摘要：由于GPS是一種全天候、高精度的連續(xù)的定位系統(tǒng)，并且具有定位速度快、費(fèi)用低、方法靈活多樣和操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，所以它不僅在測(cè)量學(xué)，而且在導(dǎo)航學(xué)及其相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域，獲得了及其廣泛的應(yīng)用。本文從GPS的組成部分和特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合GPS測(cè)量技術(shù)在航道測(cè)量實(shí)際中的應(yīng)用,介紹了靜態(tài)GPS測(cè)量技術(shù)和RTK技術(shù)在航道工程測(cè)量中的應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞： GPS;航道工程;測(cè)量

　　1.GPS測(cè)量簡(jiǎn)介

　　全球定位系統(tǒng)(GPS)是美國(guó)國(guó)防部于1973年開(kāi)始，歷時(shí)約20年，耗資300億美元，于1993年成功建立了全球定位系統(tǒng)。GPS的出現(xiàn)已引起了測(cè)繪技術(shù)的一場(chǎng)革命，它可以高精度、全天候、快速測(cè)定地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，使傳統(tǒng)的測(cè)量理論與方法產(chǎn)生了深刻變革，促進(jìn)了測(cè)繪科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)代化。GPS系統(tǒng)由以下三部分組成.如下圖所示:

　　(1)空間星座部分：全球定位系統(tǒng)的空間星座部分由24顆工作衛(wèi)星，3顆可隨時(shí)啟用的備用衛(wèi)星。工作衛(wèi)星均分布在6個(gè)近圓形軌道內(nèi)，每個(gè)軌道面上有4顆衛(wèi)星，衛(wèi)星軌道面相對(duì)地球赤道面的傾角為55°，各軌道平面質(zhì)檢相距60°，即軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)各相差60°，同一軌道上兩衛(wèi)星之間的升交角距相差90°，軌道平均高度為20200km，衛(wèi)星運(yùn)行周期為11h58min。同時(shí)在地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目隨時(shí)間和地點(diǎn)而異，最少4顆，最多可達(dá)11顆，因此GPS是一種全球性全天候的連續(xù)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)。

　　(2)地面監(jiān)控部分：GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)主要由分布在全球五個(gè)地面站組成，并按功能分為主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站三種。主控站負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理所有地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作，其具體任務(wù)有：根據(jù)所有地面監(jiān)測(cè)站的觀測(cè)資料推算編制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣層修正參數(shù)等，并把這些數(shù)據(jù)及導(dǎo)航電文傳送到注入站;提供時(shí)間基準(zhǔn);調(diào)整衛(wèi)星狀態(tài)和啟用備用衛(wèi)星等。監(jiān)測(cè)站的主要任務(wù)是連續(xù)觀測(cè)和接受所有GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)并檢測(cè)衛(wèi)星的工作狀況，將采集到的數(shù)據(jù)連同當(dāng)?shù)氐臍庀笥^測(cè)資料和時(shí)間信息經(jīng)初步處理后傳送到主控站。

　　(3)GPS信號(hào)接收機(jī)：任務(wù)是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，跟蹤這些衛(wèi)星運(yùn)行，并接收到GPS信號(hào)進(jìn)行交換、放大和處理，以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接受天線的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)站的三維位置，甚至三維速度和時(shí)間。接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)后處理軟件包構(gòu)成了完整的GPS用戶設(shè)備。GPS信號(hào)接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接受單元兩部分。

　　2.GPS在航道工程測(cè)量中的應(yīng)用

　　2.1靜態(tài)GPS測(cè)量技術(shù)在航道工程測(cè)量中的應(yīng)用

　　靜態(tài)GPS測(cè)量技術(shù)主要用于建立航道首級(jí)控制網(wǎng)，之后再利用其它測(cè)量方法進(jìn)行加密的附合導(dǎo)線測(cè)量?？刂凭W(wǎng)的建立過(guò)程如下：

