现代测绘gps技术在疏浚工程中的应用

荿螀肅肀蒂薃羁聿薄螈袇肈芄薁螃膇莆螆肂膆蒈蕿羈膅蚁螅羄膄莀蚇袀膄蒃袃螆膃薅蚆肄膂芅袁羀芁莇蚄袆芀葿袀螂艿薁蚂肁艿莁蒅肇芈蒃螁羃芇薆薃衿芆芅蝿螅芅莈薂肄莄蒀螇羀莃薂薀袆莃节螆螂莂蒄薈膀莁薇袄肆莀虿蚇羂荿荿袂袈羆蒁蚅螄羅薃袀肃肄芃蚃罿肃莅衿袅肂薇蚂袁肁蚀薄腿肀荿螀肅肀蒂薃羁聿薄螈袇肈芄薁螃膇莆螆肂膆蒈蕿羈膅蚁螅羄膄莀蚇袀膄蒃袃螆膃薅蚆肄膂芅袁羀芁莇蚄袆芀葿袀螂艿薁蚂肁艿莁蒅肇芈蒃螁羃芇薆薃衿芆芅蝿螅芅莈薂肄莄蒀螇羀莃薂薀袆莃节螆螂莂蒄薈膀莁薇袄肆莀虿蚇羂荿荿袂袈羆蒁蚅螄羅薃袀肃肄芃蚃罿肃莅衿袅肂薇蚂袁肁蚀薄腿肀荿螀肅肀蒂薃羁聿薄螈袇肈芄薁螃膇莆螆肂膆蒈蕿羈膅蚁螅羄膄莀蚇袀膄蒃袃螆膃薅蚆肄膂芅袁羀芁莇蚄袆芀葿袀螂艿薁蚂肁艿莁蒅肇芈蒃螁羃芇薆薃衿芆芅蝿螅芅莈薂肄莄蒀螇羀莃薂薀袆莃节螆螂莂蒄薈膀莁薇袄肆莀虿蚇羂荿荿袂袈羆蒁蚅螄羅薃袀肃肄芃蚃罿肃莅衿袅肂薇蚂袁肁蚀薄腿肀荿螀肅肀蒂薃羁聿薄螈袇肈芄薁螃膇莆螆肂膆蒈蕿羈膅蚁螅羄膄莀蚇袀膄蒃袃螆现代测绘GPS技术在疏浚工程中的应用上海达华测绘公司袁世中摘要文章介绍、归纳了现代测绘GPS技术的理论及其特点，对GPS技术社疏浚测量定位与测设的应用向深度和广度发展方面作了理论分析和论证，具有较强的现实意义。关键词GPS技术疏浚工程测量与测设应用一、定位技术在疏浚工程中的应用回顾与发展在疏浚工程中包括了疏浚测没和疏浚测量，它们是一对孪生兄弟，两者都离不开定位。对它们来说，定位技术是一项十分重要的关键技术之一、它直接关系到疏浚工程的成败与工程质量的优劣。又是GIS的重要数据源。早在二十世纪三十年代，为了能够使“建设号”耙吸挖泥船在长江口铜沙江亚航道（现称南港航道）进行疏浚，在长江口建造了上浚、中浚、上沙、中沙、下沙等疏浚定位标志。在六十年代，1964年6月，我局在长江口布设了HIFIX/3无线电相位双曲线定位系统，是我国的疏浚定位技术发生历史性的变化，提升了疏浚定位技术水平，为铜沙江亚航道浚深到7M，提供了有利的技术保障。也为三年改变上海港口面貌做出了重要贡献。到了九十年代中期，GPS定位技术在长江口航道疏浚工程中投入应用，尤其是在长江口深水航道治理工程中，GPS定位技术得到了进一步的应用，定位技术的应用有的到了发展和开拓，其中最明显的成绩是建立了长江口工程局域网，RTKGPS定位技术的应用，GPS水准技术的应用开发等，这一系列工作为长江口深水航道的建设顺利进行打下了坚实的技术基础。由此可见，经历了大半个世纪，疏浚定位技术从光学定位，航标定位发展到无线电定位；从岸台台链工作模式发展到空间定位技术；从二维平面定位发展到了三维定位，并且能够为疏浚工程传播提供了连续、实时的位置、速度和时间信息。GPS定位技术仍在发展之中。据有关报道，目前又提出了GPS的现代化计划，其中包括设计新的卫星型号；设计新的GPS信号结构；增加GPS两个新的民用频率；提高GPS卫星集成度；增加GPS无线电强度、改进导航电文、改善导航的定位精度、可靠性、以及强化GPS抗干扰能力。一旦这个GPS现代化计划实施完成，不仅使GPS应用的领域得到拓展、应用的质量得到提高，而且对疏浚定位而言，提供了丰富、可靠的技术资源，同时促进了疏浚GPS概念的发展。二、DGPS定位技术的理论简述当前。局域差分GPSLOCALAREADIFFERENTIALGPS实时定位技术风靡全球。在疏浚工程中也广泛地使用这种技术。这种技术是由基准站、数据通讯链和移动站（用户站）组成并构成网络系统。在一定的区域范围内，可以改善定位精度。DGPS定位技术的关键是提供了一个改正量消除或减弱基准站与移动站之间的相关公共误差，如星历误差、卫星信号传播误差、对流层和电离层折射影响等，使得在近距离，改正信号实时传播的情况下，定位的准确度可得到明显的改善。如果移动站与基准站间的距离较远，则这些公共误差的相关性减弱，移动站接收机定位数据就不可能得到可靠正确的改正，有的误差甚至还会增加。