GPS定位系统在海洋工程中的应用——以月东油田人工岛为例

潘洁晨,杨明东

(1.河南工程学院 土木工程系,河南 郑州 451191；2.中交一航二公司，山东 青岛 266071)

全球定位系统 GPS(Global Position System)以其全天候、测站间无需通视、高精度、作业灵活等优点在测量领域得到广泛的应用.比如，建立和维持全球性的参考框架、布设各种等级的平面控制网、地球动力学研究、航空摄影测量、地籍测量、海洋测量等领域.根据不同的应用领域和精度要求，GPS 的作业方式与数据处理方法也不尽相同[1].在建立各种平面控制网和监测地球板块运动时，一般采用 GPS 静态相对定位以获得较高的定位精度； 在低等级的控制测量(图根控制测量)以及界址点坐标测定上，还可以采用 RTK(Real Time Kinematic)[2].另外,精密单点定位PPP(Precise Point Position)一天的观测值所求得点位平面精度已经达到厘米级，实时定位精度可达到分米级[3].

在 GPS 测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统[4].在航道工程控制测量中常用地固坐标系统, 在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，求出所使用的坐标系统的坐标,这样更有利于表达地面控制点的位置和处理 GPS 观测成果，在测量中得到了广泛的应用.

近年来，随着外海深水港口、大跨度桥梁、水上建筑物等基础工程建设的不断增加，航务工程施工单位迎来了新的机遇和挑战.水上施工测量作业是港口码头施工的关键项目，以往水上测量定位控制采用的经纬仪前方任意角(或直角)交会法已逐渐不能满足现在工程对远距离、高精度、快速沉桩定位、全天候、白体化施工等的多重要求.随着GPS定位技术，特别是GPS-RTK定位技术的不断完善，其在定位精度、速度等方面已经可以满足水上工程测量定位控制的需要，显示了GPS-RTK测量定位系统实际应用的可行性及广泛的应用前景[5-6].

1 工程实例分析

1.1 测区概况及工程情况

月东油田人工岛工程位于渤海辽东湾北端，北距辽宁省盘锦市约40 km，西距锦州市100 km，东距营口市40 km，如图1所示.该水域属盘锦市管辖，区域内平均水深范围在0～5 m.

图1 月东油田位置示意图Fig.1 The schematic diagram of Yuedong oil filed

月东油田人工岛平台建设工程为独立的人工岛，包括护岸、1 000吨级靠船码头及岛内回填.人工岛回填后顶标高+3.7 m.人工岛有效使用区的尺度为60 m×90 m.人工岛周边设有挡浪墙，西北侧护岸为方块重力式结构兼作船舶停靠点.工程范围的原泥面标高为-5.4 m左右，人工岛内的回填标高为+3.7 m，外侧挡浪墙的顶面标高为西南侧+6.8 m，东南侧+6.0 m,东北侧+5.5 m.图2和图3为码头断面和护岸断面.

图2 码头断面Fig.2 The drawing of the sectional wharf

图3 护岸断面Fig.3 The drawing of revetment sectional

1.2 GPS定位系统在施工程序中的应用

1.2.1 应用GPS-RTK技术建立施工控制网

(1)GPS基站的设置

根据陆上基站的布设要求，同时为了保证转换参数的可靠性和精度，控制网应不少于两个不低于二等的国家三角控制点和两个不低于二等的国家水准点联测.

根据月东油田人工岛平台建设工程的实际特点，该工程陆上基站设在距盘山县小河子南6 km的贝类增殖小河管护站里，距离施工现场15 km，其辐射半径为30 km.

(2)水上移动站设置

水上移动站即船站，分别设置在工作船上，由两台GPS组成.为了确保GPS接收机能够正常工作，防止因工作船上吊机工作时，扒杆移动造成多路径干扰，导致GPS失锁，GPS天线安装要求有一定高度，同时为了获得尽可能高的定位精度，两台GPS天线安装间距要求尽可能加大.因此，水上移动站的GPS天线安装在船艉顶甲板两侧的专用安装架上,具体安装如图4.

