浅谈GPS-RTK技术在沿海航道工程施工中的应用

1.引言

GPS定位技术可以克服常规光学仪器定位时受天气、夜晚、通视及视距等多因素的影响，目前GPS-RTK定位技术已达到了平面和高程的厘米级精度，因其具备全天候、精度高、效率高的特点，已被广泛应用于各种工程测量之中。在水下地形测量中，GPS-RTK的高程精度更可替代传统的验潮观测数据，GPS-RTK(1+2)系统更是可以应用于工程船舶的施工定位，下面将通过工程实践阐述GPS－RTK系统在沿海航道工程施工中的应用。

2.RTK的定位原理

GPS-RTK定位技术是一项以载波相位观测为基础的实时动态差分GPS测量技术。其系统组成主要有GPS信号接收设备、无线数据传输系统及支持实时动态差分的软件系统三部分。具体施测方法：采用一台GPS接收机设置在固定已知点上作为参考基准站,固定基准站与移动站接收机同时观测接收GPS卫星信号，基准站所获得的观测值与已知坐标位置信息进行计算比较，得到GPS差分改正值，移动接收机在接收GPS卫星信号的同时,通过无线电台或无线网络传输方式，接收来自基准站上的改正数值,由软件系统根据相对定位的原理进行差分解算，实时测出移动站的三维坐标及精度。

3.工程概况

厦门港位于东经118°04′04″，北纬24°26′46″，福建省东南部沿海台湾海峡西岸、九龙江入海口处，与金门湾相连通，隔台湾海峡与台湾岛和澎湖列岛相望。厦门港是我国东南沿海的天然深水良港之一。海沧港区位于九龙江口的北岸，背依海沧台商投资区，西邻漳州龙海市，与招银港区隔九龙江口相望，通过海沧大桥与厦门岛连接。海沧航道扩建三期工程位于厦门港海沧港区前沿水域，主要工程内容有：海沧航道扩建三期工程疏浚区分为三个疏浚区，一区长约3632m、疏浚底宽为245.2m，二区长约428m、底宽为247.6m，三区长约2201m、底宽为250m，疏浚工程量共263.21万m3；礁石区共有9块，其中有3块面积较大，另外6块呈零星分布，工程量为20812m3。测量内容包括：能有效控制施工区的平面和高程控制网；为施工船舶和水下地形测量提供准确的实时潮位；疏浚区的水深测量和卸碴区的水深检测；为施工船舶提供满足施工精度的导航和潮位观测系统。该工程的炸礁施工作业，海面宽阔，进出港船只多，密度大，交通繁忙。施工期间，既要保证通航安全，又要保障施工质量高要求，且工期控制严，因而对施工定位等测量工作提出了很高的要求。

4.测绘作业

4.1施工控制点复核及加密

工程附近共有4个控制点分别为HC130 、HC11、JK168和JK169，但距离航道疏浚炸礁施工区都大于5km，相邻点之间距离也在5km以上。在航道工程开工之初，为满足其它施工点的放样需要，利用全站仪进行了加密导线控制测量，在通视，和满足距离、角度的前提下进行选点，采用常规方法进行测量、平差。由于利用全站仪对航道疏浚炸礁施工区进行测量放样实现难度大，作业效率低，决定利用GPS－RTK对部分控制点进行复核，首先在其中三个点上进行求转换参数的观测，求得三参数分别为：DX=-14.56m,DY=124.82m,DZ=77.34m，高程异常＝－43.131，然后利用移动台与手簿结合，通过输入以上参数就可以实时快速的解算出定位点的地方坐标。通过对部分控制点的成果相比较，结果表明：只要具备条件，RTK完全可以代替Ⅱ级导线，完全可以满足航道工程的施工控制布点测量。

4.2水下地形测量

本工程的测量的主要任务之一是水下地形测量，复测施工区域，一是与原设计水下地形相对比，作为合同工程量的校核，二个是作为航道炸礁施工时现场指挥人员准确把握水底情况依据。因利用全站仪配合测深仪测量水深存在难以跟踪测量船，测深仪与全站仪之间的延迟误差，致使工作效率很低，测量成果精度有限，测量人员劳动强度高的特点。决定采用双频GPS－RTK系统，同时水深测量采用GPS－RTK无验潮测深方式作业。

4.2.1无验潮测深原理

水下地形测量主要确定水下航道底某一点的地面标高，即该点的平面位置（x,y）和岩面标高（h）。

传统的GPS水深测量系统的主要方法是，GPS负责测量水下地形点的平面位置，再通过验潮高程与测深仪的测深值推算水下地形点的高程。如图1，通过验潮可求得换能器水面标高H0，如水面至换能器的高度记作H1，换能器测得的水深值记作H2，则可求得测点岩面标高H