目前，DGPS定位模式有四种（1）位置差分（已不使用）；（2）伪距差分；（3）载波相位平滑伪距差分；（4）实时动态载波相位差分RTK）。而在疏浚工程定为中主要使用后两者，即载波相位平滑伪距差分、实时动态载波相位差分，在较高级的GPS接收机中包括这两种定位模式供选用。1、时GPS伪距差分技术的计算模式（1）伪距观测量伪距观测量是定位过程中最基本的观测量。目前导航型GPS接收机只能收到C/A码伪距观测量。由于民用的GPS双频接收机采用相应的技术、可以辨认在L1和L2频率上的（Y1Y2）值，从而导出在L2上的伪距。伪距观测量是利用相关技术获取的。在相关接收中，卫星上发射的C/A码随机信号是由卫星时钟控制的，移动台接收机的C/A码随机信号是由本地时钟控制的。在相关接收时，将此两伪随机信号码对齐，使相关系数等于1或接近1，即完成跟踪和延迟锁定，卫星时钟与接收机始终同步，在这一时刻相对于初始时刻的时延量。即表征了地面点到卫星间距离的函数，便得到了伪距观测方程TTCTPSRL1（1）212YL（2）式中PL1L1的伪距观测值；地面点到卫星的几何距离；分别为接收机钟差和卫星钟差；SRT,T电离层改正；观测噪声；C无线电波传播速度；PL2L2伪距观测值；Y1Y2的伪距。1Y（2）GPS伪距差分技术计算模式（以L1频率伪距为例）DGPS差分定位涉及到基准站（已知点）接收机位置（X0、Y0、Z0），船移动台位置（X、Y、Z），而计算而得的卫星瞬时位置（XS、YS、ZS），根据式（1）得到在基准站，移动台的伪距观测方程3TTCTZYPSRSSS2/10202004XSRSSSR/于是在基准站得出伪距改正值可以表示为P5TTCTZYXPSRSS2/1020200同时可求出伪距改正值的变化率P6T在一般情况下，基准站将和传送给移动台，移动台测量出P伪距PR再加以上的改正量，求得经过改正的伪距PCT70TTTRC利用改正后的伪距PCT，只要观测4颗卫星，就可计算出移动点的坐标。（3）载波相位平滑伪距差分技术由于伪距随机码伪距测量量的噪声较大，无法以差分定位技术予以消除或减弱，对疏浚工程定位精度要求较高的情况下，利用载波相位测量噪声来平滑伪距伪随机码的测量噪声。同时由于码测量量的载波相位测量量中的电离层延迟大小相似而符号相反，载波相位还可消除一部分电离层的误差影响。现设伪距观测方程与载波相位观测方程的关系表达如下81DTCPC92N式中PC为经差分改正后的移动站到卫星的伪距，为移动站至卫星的真实距离，DT为钟差，为观测到的相应小数，N为整周相位模糊度，为波长，为接收机的测量噪声。由于式（9）中N值存在相位模糊度，无法直接将21,绝对值N用于动态测量。因此采用历元间的相位变化量来平滑伪距，故取T1,T2两时刻的相位观测量之差。1021212121TDCTTTP于是将T2时刻的伪距观测量代入式（10），然后由T2时刻差分伪距观测量经相位变化回推T1时刻的差分伪距观测量11210TPT由此可见我们可以由不同时段的相位差回推求出T1时刻的伪距值，根据这个技术原理，求得T1时刻的伪距平滑值12TPK式中，K为历元数求得T1时刻的平滑值后，可推得其他各时刻的平均值1311KKTPT（4）载波相位差分技术的计算模式设在L1和L2的载波相位观测值得数学模式为142NTTCTSR式中表示载波相位观测值的小数部分值，表示对应的距离量（相距），N是载波相位的整周模糊度，是相应频率的波长。类似于伪距差分改正值计算，载波相位差分改正值可由下式表示15N基准站将和N以及它们的变率和原始相位数据传输给移动台，作为移动台（站）定位之用。值得一提的是移动台（站）必须使用OTF技术迅速计算相位整周模糊度，以求定自己的位置。最近几年发展的动态实时快速确定整周模糊度技术（OTF技术）已有长足进展，这项技术已在长江口深水航道建设工程中得到有效应用。为此，RTKGPS技术引起疏浚工程技术人员的关注，它不仅定位误差小，而且可以进行三维定位。