摘要：結(jié)合疏浚工程施工，論述利用GPS先進技術(shù)對疏浚工程船舶進行施工定位效果良好。論文發(fā)表：《控制理論與應(yīng)用》主要報道系統(tǒng)控制科學(xué)中具有新觀念、新思想的理論研究成果及其在各個領(lǐng)域中，特別是高科技領(lǐng)域中的應(yīng)用研究成果，內(nèi)容包括：集中參數(shù)控制系統(tǒng);線性與非線性控制系統(tǒng);分布參數(shù)控制系統(tǒng);隨機控制系統(tǒng);離散事件系統(tǒng);大系統(tǒng)理論;混合系統(tǒng);系統(tǒng)辨識與建模;自適應(yīng)控制;魯棒控制;智能控制;優(yōu)化與控制算法;先進控制理論在實際系統(tǒng)中的應(yīng)用;系統(tǒng)控制科學(xué)中的其它重要問題。

　　關(guān)鍵詞：工程,疏浚船舶,GPS原理,定位

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)現(xiàn)已成為全球廣泛應(yīng)用的定位手段，它以全球性，全天候，準確，可靠和高效率等優(yōu)點被測量與施工所采用。結(jié)合2010～2012年馬里河道疏浚工程施工定位實踐，探討如何利用GPS衛(wèi)星定位進行施工。

　　一、工程概況

　　阿拉塔納干渠項目是美國政府“千年挑戰(zhàn)公司(MCC)”資助項目，業(yè)主是馬里千年挑戰(zhàn)賬戶(MCA-Mali)，工程師為加拿大SNC-Lavalin公司。本項目以挖泥船疏浚為主,疏浚全長25km，工程量大約為450萬方，因河道較窄，采用1600絞吸式挖泥船進行施工。

　　二、GPS的工作原理

　　1 GPS簡介

　　1.1 GPS的定義

　　GPS的英文全稱是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System(導(dǎo)航星測時與測距全球定位系統(tǒng))，簡稱GPS有時也被稱作NAVSTAR GPS。根據(jù)Wooden 1985年所給出的定義：NAVSTAR全球定位系統(tǒng)(GPS)是一個空基全天侯導(dǎo)航系統(tǒng)，它由美國國防部開發(fā)，用以滿足軍方在地面或近地空間內(nèi)獲取在一個通用參照系中的位置、速度和時間信息的要求。

　　1.2 GPS的系統(tǒng)組成

　　GPS系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分和用戶設(shè)備部分等三部分組成。2 GPS的定位原理

　　2.1 GPS測量定位的分類

　　GPS測量定位按照不同的分類依據(jù)而分為以下幾類

　　依定位時的狀態(tài)：動態(tài)定位、靜態(tài)定位。

　　依定位模式：絕對定位(單點定位)、相對定位、差分定位。

　　依定位采用的觀測值：偽距測量(偽距法定位)、載波相位測量。

　　依時效：實時定位、事后定位。

　　依確定整周期模糊度的方法及觀察時段的長短：常速靜態(tài)或動態(tài)定位、快速靜態(tài)或動態(tài)定位。

　　2.2 差分GPS定位

　　疏浚船的施工定位方法是差分GPS定位，對此定位方法做詳細介紹

　　2.2.1 差分GPS定位原理

　　差分定位系統(tǒng)即為DGPS，英文全稱Differential Global Position System，是在GPS的基礎(chǔ)上利用差分技術(shù)使用戶能夠從GPS系統(tǒng)中獲得更高的精度。

　　如圖片3所示，DGPS實際上是把一臺GPS接收機放在位置已精確測定的點上，組成基準臺。基準臺接收機通過接收GPS衛(wèi)星信號，測得并計算出到衛(wèi)星的偽距，將偽距和已知的精確距離相比較，求得該點在GPS系統(tǒng)中的偽距測量誤差，再將這些誤差作為修正值以標準數(shù)據(jù)格式通過播發(fā)臺向周圍空間播發(fā)。附近的DGPS用戶接收到來自基準臺的誤差修正信息，以此來修正自身的GPS測量值，從而大大提高其定位精度。

　　基準站對每顆在視場的GPS衛(wèi)星進行連續(xù)跟蹤測量，在ti時刻測得的偽距為di(i為衛(wèi)星編號)，而基準站ti時刻至衛(wèi)星的距離可算出為pi ，則偽距改正數(shù)為：△di = pi - di.由于△di是隨時間不規(guī)則變化的，因此還要將偽距的變化率傳給移動站。基準站將時標，偽距改正數(shù)，偽距變率和衛(wèi)星數(shù)據(jù)齡期AODE組成l串電文，通過無線數(shù)據(jù)鏈向移動站廣播。發(fā)AODE的目的是為了保持基準站和移動站使用同一齡期的星歷，以消除衛(wèi)星星歷誤差和星鐘誤差。

