GPS定位技术在远海高桩工程中的应用

GPS 定位技术在远海高桩工程中的应用 摘摘 要要 本文简述 GPS 定位技术的基本概念及其特性 并根据远海高桩工程的施工特点及 环境因素 从测量施工角度探讨 GPS 定位技术在远海高桩工程的具体应用模式 关键词关键词 GPS 定位技术 高桩 测量控制 放样 一 前一 前 言言 随着 GPS 定位技术的蓬勃发展 它在工程施工中的应用也越来越来普及 但它在远海深水 高桩码头工程中的的实际应用很少 由于远海高桩码头工程离岸线很远 有时长达数公里 而 且潮流 风浪等施工环境非常恶劣 其测量工程的施工 无论是测量方法还是精度都受到很多 制约 本文以在建的浙江舟山煤炭中转地工程的卸船泊位的建设为背景 针对远海工程施工的特 点和技术要求 推出以 GPS 测量定位技术与常规测量相结合进行测量施工的方法 探讨 GPS 定 位技术在远海工程的应用模式 二 二 GPS 定位技术定位技术 1 GPS 定位技术简介 GPS Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System 是利用导航卫星进 行测时和测距 以构成全球定位系统 它是美军 70 年代初在 子午卫星导航定位系统 NNSS 系统 的技术上发展而起的具有全球性 全能性 陆地 海洋 航空与航天 全天候性 优势的导航定位 定时 测速系统 整套 GPS 定位系统由 24 颗卫星 其中 3 颗备用 GPS 卫星组成的空中部分 由若干地面 站组成的地面监控系统及以接收机为主体的用户设备等三部分组成 三者有各自独立的功能和 作用 但又是有机地配合而缺一不可的整体系统 下图显示了三部分的配合情况 控制部分 用户部分 空中部分 图一 在 GPS 测量中 主要使用 GPS 静态测量定位和 RTK 动态测量定位 GPS 所采用的直接坐 标系统是 WGS 84 坐标系 具体测量实施时 可根据需要通过转换参数转换成地方坐标系 2 静态测量概念 所谓静态测量定位指的是 在进行 GPS 定位时 认为在整个观测过程中 接收机天线的位 置相对于地球保持不变 而在数据处理时 则将接收机的位置作为一个不随时间变化的量 而 相对定位则指的是在进行 GPS 定位时 多台接收机进行同步观测 采集同步观测数据 在数据 处理时 则利用这些同步观测数据 计算出同步观测站之间的相对位置 坐标差 基线向量 其具体观测模式为多台接收机在不同测站进行静止同步观测 时间从几分钟到数据小时或 更长时间不等 接收机测定在观测期间到卫星的伪距和载波相位等观测值 并记录在相应的存 储器中 观测结束后 将数据在计算机中进行处理 数据处理过程一般包括基线处理 网平差 坐标转换和高程转换 最终求出高精度的网点坐标 静态定位具有测量精度高 选点灵活 不需要造标 费用低 全天候作业 观测 处理自 动化等优点 一般用于高精度的测量定位 如各种等级的大地网 工程控制网 变形监测网等 3 RTK 动态测量概念 RTK 测量是以载波相位观测量为根据的实时差分 GPS RTD GPS 测量技术 即将一台 GPS 接收机安装在已知点上对 GPS 卫星进行观测 把测站 WGS 84 坐标系参考坐标 观测值 卫星跟踪状态及接收机工作状态形成数据链 将采集的载波相位观测量调制到基准站电台的载 波上 再通过基准站电台实时地发射出去 流动站在对 GPS 卫星进行观测并采集载波相位观测 量的同时 也通过流动站电台接收由基准站发射的信号 经解调得到基准站的载波相位观测量 流动站的 GPS 接收机再利用 OTF On the Fly 运动中求解整周模糊度 技术由基准站的载波相 位观测量和流动站的载波相位观测量来求解载波相位整周模糊度 并根据相对定位原理 现场 实时获得流动 WGS 84 坐标系坐标 再根据转换参数及投影方法实时计算出流动站 GPS 信号接 收天线的三维坐标及坐标精度指标 