尤其GPS高程含有疏浚工程所需的高程信息。为疏浚GPS概念的应用开辟了广阔的前景。三、各类DGPS定位技术的比较由于在DGPS技术中的基准站发送的改正的具体内容不一样，其差分定位误差也各不同，如表（一）所示各种DGPS定位误差的比较表表（一）定位方法主要电文名称波特率（BPS）定位误差（2）作用范围（KM）备注位置差分位置改正数20M40不再应用一般伪距差分伪距改正数及其变化率120010M50伪距差分相位平滑伪距差分120030M40固定解原始相位观测量原始伪距观测量96000203M（静态）3040浮动解原始相位观测量原始伪距观测量960005M（静态）30失锁恢复时间为秒相位差分（RTK）准载波相位差分载波相位改正数伪距改正数24001M（静态）40从表（一）中可以看出，在疏浚工程定位中，应注意两个方面，、基准站与移动台之间的距离，、差分信号传输的波特率，应尽可能高，在一般伪距差分技术中，要求波特率至少达到BPS。而在RTKGPS技术中，至少要采用BPS传送电文。四、DGPS定位数据的质量定位是由两个部分组成，第一部分是由DGPS接收机计算船位坐标，并在海图上或屏幕上显示；第二部分是采用某些方法估评定位质量，提供施工人员。这是一个完整的概念，缺一不可。定位数据质量是定位数据适用不同的应用能力，只有了解数据质量之后，才能判断数据对某种应用的适宜性、可靠性。因此，在疏浚定位中如何提高并确保定位数据质量及评估定位数据质量已是一个相当重要的现实问题。就选两个问题作一些探讨。、如何提高并确保定位数据的质量（）保持基准站与移动站之间的公共误差良好空间相关性。正如表（一）所指出的作用范围。否则定位误差也距离增加而增加。如长江口深水航道工程中，航道的跨度大于KM，应考虑布设两个基准站，有效解决空间相关性的问题。（）确保DGPS差分信号的现势性当移动台利用基准站差分信号进行定位时，存在传输数据的现势性问题，即时间差（LATENCY）和讯龄（MESSAGE），为了减少时间差或讯龄所引起的误差，通常可采用两种方法，一种是选用既播发伪距差分改正值，又播发差分改正变化率，利用变化率来修正差分改正值。第二个是正确、合理的选用数据传送电文的波特率，使动定位误差限制在允许的误差范围内，尽可能减少不必要的定位偏差。（）选用性能较好的GPS接收机通常可选用双频接收机，并具备能识辨（Y1Y2）码的功能，这样的GPS接收机能提供多种观测量，其中包括L1L2，可消除电离层效应，可提供更快更可靠的定位结果。接收机应具备多种DGPS工作模式，如伪距差分、载波相位平滑伪距、RTK等。接收机的软件应有判断定位中的粗差能力。另外，由于目前现代GPS高程的应用，从GPS大地高中提取潮位信息，进行水位改正，因此在选择GPS接收机不仅必须是RTKGPS接收机，而且该接收机具有每秒输出20次数据的能力。2定位数据质量的估算误差是影响定位数据质量的最直接最重要的因素，因此正确、准确、合理地处理定位数据，评定和控制定位误差是提高定位结果质量的基础。在疏浚测设和测量定位中，一瞬时所获得的定位数据，既包含了随机误差，也包含了系统误差和粗差，还包括可度量和不可度量的误差，以及数值上和概念的误差，所以定位数据“真实值”无法肯定。因此，只能采用不确定性（UNCERTAINTY）来取代误差。而不是用GPS接收机说明书中的规定准确度，或GPS接收机的最大允许误差或允许误差极限来替代。不应与测量准确度概念相混淆。GPS接收机的准确度等级，如厘米级、米级，数米级是它符合一定的计量要求，使示值误差处于规定的极限之内的等级或级别、不是定位数据判断、评估的依据。定位数据质量评估时采用定位中定位中误差估算的方法。DGPS定位中误差与卫星星座的几何配置与伪距（相距）误差有关，其可以用下式描述UERGDOPDRMMG2（16）式中，GDOP是描述定位星座的几何配置的参数，即称几何精度系数，其包括三维位置几何精度系数；平面位置几何精度系数（HDOP）；垂直位置几何精度系数（VDOP）和时间精度系数（TDOP）。