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、費用低、方法靈活多樣和操作簡便等特點，所以它不僅在測量學，而且在導航學及其相關(guān)學科領(lǐng)域，獲得了及其廣泛的應(yīng)用。本文從GPS的組成部分和特點出發(fā)，結(jié)合GPS測量技術(shù)在航道測量實際中的應(yīng)用,介紹了靜態(tài)GPS測量技術(shù)和RTK技術(shù)在航道工程測量中的應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞： GPS;航道工程;測量

　　1.GPS測量簡介

　　全球定位系統(tǒng)(GPS)是美國國防部于1973年開始，歷時約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)已引起了測繪技術(shù)的一場革命，它可以高精度、全天候、快速測定地面點的三維坐標，使傳統(tǒng)的測量理論與方法產(chǎn)生了深刻變革，促進了測繪科學技術(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顆可隨時啟用的備用衛(wèi)星。工作衛(wèi)星均分布在6個近圓形軌道內(nèi)，每個軌道面上有4顆衛(wèi)星，衛(wèi)星軌道面相對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)星運行周期為11h58min。同時在地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目隨時間和地點而異，最少4顆，最多可達11顆，因此GPS是一種全球性全天候的連續(xù)實時定位系統(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地面站組成，并按功能分為主控站、注入站和監(jiān)測站三種。主控站負責協(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)測站的觀測資料推算編制各衛(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)及導航電文傳送到注入站;提供時間基準;調(diào)整衛(wèi)星狀態(tài)和啟用備用衛(wèi)星等。監(jiān)測站的主要任務(wù)是連續(xù)觀測和接受所有GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號并檢測衛(wèi)星的工作狀況，將采集到的數(shù)據(jù)連同當?shù)氐臍庀笥^測資料和時間信息經(jīng)初步處理后傳送到主控站。

　　(3)GPS信號接收機：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衛(wèi)星的信號，跟蹤這些衛(wèi)星運行，并接收到GPS信號進行交換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接受天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文，實時地計算出測站的三維位置，甚至三維速度和時間。接收機硬件和機內(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信號接收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接受單元兩部分。

　　2.GPS在航道工程測量中的應(yīng)用

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

　　靜態(tài)GPS測量技術(shù)主要用于建立航道首級控制網(wǎng)，之后再利用其它測量方法進行加密的附合導線測量。控制網(wǎng)的建立過程如下：

　　第一步：到測量任務(wù)區(qū)進行實地勘察，選擇GPS點，查看附近高等級GPS點以便進行聯(lián)測，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)時衛(wèi)星狀況、精度要求等因素進行綜合設(shè)計。

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

　　第四步：GPS觀測數(shù)據(jù)的處理外業(yè)觀測結(jié)束后將GPS中的數(shù)據(jù)傳入計算機中，采用南方或者中海達公司的軟件(包括采集器與計算機通訊軟件、基線向量處理軟件、網(wǎng)平差及坐標轉(zhuǎn)換軟件)，及時進行數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量分析。

　　第五步：利用全站儀測量或水準測量附合導線的方法進行首級GPS控制網(wǎng)的加密作業(yè)，使每一段附合導線起始于GPS點，終止于GPS點。

　　第六步：導線點坐標及平差計算將每段附合導線測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中進行角度、距離平差得到最后結(jié)果，從而得出平面坐標及高程。

　　2.2 RTK技術(shù)在航道測量中的應(yīng)用

　　實時動態(tài)(RTK)定位技術(shù)是以載波相位觀測值為根據(jù)的實時差分GPS(RTDGPS)技術(shù)，它是GPS測量技術(shù)發(fā)展的一個新突破，在航道維護性測量工程中有廣闊的應(yīng)用前景。實時動態(tài)定位(RTK)系統(tǒng)其原理是取點位精度較高的首級控制點作為基準點，安置一臺接收機作為基準站，對衛(wèi)星進行連續(xù)觀測，移動站上的接收機在接收衛(wèi)星信號的同時，通過無線電傳輸設(shè)備接收基準站上的觀測數(shù)據(jù)，隨機計算機根據(jù)相對定位的原理實時計算顯示出移動站的平面坐標和高程測量精度.這樣我們使用者就可以實時監(jiān)測待測點的數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量。