最后求出厘米级精度流动站的位置 RTK 测量的关键是初始整周模糊度的快速解算 即初始化 和数据链传输的高可靠性和强 抗干扰性 RTK 测量具有着作业速度快 数秒钟便能完成一个点的测量 平面定位精度高 没 有误差积累 作业自动化等优点 但其高程精度相对较差 一般不用于高精度的测量放样 三 GPS 定位技术在浙江舟山煤炭中转工程中的应用 1 工程简介 浙江舟山煤炭中转工程项目是以电煤储存 混配 中转为一体的港口工程 为目前国内规 模最大的煤炭水水中转之一 建设 15 万吨级 5 万吨级煤炭卸船泊位各 1 个 3 5 万吨级 2 万 吨级 5000 吨级煤炭装船泊位各 1 个 设计年通过能力 3000 万吨 装船 卸船各 1500 万吨 该工程具有以下几个典型特点 工期很紧 本工程要在 15 个月内完成 所以工程分为卸船泊位 装船泊位 栈桥等三 个标段同时施工 三个部位的测量工作也是同时进行 所以无法在离岸较近的装船泊 位和栈桥上布测控制点作为卸船码头的测量控制依据 卸船泊位 装船泊位为典型的高桩工程 施工区域远离岸线 其中卸船泊位离岸线 1800m 海中没有任何陆域可以凭借 常规测量作业在距离上受到很大的制约 卸船区域 水深达 23m 左右 水流很急 桩基 桩帽等分项分部工程施工完成后 存 在摇晃和位移的现象 由于施工区域在海中央 受水气 雾等影响 常规测量观测距离有限 根本不能以岸 上的控制点用常规测量方法直接进行测量放样 2 平面测量控制 1 建立独立的施工坐标系 测区投影变形计算 为便于施工放样的顺利进行 要求由控制点坐标直接反算的边长与实地量得的边长 在长 度上应该相等 所以控制网的建立必须选择合适的投影面和投影带 以解决投影长度变形问题 我国目前广泛采用的大地测量坐标系是 1954 年北京坐标系 这个坐标系的基准面是克拉索 夫斯基椭球体面 其定位及椭球的大小与我国大地水准符合的都不好 它的平面坐标是三度带 高斯平面直角坐标 当测区离中央子午线的距离过远时 其投影长度变形显著 投影长度变形的近似理论计算式为 1 D R h R ym 2 2 2 上式中 测区横坐标均值 m y 地球曲率半径R 实地两点的间距D 测区平均高程h 测区高程异常 由 1 式可见 测区离开高斯投影中央子午经越远 高度越大 投影长度变形越大 根据 公路勘测规范 由上式计算变形不宜超过 25mm km 否则要改变投影面和投影带 建立独立 的施工坐标系 根据 1 式计算 当测区平均高程在 100m 以下 且值不大于 40km 时 其投影变形值 m y 小于 25mm km 而本工程这种变形达 110mm km 远远超出规范要求 所以必须建立独立的 施工坐标系 建立独立的施工坐标系 为尽可减少投影变形 本工程施工区域的中心经度即东经 122 08 为中央子午线的北京 54 坐标系作为本工程施工坐标系 高程系统采用我国 85 高程系统 2 施工平面控制网的布测 已知控制点的复测 在与业主单位完成控制点的交接后 为确保控制点的精度 需对在施工过程中可能要用的 控制点进行复测 本工程的控制点按 水运工程测量规范 GPS 测量一级网的要求用 GPS 静态 测量的方法进行复测 高程用三等水准测量的作业方法和精度要求进行复测 GPS 外业作业基 本技术参数见表 1 表 1 GPS 外业作业基本技术参数 项 目技术参数 卫星高度角 15 数据采样间隔15 60s 有效观测卫星个数 4 颗 岸上 45min 观测时间 水上 90min PDOP 值 8 施工控制点的布设 根据本工程的特点和施工需要 埋设施工控制点 选点要满足以下要求 由于卸船泊位远离岸线 施工控制点的分布区域应尽可能大于海上的施工区域 具体作 业时 在大堤上布测数个控制点 其中最远两点的距离约为 2km 以这两点连线为基准 在岸 侧距该连线相隔 2km 左右布设两点以上 为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质量 