UERE为等效距离误差，它是测距（和相距）的综合反映。五RTKGPS定位技术在疏浚工程中的应用在上述的各类差分技术中，实时动态载波相位差分（RTKGPS）的技术的定位不确定度在95置信概率下，置信区间很窄，在离基准台50KM处的定位中误差可达13M（动态）左右（2），不仅如此，而且含有疏浚工程中的所需的高程信息，因此，作为疏浚GPS将全面开发，充分发挥RTKGPS的全部技术资源。1大地高的应用测定和解算图载水深在以往DGPS定位技术中，由于高程控制网的布设应用得很少，主要的原因大地高的精度不能满足工程要求。自从RTKGPS技术出现，开始关注在WGS84坐标系中的大地高的开发应用。如在施工区域布设高程控制异常网，求得该区域内的高程异常值及其分布，从而可解算出图载水深。我国的高程系统采用正常高系统，正常高是由地球重力场定义的高程参考面似大地水准面起算的，（在水上，可按平均海水面起算）在海上或在地面上正常高指得测点至似大地水面（或平均海水面的距离），如图（1）所示。图（1）大地高H正常高H即高程异常之关系由高程系统理论可知，大地高（H）与正常高（H）的关系为（17）式中，为高程异常，即似大地水准面（平均海水面）至参考椭球面的距离。要使GPS高程H能在疏浚工程中得到应用，必将其转为正常高，而其中的关键技术是求待定点的高程异常值（）。为此，首先要建立GPS工程区域区，其中包含高程异常网，经过GPS三维平差而获得各已知点（水准点）的大地高，其精度可达12PPM，并采用相应的数学拟合模型，与施工区的平均海水面（或似大地水准面）拟合，便可以通过内插出施工区内的正常高。同时，利用有关软件或数学模型，从大地高的信息中取出，潮位，波浪的信息，配合测深仪测得的深度，建立出求解图载水深的数学模式，从而实现了GPS大地高转换为图载水深。这不仅仅解决了GPS自动验潮的问题，在施工区内可以实时获得任何时间，任何地点的潮位资料，而且在没有疏浚测量单位提供测图的情况下，能随时可以掌握施工取得浚深信息，而建立疏浚GPS创造了有利条件。2用OTFRTK技术测量船舶下沉（动吃水），土方量计算。耙吸挖泥船下坐就是航行船舶的下沉和纵倾，当耙吸挖泥船在航道施工航行时，船舶排开的水引起船体两侧和船体与航道地面之间的回流增加，这通过船舶周围水面的降低造成船体下坐和纵倾变化。为了测定这些变化，在以往的方法中没有得到好于10CM的动态精度，所以，在大型耙吸挖泥船上采用RTKGPS技术，就可以那个准确的测定船体下沉（动吃水），纵倾等动态变化量，这种技术的基本原理简述如下，如图（2）所示。由于船舶施工航行和相对水面的运动，产生船舶下沉。当下沉量可以在水面以上的GPS天线高和静止状态（静吃水）之间的垂直位移测出。船舶航行形成的下沉定义如下（18）0TVTS式中VT、VT0不能直接测得，而是从GPS高H（T）中解出，H（T是）GPS天线的大地高，其是WGS84椭球面以上的高度，表达式为HTVTTT,XLXX19式中T是理论最低潮位（深度基准面）以上的潮高；L是理论最低潮（深度基准面）与平均海水面的差；高程异常值。在T0时刻，船舶在X处，此时使船舶保持静止状态，以便建立下列关系HT0VT0TT0,XLX020然后，在疏浚过程中，建立起与时间，土方装载等之间有关的船舶下沉关系式STHT0HTITT0,XTTI,XIX0XI21通过这个关系式不仅可求得下沉量，也可分离出土方装载量的动态变化。S（T）取决于三个测量，GPS大地高，潮高和高程异常的波动之差值。若假设每个测量值的精度为5CM，可期望S（T）值的精度为，CM78522满足了标准偏差不超过10CM的要求。同理，通过下列的关系式的建立，可以求得耙吸挖泥船的纵倾变化，即TRTSAFTTSFORAT22若TRT大于零，表示为船艉倾斜；小于零表示为船艏倾斜。同理，通过下列的关系式的建立，可以