　　第一步：到測(cè)量任務(wù)區(qū)進(jìn)行實(shí)地勘察，選擇GPS點(diǎn)，查看附近高等級(jí)GPS點(diǎn)以便進(jìn)行聯(lián)測(cè)，校核精度

　　第二步：GPS控制網(wǎng)的布設(shè)應(yīng)根據(jù)航道兩岸地形地物、作業(yè)時(shí)衛(wèi)星狀況、精度要求等因素進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。

　　第三步：GPS選點(diǎn)應(yīng)考慮便于船舶?？堪缎魏捅苊饪刂泣c(diǎn)遭到破壞的地點(diǎn)和有利于采用其他測(cè)量方法擴(kuò)展和聯(lián)測(cè)。

　　第四步：GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理外業(yè)觀測(cè)結(jié)束后將GPS中的數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)中，采用南方或者中海達(dá)公司的軟件(包括采集器與計(jì)算機(jī)通訊軟件、基線向量處理軟件、網(wǎng)平差及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件)，及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量分析。

　　第五步：利用全站儀測(cè)量或水準(zhǔn)測(cè)量附合導(dǎo)線的方法進(jìn)行首級(jí)GPS控制網(wǎng)的加密作業(yè)，使每一段附合導(dǎo)線起始于GPS點(diǎn)，終止于GPS點(diǎn)。

　　第六步：導(dǎo)線點(diǎn)坐標(biāo)及平差計(jì)算將每段附合導(dǎo)線測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行角度、距離平差得到最后結(jié)果，從而得出平面坐標(biāo)及高程。

　　2.2 RTK技術(shù)在航道測(cè)量中的應(yīng)用

　　實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)定位技術(shù)是以載波相位觀測(cè)值為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS(RTDGPS)技術(shù)，它是GPS測(cè)量技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新突破，在航道維護(hù)性測(cè)量工程中有廣闊的應(yīng)用前景。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(RTK)系統(tǒng)其原理是取點(diǎn)位精度較高的首級(jí)控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，安置一臺(tái)接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，移動(dòng)站上的接收機(jī)在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)無(wú)線電傳輸設(shè)備接收基準(zhǔn)站上的觀測(cè)數(shù)據(jù)，隨機(jī)計(jì)算機(jī)根據(jù)相對(duì)定位的原理實(shí)時(shí)計(jì)算顯示出移動(dòng)站的平面坐標(biāo)和高程測(cè)量精度.這樣我們使用者就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)待測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量。

　　動(dòng)態(tài)定位在航道測(cè)量中的應(yīng)用可以覆蓋水深測(cè)量、(河床)地形測(cè)量、施工放線、監(jiān)理和GIS前端數(shù)據(jù)采集。測(cè)量前需要在一控制點(diǎn)上靜止觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)確定采樣點(diǎn)的空間位置.目前，其定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)。

　　動(dòng)態(tài)定位模式在航道勘測(cè)階段有著廣闊的應(yīng)用前景，可以完成地形測(cè)繪、橫斷面測(cè)量、縱斷面測(cè)量，及水深、河床地形等測(cè)量工作。整個(gè)測(cè)量過(guò)程在不需通視的條件下，測(cè)量1～3 s，精度就可以達(dá)到10～30mm，有著常規(guī)測(cè)量?jī)x器(如全站儀)不可比擬的優(yōu)點(diǎn).RTK技術(shù)具有很大的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示經(jīng)可靠性檢驗(yàn)的厘米級(jí)精度的測(cè)量成果，從而提高了GPS作業(yè)效率，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)只需要停留1～2s，移動(dòng)站小組作業(yè)(1～2人)可完成地形測(cè)量5～10km，其精度和效率是常規(guī)測(cè)量所無(wú)法比擬的。GPS與測(cè)深儀連接進(jìn)行水深測(cè)量，可以實(shí)時(shí)定位采樣點(diǎn)水深，精度一般可控制在≥5cm，充分滿足水運(yùn)工程規(guī)范要求。