要求测站上空应尽可能的开阔 在 10 15 高度角以上不能有成片的障碍物 为减少各种电磁波对 GPS 卫星信号的干扰 在测站周围约 200m 的范围内不能有强电磁 波干扰源 如大功率无线电发射设施 高压输电线等 为避免或减少多路径效应的发生 测站应远离对电磁波信号反射强烈的地形 地物 如 高层建筑 成片水域等 为便于观测作业和今后的应用 测站应选在交通便利 上点方便的地方且易于保存的地 方 起算点的选取与控制网的解算 起算点的选取及解算遵循以下要求 选择 3 个以上已知点作为起算点 其中一个已知作校核 为保证整网的点位精度均匀 起算点应均匀地分布在 GPS 网的周围 要避免所有的起算 点分布在网中一侧的情况 GPS 外业完成后 用专用解算软件进行解算 并形成书面报告 3 平面测量施工放样 桩基工程的施工放样 桩基工程的测量放样采用 GPS RTK 定位技术 具体做法是 用 GPS 静态测量的方法在适当位置布测一测量点 建立连续运行的参考站 以保证在工 程施工区域内 在任何时间使用流动都能收到参考站信号 根据施工控制网控制点的 WGS84 坐标和施工坐标 求出 WGS84 坐标系到施工坐标系的 转换参数 沉桩定位控制采用 海工工程 GPS 远距离打桩定位系统 进行沉桩作业 桩帽的施工放样 桩基工程施工完成后 桩孤立于水中 受水流和波浪的影响 处于不稳定的状态 为确保 测量放样精度 本工程的桩帽施工采用 GPS RTK 定位技术进行施工放样 具体作业时 先用流动站在桩上放出桩帽的轴线 为桩帽的模板工程提供依据 待桩帽的 底板铺设完成后 用 GPS RTK 定位技术放样出桩帽的四个角点 码头上部结构的施工放样 待一部分桩帽施工完成后 把相邻的四个桩帽用槽钢进行加固 然后用 GPS 静态测量的方 法 按 GPS 一级网的要求 在桩帽上加密相应数量的控制点 这些加密点要求与岸上至少三个 控制点进行联测 而且这三个控制点的距离要求尽量拉开 网形条件良好 待控制点加密完成后 用全站仪架设在加密点上 用常规测量方法对码头工程上部结构进 行测量放样 3 高程测量控制 1 高程控制网的布测 为求取精确的转换七参数 要求用三等水准测量的作业方法和精度要求 对所有的施工控 制点测设高程 并用水准高程求取转换七参数 以确保 GPS RTK 的测量精度 2 高程测量控制 由于工程施工区域远离 故无法用常规水准测量方法进行测量控制 所以高程控制是本工 程测量工作的重点和难点 具体测量作业时 按以下方法进行 桩基工程的高程控制 沉桩时 桩基高程的控制由 海工工程 GPS 远距离打桩定位系统 进行控制 桩帽 横梁和纵梁等上部工程的高程控制 桩基施工完成后 在桩顶上焊接一 GPS 天线的连接头 然后用静态测量的方法 把高程传 递到该连接头上 作业时 要求 用三等水准测量的方法 在离岸堤相当于施工区域到岸堤 1 5 倍距离以上且地面稳固的位 置布测一高程控制点 选择岸堤上两个控制点和上述高程控制点作为静态测量的高程起算点 按 GPS 测量一级 网的要求 把高程传递到桩顶上 外业作业时 选择天气 风浪条件良好且为平潮的时间 在距桩点高程控制点的适当位置 搭设一测量平台 用三角高的测量方法进行高程测量 放样 待桩帽 横梁等分项分部工程施工完成后 用同样的方法在其上布设高程控制点作为其 建筑物的高程控制依据 3 码头面层及面层上的建筑物的高程控制 等栈桥的横梁施工完成后 用三等水准测量的作业方法和精度要求 把高程传递到码头面 板上 作为面层及其以上建筑物高程控制的依据 在卸船泊位的施工过程中 用上述方法 对桩帽上的同一个高程控制点用静测量的方法 在间隔一个月左右的时间进行了两次测量作业 其两次高程成果相差 4mm 这说明上述方法能 够满足该工程的需要 四 结束语四 结束语 目前浙江舟山煤炭中转工程早已竣工 其测量工作完全按本