　　移動站接收到差分電文后，對GPS測得的偽距進行改正，獲得高精度的位置。移動臺的計算機用于采集GPS的位置數(shù)據(jù)，并通過后處理，繪成坐標圖，顯示定位實時動態(tài)位置，起到導(dǎo)航定位作用。定位原理如圖3所示。

　　圖3 差分GPS定位原理

　　2.2.2 差分GPS的類型

　　差分GPS定位分為偽距差分定位和載波相位差分定位兩種

　　① 偽距差分定位

　　其原理是在基準站上觀測所有的衛(wèi)星，利用基準站的已知坐標和測得的各衛(wèi)星的地心坐標，計算出基準站至各衛(wèi)星的距離，并求出它與相應(yīng)偽距之差，用此改正數(shù)去改正用戶站測得的偽距。

　　其優(yōu)點是由于基準站提供了所有衛(wèi)星的偽距改正數(shù)，用戶接收機觀測任意4顆衛(wèi)星即可完成定位。

　　其缺點是差分精度隨基準站到用戶站的距離增加而降低。

　　偽距差分定位能滿足米級定位精度，廣泛用于導(dǎo)航和水下測量等。馬里阿拉塔納干渠項目的疏浚船施工用此定位方法。

　　② 載波相位差分定位

　　載波相位差分技術(shù)又稱實時動態(tài)(RTK，Real Time Kinematic)定位技術(shù)，是實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法。

　　3 GPS定位的特點

　　① 全球、全天候工作。

　　② 定位精度高。單機定位精度優(yōu)于10m，采用差分定位，精度可達厘米級和毫米級。

　　③ 功能多，應(yīng)用廣。

　　三、用于施工定位的主要設(shè)備及GPS的主要技術(shù)指標

　　1 施工定位用的主要設(shè)備

　　疏浚船舶用于定位的主要設(shè)備疏浚船舶用于定位的主要設(shè)備有：GPS，電子羅經(jīng)，電腦和導(dǎo)航軟件。

　　2 GPS的主要技術(shù)指標

　　① 8通道并行GPS接收機，重捕獲時間只要幾秒鐘。

　　② 實行導(dǎo)航定位平面位置精度：<±1m ;靜態(tài)相對定位精度：≤±(5mm + lppm)。

　　③ 作用距離：< 40km(與通訊條件有關(guān))。

　　④ 差分發(fā)射間隔：2s 。

　　⑤ 位置水深采集速率：1次/ s 。

　　⑥ 電源：11∽14V直流電。

　　⑦ 功耗：基準站靜態(tài)功耗為5W ，電臺發(fā)射功耗高頻為35W、低頻為2W，移動站靜態(tài)功耗為5W 。

　　四、利用GPS進行施工定位

　　首先在某一已定坐標點上設(shè)立基準站，然后在各施工船舶上設(shè)立移動站。由于每個地方所采用的坐標系不一樣，導(dǎo)航軟件可直接對采集的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)進行一級或二級坐標系轉(zhuǎn)換成為當(dāng)?shù)刈鴺讼怠ｋ娮恿_經(jīng)以及因GPS天線的位置與實際要定位的點的平面位置之間的誤差都可以通過固定差校正或天線偏差校正，將各種誤差消除。

　　1 基準站位置及接收機的選擇

　　馬里河道疏浚工程的施工工況：戰(zhàn)線較長。在選擇GPS接收機設(shè)備時，本著經(jīng)濟，實用，可行的目的，選用符合工程技術(shù)要求的天寶5700基站以及SPS351信標機接收機。基準站選擇設(shè)在較開闊且較高的地方，因施工區(qū)域附近無較高的建筑物，將基站架設(shè)在營地，發(fā)射天線捆綁于較高的水塔上。使基準站發(fā)射的RTCM信號有效控制整個工程施工區(qū)域，同時，還需盡量減少誤差。在設(shè)立基準站時，采用3臺GPS進行靜態(tài)測量，測出計劃設(shè)立基準站的坐標點的坐標，將基準站設(shè)在該點上。基準站設(shè)立后，在移動站到離施工區(qū)最近和最遠的已知點上進行精度測試，結(jié)果表明，各施工區(qū)域均能可靠接收差分信號和衛(wèi)星信號，精度在±1m內(nèi)，符合施工定位的規(guī)范要求。