　　GPS靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)技術(shù)相結(jié)合的方法可以高效、高精度地完成航道平面控制測(cè)量，水深測(cè)量，河床地形測(cè)量，護(hù)岸定線和疏浚放線測(cè)量等。

　　2.3航道控制網(wǎng)的建立

　　按GPS勘測(cè)規(guī)程要求，和水運(yùn)工程規(guī)范的要求，每0.5～1km間設(shè)一控制點(diǎn)，具體情況可以航道兩岸地形與地物而定。

　　3.GPS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和局限性

　　3.1GPS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

　　(1)觀測(cè)站之間無(wú)需通視。既要保持良好的通視條件，又要保障測(cè)量控制網(wǎng)的良好結(jié)構(gòu)，這一直是傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)在實(shí)踐方面的困難問(wèn)題之一。GPS測(cè)量不要求觀測(cè)站之間相互通視，這一優(yōu)點(diǎn)即可大大減少測(cè)量工作的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間，同時(shí)也使點(diǎn)位的選擇變得更加靈活。

　　(2)定位精度高，沒(méi)有誤差積累。只要滿足GPS的基本工作條件，在一定的作業(yè)半徑范圍內(nèi)，GPS可同時(shí)精確測(cè)定測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，高程測(cè)量精度可滿足四等水準(zhǔn)要求，且沒(méi)有累積誤差。實(shí)測(cè)中，基準(zhǔn)站架設(shè)在視野開(kāi)闊且附近無(wú)高大建筑物的控制點(diǎn)上，作業(yè)半徑約為8~10 km。

　　(3)觀測(cè)時(shí)間短。進(jìn)行GPS測(cè)量時(shí)，將基站架設(shè)在已知控制點(diǎn)上，測(cè)量人員手持流動(dòng)站，利用RTK技術(shù)每點(diǎn)定位歷時(shí)僅幾秒鐘，速度很快。

　　(4)操作簡(jiǎn)便。GPS測(cè)量的自動(dòng)化程度很高，在觀測(cè)中，測(cè)量員的主要任務(wù)只是安裝并開(kāi)關(guān)儀器、量取儀器高、監(jiān)控儀器的工作狀態(tài)和采集環(huán)境的氣象數(shù)據(jù)，而其他觀測(cè)工作，如衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測(cè)和記錄等均有儀器自動(dòng)完成。

　　(5)全天候作業(yè)。GPS觀測(cè)工作，可以在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間連續(xù)地進(jìn)行，一般也不受天氣狀況的影響，風(fēng)雨天均可實(shí)施。

　　3.2 GPS技術(shù)的局限性

　　外部環(huán)境對(duì)GPS的使用及精度會(huì)有一定的影響，如近距離的高壓線路、建筑物、高大樹(shù)木、河道上的橋梁都會(huì)影響GPS接收效果，因此在測(cè)量時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)這些障礙物。當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)無(wú)法接收時(shí)，需通過(guò)全站儀、水準(zhǔn)儀完成附近的測(cè)量任務(wù)。目前隨著GPS技術(shù)的升級(jí)換代，上述因素對(duì)測(cè)量的影響大大減輕，如目前許多GPS還可以接收俄羅斯的Glonass衛(wèi)星信號(hào)，大大提高了設(shè)備的衛(wèi)星信號(hào)跟蹤性能。

　　4.小結(jié)

　　為滿足水運(yùn)工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收和船舶安全航行的需要，必須定期和不定期地對(duì)現(xiàn)行航道進(jìn)行常規(guī)性的維護(hù)測(cè)量。通過(guò)GPS現(xiàn)代先進(jìn)的測(cè)繪技術(shù)的設(shè)備，再配合先進(jìn)數(shù)字測(cè)深儀同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，從而大大提高了航道測(cè)量的周期和精度。GPS定位技術(shù)和測(cè)深技術(shù)成為現(xiàn)代航道工程測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用最新和最廣泛的技術(shù)。