GPS在长江口航道治理工程中的应用

1、1.工程概况长江口深水航道治理工程是实施国家" 以上海浦东开发开放为龙头，进一步开放长江沿岸城市，尽快把上海建成国际经济、金融、贸易中心、带动长江三角洲和整个长江流域地区经济新飞?quot;重大战略决策的一项功在当今、泽及子孙的跨世纪工程。该工程规模宏大、国民经济效益显著。工程全面建成后，长江口出海航道的水深将由目前7m 的疏浚维护水深增加到12.5m，第三、四代集装箱船可全天候进出长江口。长江口深水航道治理工程位于长江口南港北槽水域（见插图）。工程规模： 49 km 北导堤， 48 km 南导堤， 1.6 km 分流口南线堤和相连的3.2 km 潜堤，南北导堤间总长31.26 km

2、 的 19 座丁坝和84 km 航槽逾 2.4 亿 m3 的疏浚方量。航道整治目标水深12.5m。工程分三期实施，预计总工期8 年左右。先期实施的一期工程包括分流口南线堤1.6 km 及潜堤 3.2km，南导堤 20 km，北导堤 16.5 km，总长 9.17 km 的 6 座丁坝和长44.8 km、3881 万 m3 的航槽疏浚方量。还包括配套的三个建设基地及现场管理综合楼的建设任务，总工程概算约32.5 亿元，工期为三年。一期工程完工后，将实现第一阶段的目标水深8.5m。其中，中港第一航务工程局承担南导堤东段即Se 标的施工任务，主要包括11 km（ S9+000S20+000）导堤和3

3、 座丁坝。合同造价近5 亿元。该工程于1998 年 7 月 1 日正式开工，当年成型导堤9 km。至今，一期工程除丁坝外，南线堤、潜堤及导堤堤身已经全部成型。2.GPS 定位方法选定及GPS 选型2.1 GPS 定位方法选定由于该工程远离陆域、作业面大、施工环境和气候条件差，无法使用常规光学测量仪器进行施工定位，因此该工程在施工测量及施工控制中，全面采用了全球定位系统（GPS）测量技术。GPS 用于导航定位，已经不是什麽新鲜事，但用于实时施工控制，在我国水运工程史上还是第一次。为了方便施工控制，经过仔细研究，我们选用了实时相位差分定位模式。3.GPS 控制网为了实现GPS 的相位差分功能，在施

4、工前首先要建立施工平面和施工高程控制-GPS 控制网。建立 GPS 控制网的目的主要有两个：(1) 求解七参数，进行坐标系统和高程系统的转换；(2) 提供 GPS 基准站点，用于设立参考站。3.1GPS 控制网的布设观测根据工程的实际施工需要，三个播发GPS 差分信号的基准站分别选在横沙岛、三甲港和北槽中。为获得精确的WGS84 坐标，与佘山天文台的GPS 长期跟踪站点联测；并联测了周围的四个国家与上海市城建控制点，分别是二等点九段和倪家鸿，一等点陈家镇和海楼；为确保高程转换参数的可靠性和精度，用GPS 在闵行和奉城附近联测了二个二等的水准点。组成的GPS 控制网如图所示。3.2 控制网的施测

5、与解算控制网的施测采用双频接收机观测，佘山天文台采用Roge 接收机观测。基线解算采用国际上著名的解算长基线的Gamit 软件， Gamit 解算时用精密星历；平差计算采用同济大学开发的TGPPS 软件。以佘山天文台为起始点在WGS84 坐标系中平差。在长江口深水航道治理工程中，GPS 主要用于两个方面：1、 GPS 无验潮测深；2、 实时过程施工控制。4.GPS 无验潮测深水下地形测量的主要任务是确定水下某一点的泥面标高, 即该点的平面坐标(x, y)和泥面标高h, 传统的水下地形测量方法一般采用GPS 定位确定其平面坐标(x, y)，而泥面标高h 则需要通过验潮求得。如图1，通过验潮可求得