　　2 抓斗式挖泥船GPS定位技術(shù)

　　抓斗式挖泥船采用GPS進行施工定位將GPS天線固定在駕駛室前面的抓斗吊架頂端(抓斗中心對上去的位置)，將電臺差分天線固定在駕駛臺頂上，將電子羅經(jīng)置于駕駛室內(nèi)，并使電子羅經(jīng)方向與駕駛室平面中軸線方向一致(即電子羅經(jīng)方向代表駕駛室左右移動的平面方向)，將電腦和GPS主機設(shè)在駕駛室內(nèi)駕駛員能清楚看到顯示器里面的圖像的地方，從電腦主機上接l臺顯示器置于船體后方，以便負責(zé)移錨的船員能夠根據(jù)電腦顯示器里面的電子圖形進行移錨校正船位，再將GPS和電子羅經(jīng)接上電腦主機串口，打開電腦的導(dǎo)航軟件，并將開挖計劃線編好，使導(dǎo)航軟件進入測量狀態(tài)。移船定位時，將駕駛室前的抓斗吊架置于船體正前方，測電子圖形中的小船的中軸線代表抓斗船船體平面中軸線方向，十字中心代表吊架頂端GPS天線的平面位置即抓斗中心的平面位置。抓揚式挖泥船沿著已定開挖行挖泥前進，則電子圖形中的小船中軸線方向與開挖行的計劃線的中線方向一致，且十字中心在計劃線的中線如發(fā)生偏離，移錨人員應(yīng)松緊錨纜將船位糾正。施工挖泥時，駕駛員可通過電子圖形觀察抓泥時抓斗移動的動態(tài)位置和排斗的間距。駕駛員通過觀察電子圖形中小船移動的方向，距離以及十字中心的坐標來辨別挖泥船的施工和移位狀況。

　　3 絞吸式挖泥船GPS定位技術(shù)

　　絞吸式挖泥船利用GPS進行定位絞吸式挖泥船是沿著以鋼樁為圓心，船體為半徑的弧線挖泥的。絞吸式挖泥船施工時需要定船頭絞刀的位置，也要定船尾主鋼樁的位置。如果只定絞刀的位置，鋼樁偏了會產(chǎn)生超挖和漏挖;如果只定鋼樁的位置，無法辨別絞刀是否挖到邊線。絞吸式挖泥船施工定位采用2條GPS天線，不用電子羅經(jīng)。將l條GPS天線固定在駕駛室前A字架的頂端，l條GPS天線固定在近主鋼樁的地方，將2條GPS天線的另一端接上信號轉(zhuǎn)換器后，再接入GPS主機(GPS主機只能接收l條GPS天線的信號，不能同時接收2條GPS天線的信號，計算出2個點的坐標，通過信號轉(zhuǎn)換器可選擇接收其中任l條GPS天線的信號)。將電臺差分天線固定在駕駛室頂，電腦置駕駛室內(nèi)駕駛員可以清晰看到顯示器里面圖像的地方。絞吸船施工時主要給絞刀定位。

　　五、河道疏浚施工中挖泥船的定位特點

　　結(jié)合馬里當(dāng)?shù)厥┕で闆r，河道較窄，戰(zhàn)線長，故采用多臺1200絞吸式挖泥船，多面同時施工。河道窄，方向是固定的，所以電子羅經(jīng)是不需要的，河道方向便是羅經(jīng)值。1200絞吸式挖泥船較小，可以用單GPS定位，只定位絞刀頭的位置便可以，節(jié)約成本。挖泥船用的定位軟件是國產(chǎn)的自由行，將施工平面圖導(dǎo)入到軟件中，設(shè)置好GPS連接端口、點，連接儀器，輸入河道的羅經(jīng)值便可以對河道疏浚施工的挖泥船進行定位。

　　六、結(jié)語

　　疏浚施工船舶采用GPS定位技術(shù)，與以往測量、放樣方式相比，省略了傳統(tǒng)的插桿放樣工作環(huán)節(jié)，減少了人力占用、物力的消耗，從而節(jié)約了施工成本，而且也為挖泥船贏得了有效工作時間，提高了工作效率;同時，GPS定位具有即時性(即在電腦顯示器上時時顯示著船舶的位置)、連續(xù)性(即可以畫出船舶的連續(xù)運行軌跡，亦可指導(dǎo)施工)、永久性等特點，為船舶施工人員提供了極大的便利，也大大的提高了船舶施工的精確度。