上提高了疏浚測(cè)量的效率以及質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

疏浚工程在施工的過(guò)程中，由于受到水下地形的環(huán)境限制，使得測(cè)量的結(jié)果與正常標(biāo)準(zhǔn)有所偏差，讓定位工作的實(shí)行難上加難，直接影響到工程開(kāi)展的效果。而GPS技術(shù)的應(yīng)用，可以從根本上解決這類(lèi)問(wèn)題，GPS 在疏浚船舶施工定位中的合理應(yīng)用，能夠全面地提供疏浚船舶在水下作業(yè)的信息，因此，國(guó)家以及社會(huì)都在高度關(guān)注GPS 在數(shù)據(jù)傳輸定位中的應(yīng)用模式。