基于GPS的航道工程测量应用研究
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摘要：GPS定位技术和测深技术是现代航道工程测量领域中应用最新和最广泛的技术。简述了GPS的组成部分和特点，结合GPS测量技术在航道测量实际中的应用,重点介绍了静态GPS测量技术和RTK技术在航道工程测量中的应用,最后对GPS的广泛应用作出了总结和展望。
关键词： GPS；航道工程；测量
航道是重要的水运基础设施，要发展水运，必须加强航道的维护和开发建设。内河航道的特点为：人工开挖运河航道、两岸房屋密集、河道狭长、船(水)闸多、水位变化无规律、水上交通发达。内河航道测量也属于带状地形测量，测量技术要点的控制比内河港口码头工程较难。
为满足水运工程规划、设计、施工、验收和船舶安全航行的需要，必须定期和不定期地对现行航道进行常规性的维护测量。通过GPS现代先进的测绘技术的设备，再配合先进数字测深仪同时进行测量，从而大大提高了航道测量的周期和精度。
1．GPS测量简介
全球定位系统(GPS)是美国国防部于1973年开始，历时约20年，耗资300亿美元，于1993年成功建立了全球定位系统。GPS的出现已引起了测绘技术的一场革命，它可以高精度、全天候、快速测定地面点的三维坐标，使传统的测量理论与方法产生了深刻变革，促进了测绘科学技术的现代化。GPS系统由以下三部分组成.
（1）空间星座部分：全球定位系统的空间星座部分由24颗工作卫星，3颗可随时启用的备用卫星。工作卫星均分布在6个近圆形轨道内，每个轨道面上有4颗卫星，卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55°，各轨道平面质检相距60°，即轨道的升交点赤经各相差60°，同一轨道上两卫星之间的升交角距相差90°，轨道平均高度为20200km，卫星运行周期为11h58min。同时在地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少4颗，最多可达11颗，因此GPS是一种全球性全天候的连续实时定位系统。
（2）地面监控部分：GPS地面监控系统主要由分布在全球五个地面站组成，并按功能分为主控站、注入站和监测站三种。主控站负责协调和管理所有地面监控系统的工作，其具体任务有：根据所有地面监测站的观测资料推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层修正参数等，并把这些数据及导航电文传送到注入站；提供时间基准；调整卫星状态和启用备用卫星等。监测站的主要任务是连续观测和接受所有GPS卫星发出的信号并检测卫星的工作状况，将采集到的数据连同当地的气象观测资料和时间信息经初步处理后传送到主控站。
（3）GPS信号接收机：任务是能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，跟踪这些卫星运行，并接收到GPS信号进行交换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接受天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。接收机硬件和机内软件以及GPS数据后处理软件包构成了完整的GPS用户设备。GPS信号接收机的结构分为天线单元和接受单元两部分。
2．GPS技术的优点和局限性
2.1GPS技术的优点
（1）观测站之间无需通视。既要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好结构，这一直是传统测量技术在实践方面的困难问题之一。GPS测量不要求观测站之间相互通视，这一优点即可大大减少测量工作的经费和时间，同时也使点位的选择变得更加灵活。
（2）定位精度高，没有误差积累。只要满足GPS的基本工作条件，在一定的作业半径范围内，GPS可同时精确测定测点的三维坐标，高程测量精度可满足四等水准要求，且没有累积误差。实测中，基准站架设在视野开阔且附近无高大建筑物的控制点上，作业半径约为8~10 km。
（3）观测时间短。进行GPS测量时，将基站架设在已知控制点上，测量人员手持流动站，利用RTK技术每点定位历时仅几秒钟，速度很快。
（4）操作简便。GPS测量的自动化程度很高，在观测中，测量员的主要任务只是安装并开关仪器、量取仪器高、监控仪器的工作状态和采集环境的气象数据，而其他观测工作，如卫星的捕获、跟踪观测和记录等均有仪器自动完成。