6、水面标高h0，图 1若测深仪换能器离水面的深度为h1 且由测深仪测得换能器至泥面的高度h2, 则可求得测点的泥面标高h为：h = h0 - h1 - h2 (1)计算水面标高h0 时，一般至少需要三个验潮站，如果验潮站少于3 个或验潮站在测点的同一侧，则需要利用有关模型才能计算出测点的水面标高h0。若将 GPS 天线架设在在测深仪换能器的垂直上方，且已知GPS 天线的标高h3，GPS 天线至换能器的高度为h4，则测点的泥面标高h 为：h = h3 - h4 - h2 (2)采用 GPS 实时相位差分（RTK ）技术可实时求得厘米级的GPS 天线的三维坐标（x, y, h）；但 GPS 实时相位

7、差分得到的是WGS 84 坐标系中的高程，属于大地高系统，而在长江口深水航道治理工程中采用吴凇高程系统，如果能够将WGS 84 坐标系中的大地高转换成吴凇高程系统中的标高，则可由（2）式直接确定泥面标高而无需进行验潮，我们将此种方法称为GPS 无验潮水下地形测量。高程的转换可以利用精确的大地水准面模型（厘米级）进行转换，也可以利用局部大地水准面的拟合模型进行转换，但都必须满足水下地形测量的精度要求。为了计算方便，在长江口深水航道治理工程中，我们采用坐标转换模型将WGS84 坐标系中的坐标直接转换为国家54 坐标和吴淞高程系中的高程，坐标转换模型采用Bursa 模型。4.实时过程施工控制中港第一

8、航务工程局承担的Se 标段，结构形式除了少部分为软体排护底、斜坡式抛石堤堤身、削角王子块压顶、钩联块护面以外，主要是软体排护底、抛石基床、半圆体堤身、抛石护肩。结构型式见插图：为了适应长江口的自然环境和不利的施工条件，提高工作效率，满足工程施工需要，我们专门开发建造了专用铺排船和专用抛石整平船，并且设计、开发了一系列GPS 施工控制专用软件，用于铺排定位监控和抛石整平施工控制。4.1GPS 的安装要确定施工船舶的平面位置和方位，需用两台 GPS，为此我们在铺排船上安装了两台GPS。GPS 的安装间距越大，船的方位误差越小，因此安装GPS 时应尽量增大GPS 安装间距。由于受GPS 电缆长度的影

9、响，我们将 GPS 安装在船艉的驾驶楼上。在驾驶楼顶上沿船横轴线方向，向船舷探出两个悬臂，GPS 就安装在悬臂上，以使间距及高度满足要求。见插图 :GPS 电缆在改造船时，预先安装在管路中，接到主控室。电源采用船上发电机提供的交流电源，先接到稳压电源，再输出给微机供电、同时输出到变压器给GPS 供电。控制台在作业船舶的主控室内，为方便操作紧邻锚机操作平台。GPS 安装在就控制台下，控制台上安放一台微机主机，通过分频器连接两个显示器，一个用于技术人员操作监控，另一个用于绞锚监控。4.2 监控软件监控软件用C 语言编制，运行于Win95 或 Win98 操作系统。该软件由三部分组成：数据库、动态连

10、接库和数据处理程序。操作界面与普通办公软件相类似，软件设计力求界面友好、显示直观、操作简单、便于使用，全部采用菜单、快捷键设计。5.利用 GPS 进行施工控制的优点：利用 GPS 进行施工定位主要有以下几个优点：1、 精度高双频GPS 的实时动态三维定位精度为1cm，这是其他测量手段所无法比拟的。2、 作用距离远在保证 cm 级的精度要求的情况下，一般的双频GPS 均能够达到十几公里，双频GPS 在 40Km 时仍然能够正常初始化。3、 受自然条件的影响小由于GPS 依靠卫星信号来定位，GPS 测量不要求通视，因此工作时，不受风、雨、雾及昼夜的影响，只要能够正常初始化可以全天候工作。4、 自动化程度高、劳动强度小GPS 的应用使艰苦、复杂的测量外业工作，变为室内操作，大大降低了劳动强度。铺排定位监控，仅需打开微机，输入坐标，按显