GPS在長江口航道治理工程中的應用

1、1.工程概況長江口深水航道治理工程是實施國家" 以上海浦東開發(fā)開放為龍頭，進一步開放長江沿岸城市，盡快把上海建成國際經(jīng)濟、金融、貿(mào)易中心、帶動長江三角洲和整個長江流域地區(qū)經(jīng)濟新飛?quot;重大戰(zhàn)略決策的一項功在當今、澤及子孫的跨世紀工程。該工程規(guī)模宏大、國民經(jīng)濟效益顯著。工程全面建成后，長江口出海航道的水深將由目前7m 的疏浚維護水深增加到12.5m，第三、四代集裝箱船可全天候進出長江口。長江口深水航道治理工程位于長江口南港北槽水域（見插圖）。工程規(guī)模： 49 km 北導堤， 48 km 南導堤， 1.6 km 分流口南線堤和相連的3.2 km 潛堤，南北導堤間總長31.26 km

2、 的 19 座丁壩和84 km 航槽逾 2.4 億 m3 的疏浚方量。航道整治目標水深12.5m。工程分三期實施，預計總工期8 年左右。先期實施的一期工程包括分流口南線堤1.6 km 及潛堤 3.2km，南導堤 20 km，北導堤 16.5 km，總長 9.17 km 的 6 座丁壩和長44.8 km、3881 萬 m3 的航槽疏浚方量。還包括配套的三個建設基地及現(xiàn)場管理綜合樓的建設任務，總工程概算約32.5 億元，工期為三年。一期工程完工后，將實現(xiàn)第一階段的目標水深8.5m。其中，中港第一航務工程局承擔南導堤東段即Se 標的施工任務，主要包括11 km（ S9+000S20+000）導堤和3

3、 座丁壩。合同造價近5 億元。該工程于1998 年 7 月 1 日正式開工，當年成型導堤9 km。至今，一期工程除丁壩外，南線堤、潛堤及導堤堤身已經(jīng)全部成型。2.GPS 定位方法選定及GPS 選型2.1 GPS 定位方法選定由于該工程遠離陸域、作業(yè)面大、施工環(huán)境和氣候條件差，無法使用常規(guī)光學測量儀器進行施工定位，因此該工程在施工測量及施工控制中，全面采用了全球定位系統(tǒng)（GPS）測量技術(shù)。GPS 用于導航定位，已經(jīng)不是什麼新鮮事，但用于實時施工控制，在我國水運工程史上還是第一次。為了方便施工控制，經(jīng)過仔細研究，我們選用了實時相位差分定位模式。3.GPS 控制網(wǎng)為了實現(xiàn)GPS 的相位差分功能，在施

4、工前首先要建立施工平面和施工高程控制-GPS 控制網(wǎng)。建立 GPS 控制網(wǎng)的目的主要有兩個：(1) 求解七參數(shù)，進行坐標系統(tǒng)和高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換；(2) 提供 GPS 基準站點，用于設立參考站。3.1GPS 控制網(wǎng)的布設觀測根據(jù)工程的實際施工需要，三個播發(fā)GPS 差分信號的基準站分別選在橫沙島、三甲港和北槽中。為獲得精確的WGS84 坐標，與佘山天文臺的GPS 長期跟蹤站點聯(lián)測；并聯(lián)測了周圍的四個國家與上海市城建控制點，分別是二等點九段和倪家鴻，一等點陳家鎮(zhèn)和海樓；為確保高程轉(zhuǎn)換參數(shù)的可靠性和精度，用GPS 在閔行和奉城附近聯(lián)測了二個二等的水準點。組成的GPS 控制網(wǎng)如圖所示。3.2 控制網(wǎng)的施測

5、與解算控制網(wǎng)的施測采用雙頻接收機觀測，佘山天文臺采用Roge 接收機觀測?；€解算采用國際上著名的解算長基線的Gamit 軟件， Gamit 解算時用精密星歷；平差計算采用同濟大學開發(fā)的TGPPS 軟件。以佘山天文臺為起始點在WGS84 坐標系中平差。在長江口深水航道治理工程中，GPS 主要用于兩個方面：1、 GPS 無驗潮測深；2、 實時過程施工控制。4.GPS 無驗潮測深水下地形測量的主要任務是確定水下某一點的泥面標高, 即該點的平面坐標(x, y)和泥面標高h, 傳統(tǒng)的水下地形測量方法一般采用GPS 定位確定其平面坐標(x, y)，而泥面標高h 則需要通過驗潮求得。如圖1，通過驗潮可求得