（5）全天候作业。GPS观测工作，可以在任何地点、任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响，风雨天均可实施。
2.2 GPS技术的局限性
外部环境对GPS的使用及精度会有一定的影响，如近距离的高压线路、建筑物、高大树木、河道上的桥梁都会影响GPS接收效果，因此在测量时应尽量避开这些障碍物。当卫星信号无法接收时，需通过全站仪、水准仪完成附近的测量任务。目前随着GPS技术的升级换代，上述因素对测量的影响大大减轻，如目前许多GPS还可以接收俄罗斯的Glonass卫星信号，大大提高了设备的卫星信号跟踪性能。
3．GPS在航道工程测量中的应用
3.1静态GPS测量技术在航道工程测量中的应用
静态GPS测量技术主要用于建立航道首级控制网，之后再利用其它测量方法进行加密的附合导线测量。控制网的建立过程如下：
第一步：到测量任务区进行实地勘察，选择GPS点，查看附近高等级GPS点以便进行联测，校核精度。
第二步：GPS控制网的布设应根据航道两岸地形地物、作业时卫星状况、精度要求等因素进行综合设计。
第三步：GPS选点应考虑便于船舶停靠岸形和避免控制点遭到破坏的地点和有利于采用其他测量方法扩展和联测。
第四步：GPS观测数据的处理外业观测结束后将GPS中的数据传入计算机中，采用南方或者中海达公司的软件(包括采集器与计算机通讯软件、基线向量处理软件、网平差及坐标转换软件)，及时进行数据处理和质量分析。
第五步：利用全站仪测量或水准测量附合导线的方法进行首级GPS控制网的加密作业，使每一段附合导线起始于GPS点，终止于GPS点。
第六步：导线点坐标及平差计算将每段附合导线测量数据传输到计算机中进行角度、距离平差得到最后结果，从而得出平面坐标及高程。
3.2 RTK技术在航道测量中的应用
实时动态(RTK)定位技术是以载波相位观测值为根据的实时差分GPS(RTDGPS)技术，它是GPS测量技术发展的一个新突破，在航道维护性测量工程中有广阔的应用前景。实时动态定位(RTK)系统其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点，安置一台接收机作为基准站，对卫星进行连续观测，移动站上的接收机在接收卫星信号的同时，通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据，随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出移动站的平面坐标和高程测量精度.这样我们使用者就可以实时监测待测点的数据观测质量。
动态定位在航道测量中的应用可以覆盖水深测量、（河床）地形测量、施工放线、监理和GIS前端数据采集。测量前需要在一控制点上静止观测数据，实时确定采样点的空间位置.目前，其定位精度可以达到厘米级。
动态定位模式在航道勘测阶段有着广阔的应用前景，可以完成地形测绘、横断面测量、纵断面测量，及水深、河床地形等测量工作。整个测量过程在不需通视的条件下，测量1～3 s，精度就可以达到10～30mm，有着常规测量仪器(如全站仪)不可比拟的优点.RTK技术具有很大的优点：实时动态显示经可靠性检验的厘米级精度的测量成果，从而提高了GPS作业效率，每个测量点只需要停留1～2s，移动站小组作业(1～2人)可完成地形测量5～10km，其精度和效率是常规测量所无法比拟的。GPS与测深仪连接进行水深测量，可以实时定位采样点水深，精度一般可控制在≥5cm，充分满足水运工程规范要求。
GPS静态定位和动态技术相结合的方法可以高效、高精度地完成航道平面控制测量，水深测量，河床地形测量，护岸定线和疏浚放线测量等。
3.3航道控制网的建立
按GPS勘测规程要求，和水运工程规范的要求，每0.5～1km间设一控制点，具体情况可以航道两岸地形与地物而定。
4．结论及展望
由于GPS是一种全天候、高精度的连续的定位系统，并且具有定位速度快、费用低、方法灵活多样和操作简便等特点，所以它不仅在测量学，而且在导航学及其相关学科领域，获得了及其广泛的应用。
在港航工程方面，水系航运整治开发、航运规划、港口选址和建设等都可以利用GIS作出更加科学的分析。以全国水运系统港、航、设、管等部门掌握的数字化地形图、自然资源环保特征、经济运量、人文特点、区位特征等综合空间数据为依托，建立一套水运工程信息系统来进行评估、预测和决策，对水系规划、开发及港口投资合理配置，为实现办公现代化和更加科学化提供广阔的应用天地。
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