　　動態(tài)定位在航道測量中的應(yīng)用可以覆蓋水深測量、(河床)地形測量、施工放線、監(jiān)理和GIS前端數(shù)據(jù)采集。測量前需要在一控制點上靜止觀測數(shù)據(jù)，實時確定采樣點的空間位置.目前，其定位精度可以達到厘米級。

　　動態(tài)定位模式在航道勘測階段有著廣闊的應(yīng)用前景，可以完成地形測繪、橫斷面測量、縱斷面測量，及水深、河床地形等測量工作。整個測量過程在不需通視的條件下，測量1～3 s，精度就可以達到10～30mm，有著常規(guī)測量儀器(如全站儀)不可比擬的優(yōu)點.RTK技術(shù)具有很大的優(yōu)點：實時動態(tài)顯示經(jīng)可靠性檢驗的厘米級精度的測量成果，從而提高了GPS作業(yè)效率，每個測量點只需要停留1～2s，移動站小組作業(yè)(1～2人)可完成地形測量5～10km，其精度和效率是常規(guī)測量所無法比擬的。GPS與測深儀連接進行水深測量，可以實時定位采樣點水深，精度一般可控制在≥5cm，充分滿足水運工程規(guī)范要求。

　　GPS靜態(tài)定位和動態(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量，水深測量，河床地形測量，護岸定線和疏浚放線測量等。

　　2.3航道控制網(wǎng)的建立

　　按GPS勘測規(guī)程要求，和水運工程規(guī)范的要求，每0.5～1km間設(shè)一控制點，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)點和局限性

　　3.1GPS技術(shù)的優(yōu)點

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

　　(2)定位精度高，沒有誤差積累。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可同時精確測定測點的三維坐標，高程測量精度可滿足四等水準要求，且沒有累積誤差。實測中，基準站架設(shè)在視野開闊且附近無高大建筑物的控制點上，作業(yè)半徑約為8~10 km。

　　(3)觀測時間短。進行GPS測量時，將基站架設(shè)在已知控制點上，測量人員手持流動站，利用RTK技術(shù)每點定位歷時僅幾秒鐘，速度很快。

　　(4)操作簡便。GPS測量的自動化程度很高，在觀測中，測量員的主要任務(wù)只是安裝并開關(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)，而其他觀測工作，如衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測和記錄等均有儀器自動完成。

　　(5)全天候作業(yè)。GPS觀測工作，可以在任何地點、任何時間連續(xù)地進行，一般也不受天氣狀況的影響，風雨天均可實施。

　　3.2 GPS技術(shù)的局限性

　　外部環(huán)境對GPS的使用及精度會有一定的影響，如近距離的高壓線路、建筑物、高大樹木、河道上的橋梁都會影響GPS接收效果，因此在測量時應(yīng)盡量避開這些障礙物。當衛(wèi)星信號無法接收時，需通過全站儀、水準儀完成附近的測量任務(wù)。目前隨著GPS技術(shù)的升級換代，上述因素對測量的影響大大減輕，如目前許多GPS還可以接收俄羅斯的Glonass衛(wèi)星信號，大大提高了設(shè)備的衛(wèi)星信號跟蹤性能。

　　4.小結(jié)

　　為滿足水運工程規(guī)劃、設(shè)計、施工、驗收和船舶安全航行的需要，必須定期和不定期地對現(xiàn)行航道進行常規(guī)性的維護測量。通過GPS現(xiàn)代先進的測繪技術(shù)的設(shè)備，再配合先進數(shù)字測深儀同時進行測量，從而大大提高了航道測量的周期和精度。GPS定位技術(shù)和測深技術(shù)成為現(xiàn)代航道工程測量領(lǐng)域中應(yīng)用最新和最廣泛的技術(shù)。