6、水面標高h0，圖 1若測深儀換能器離水面的深度為h1 且由測深儀測得換能器至泥面的高度h2, 則可求得測點的泥面標高h為：h = h0 - h1 - h2 (1)計算水面標高h0 時，一般至少需要三個驗潮站，如果驗潮站少于3 個或驗潮站在測點的同一側(cè)，則需要利用有關(guān)模型才能計算出測點的水面標高h0。若將 GPS 天線架設在在測深儀換能器的垂直上方，且已知GPS 天線的標高h3，GPS 天線至換能器的高度為h4，則測點的泥面標高h 為：h = h3 - h4 - h2 (2)采用 GPS 實時相位差分（RTK ）技術(shù)可實時求得厘米級的GPS 天線的三維坐標（x, y, h）；但 GPS 實時相位

7、差分得到的是WGS 84 坐標系中的高程，屬于大地高系統(tǒng)，而在長江口深水航道治理工程中采用吳凇高程系統(tǒng)，如果能夠?qū)GS 84 坐標系中的大地高轉(zhuǎn)換成吳凇高程系統(tǒng)中的標高，則可由（2）式直接確定泥面標高而無需進行驗潮，我們將此種方法稱為GPS 無驗潮水下地形測量。高程的轉(zhuǎn)換可以利用精確的大地水準面模型（厘米級）進行轉(zhuǎn)換，也可以利用局部大地水準面的擬合模型進行轉(zhuǎn)換，但都必須滿足水下地形測量的精度要求。為了計算方便，在長江口深水航道治理工程中，我們采用坐標轉(zhuǎn)換模型將WGS84 坐標系中的坐標直接轉(zhuǎn)換為國家54 坐標和吳淞高程系中的高程，坐標轉(zhuǎn)換模型采用Bursa 模型。4.實時過程施工控制中港第一

8、航務工程局承擔的Se 標段，結(jié)構(gòu)形式除了少部分為軟體排護底、斜坡式拋石堤堤身、削角王子塊壓頂、鉤聯(lián)塊護面以外，主要是軟體排護底、拋石基床、半圓體堤身、拋石護肩。結(jié)構(gòu)型式見插圖：為了適應長江口的自然環(huán)境和不利的施工條件，提高工作效率，滿足工程施工需要，我們專門開發(fā)建造了專用鋪排船和專用拋石整平船，并且設計、開發(fā)了一系列GPS 施工控制專用軟件，用于鋪排定位監(jiān)控和拋石整平施工控制。4.1GPS 的安裝要確定施工船舶的平面位置和方位，需用兩臺 GPS，為此我們在鋪排船上安裝了兩臺GPS。GPS 的安裝間距越大，船的方位誤差越小，因此安裝GPS 時應盡量增大GPS 安裝間距。由于受GPS 電纜長度的影

9、響，我們將 GPS 安裝在船艉的駕駛樓上。在駕駛樓頂上沿船橫軸線方向，向船舷探出兩個懸臂，GPS 就安裝在懸臂上，以使間距及高度滿足要求。見插圖 :GPS 電纜在改造船時，預先安裝在管路中，接到主控室。電源采用船上發(fā)電機提供的交流電源，先接到穩(wěn)壓電源，再輸出給微機供電、同時輸出到變壓器給GPS 供電?？刂婆_在作業(yè)船舶的主控室內(nèi)，為方便操作緊鄰錨機操作平臺。GPS 安裝在就控制臺下，控制臺上安放一臺微機主機，通過分頻器連接兩個顯示器，一個用于技術(shù)人員操作監(jiān)控，另一個用于絞錨監(jiān)控。4.2 監(jiān)控軟件監(jiān)控軟件用C 語言編制，運行于Win95 或 Win98 操作系統(tǒng)。該軟件由三部分組成：數(shù)據(jù)庫、動態(tài)連

10、接庫和數(shù)據(jù)處理程序。操作界面與普通辦公軟件相類似，軟件設計力求界面友好、顯示直觀、操作簡單、便于使用，全部采用菜單、快捷鍵設計。5.利用 GPS 進行施工控制的優(yōu)點：利用 GPS 進行施工定位主要有以下幾個優(yōu)點：1、 精度高雙頻GPS 的實時動態(tài)三維定位精度為1cm，這是其他測量手段所無法比擬的。2、 作用距離遠在保證 cm 級的精度要求的情況下，一般的雙頻GPS 均能夠達到十幾公里，雙頻GPS 在 40Km 時仍然能夠正常初始化。3、 受自然條件的影響小由于GPS 依靠衛(wèi)星信號來定位，GPS 測量不要求通視，因此工作時，不受風、雨、霧及晝夜的影響，只要能夠正常初始化可以全天候工作。4、 自動化程度高、勞動強度小GPS 的應用使艱苦、復雜的測量外業(yè)工作，變?yōu)槭覂?nèi)操作，大大降低了勞動強度。鋪排定位監(jiān)控，僅需打開微機，輸入坐標，按顯