为：H=H0-H1-H2

如采用GPS－RTK实时相位差分技术，则可求得厘米级的GPS三维坐标（x、y、H）；即已知GPS天线标高为H4，GPS天线至换能器高度为H3，则可求得测点岩面标高H为：H=H4-H3-H2

这样不用通过验潮改正，就可以直接得到航道底测点的三维坐标（x、y、H），以上所有计算过程都由计算机软件自动完成。

4.2.2 作业过程

对疏浚炸礁区沿垂直航道中心线每隔7米（1：500）划分测量断面，作为测量船舶的导航线，测量时尽可能按预先设好的测量控制线进行水深测量数据采集。如属疏浚清碴期间的测量，则在每艘船清碴完毕，及时测量、分析，现场指挥人员根据测量成果，作出合理的施工作业展布，保证清碴作业的高效、按质完成，杜绝盲目乱挖。

首先在已知点上架设基准站，基准站一般选择在上空开阔，地势较高，并避开发射塔、高压线等干扰源的地方。设置好已知坐标、坐标系统、及转换方式等。基准站的改正数据链可通过自带电台或移动通讯网络传输。

其次把移动台和测深仪设置在测量船上，并把GPS天线插在换能器的固定杆上，把GPS和测深仪的数据线连接到笔记本电脑上，通过海洋测量软件即可监控船舶进行航行测量。根据工程的具体情况还可以在软件里作好各种不同形状的测量计划线，使测量结果按照设想进行。

炸礁放样测量

4.3.1 炸礁船的定位原理

在航道工程炸礁施工作业中，需要依靠船舶作为平台来开展施工活动，要求的船舶的定位精度较高，常规的船舶定位施工放样方法是使用直角坐标放样，即用全站仪等光学测量仪器直接观测船舶钻机轴线上不同两点的实时坐标，通过全站仪的自身或编程计算器计算出与设计位置偏差，通过现场指挥收放锚缆移动船舶以逐步靠近设计位置，定位观测与移船反复进行直至实测位置与设计位置达到允许误差范围，施工放样才算结束。

4.3.2利用GPS－RTK（1＋2）为炸礁船定位

按4.2的方法设置好基准站，将2个GPS移动站天线固定在炸礁作业船舶钻机轴线不同位置上的两个点上，将两天线与特制的定位接收机相接，并通过数据线与装有海上施工导航定位软件系统的电脑连接。打开电脑的导航软件，并将设计好的炮孔布设计划线导入电脑，使导航软件进入测量状态。根据施工定位软件显示的实时位置与电子图中设计的炮孔位置偏差进行移锚校正船位即可。

5.GPS－RTK技术测量的优势

通过以上工程的具体实践，我们可以得到利用GPS-RTK进行工程测量，与传统测量方法相比有着极大的优越性。

（1）控制测量中，传统导线测量采用全站仪测量边角，不仅费时费力，要求点间相互能视，且精度不均匀，测量的站数与导线边长度都会对测量结果造成一定的影响。如采用GPS－RTK进行Ⅱ级导线点的布测，不仅精度高，点间无须通视，且可大大降低测量人员的劳动强度，只需在测点上等一段时间即可以。

（2）水下地形测量中，采用GPS－RTK无验潮水深测量方式，不需要建立验潮站，节省了验潮人员，因其直接得到测点的三维坐标，不需要验潮数据参加，而且GPS与测深仪的合并记录上没有延迟，使得精度更高。

（3）工程船舶的放样定位中，采用GPS－RTK导航定位技术，一是可直接得到测点的三维坐标，不需要为反算孔底高程的验潮人员开支；二是可达到船舶位置直观可见，无需人工反算坐标的计算过程，大大提高船舶定位的效率与准确度，对炸礁爆破的质量也有一定的提高。

6.结束语

GPS-RTK技术在本工程中的应用,大大提高了测量工作的速度，对炸礁施工的速度和工程质量的提高起到了很大的作用，内外业工效比使用传统测量设备有了极大的提高。而且高新技术的使用，使数据采集和成图的质量和精度更为可靠。需要注意的是GPS的最大局限是在隐蔽的地方仍然得靠采用传统的仪器用常规的方法进行测量。

参考文献：

[1]JTJ 203-2001，水运工程测量规范[S]

[2]GB/T 18314-2001《全球定位系统（GPS）测量规范》

[3]陶明等.厦门漳州招银港深水炸礁爆破.[J]工程爆破，2009（3）