图4 水上移动站的GPS天线安装Fig.4 The antenna engineering of GPS mobile station on the water

GPS安装完毕后，需量取的数据有：船长、船宽、GPS1-GPS2(a)、GPS1-左舷(b)、GPS2-右舷(c)、GPS1-工作区后沿，其中，a+b+c=船宽.另外将GPS相位中心至水面的距离量出并输入软件.

根据以上数据可计算各项参数.

1.2.2 GPS卫星定位系统应用于基床整平

基床整平利用GPS-RTK全球定位系统对平面位置和高程进行水下放样(GPS组装与计算如图5所示).潜水员下轨道，用二片石和碎石进行细平,用细石进行极细平，用刮刀刮平.下钢轨时，整平方驳顺基床定位，利用 GPS定位系统指挥方驳缓缓移动，直至方驳一舷移到预定下钢轨位置为止，用GPS定位系统控制钢轨方向，用垂球引至基床上，潜水员用混凝土小块作点，测量工用手持式GPS和水下塔尺按照施工标高减去导轨高度控制其高程.钢轨两端的点做好后，将钢轨搁置上去，然后重新复核导轨顶标高.使用不同厚度的钢板加以调节，使钢轨施工标高的误差控制在±10 mm以内.潜水员接着用块石支垫钢轨中部、围护钢轨周围，依次完成所有的钢轨安放工作.

图5 标高测量示意图Fig.5 The schematic diagram of level measurement

1.2.3 GPS卫星定位系统应用于方块安装

基床整平验收合格后、方块安装前，要先安放水下定位墩、设置方块水下安装线.施工时，采用方驳直接定位于基床上方，方驳边缘伸出一个跳板，顺着木跳板边下放垂球；测量人员根据码头前沿线，用GPS手持机、指挥垂球绳移动，使所挂垂球线与GPS天线对中重合，此时垂球尖端所示即为安装线第1点的位置，依次可做出第2点和第3点.各点间距控制在10 m左右，按定点连接成线，即为安装基准线.

针对第一块方块安装无依托、安装困难及精度受影响的不利条件，可采取如下方法安装：起重船起吊方块并在方块两侧拴好晃绳，操纵船上卷扬机，调整方块入水方向，待方块离基床顶部0.2 m时，潜水员到方块前后两侧根据安装基线检查里程和前沿两个方向的偏差，根据安装偏差指挥船上人员对方块位置进行调整，方块到位后潜水员水下脱钩.第一块方块完成后，再在其侧用同样方法安第二块方块，然后用背包GPS对这两方块的位置行测量，根据第二块方块安装偏差对第1块方块进行精确调整，使其满足规范及设计要求.如果第二块方块安装检测不合格，则依据调整好的第一块方块对第二块方块进行重新调整直至合格，如图6为第一块方块安装示意图.

图6 第一块方块安装示意图Fig.6 The schematic diagram of setup the first quadrel

2 结论与展望

通过以上对GPS测量应用事例的探讨，从GPS系统在海洋工程中的应用可以看出，GPS在港口工程中的应用具有很大的发展前景.

(1)本次工程将GPS-RTK应用于水上工程测量,并取得了宝贵的经验和良好的效果.与传统的GPS-RTD水下作业方式比较,GPS-RTK水下作业方式成果精度高,还可以节省水尺联测以及内插水位换算等繁琐工作,可以大大降低工程成本和劳动强度,从而大幅度提高经济效益.随着双频RTKGPS价格的回落、导航处理软件的逐步完善以及GPS-RTK定位技术的提高,GPS-RTK在水下测量中将得到更加广泛的应用.

(2)GPS 作业有着极高的精度.它的作业不受环境和距离的限制，非常适合于地形条件困难地区与局部重点工程地区等.

(3)GPS 测量可以大大提高工作及成果质量.它不受人为因素的影响，整个作业过程全由微电子技术与计算机技术控制，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算.

(4)GPS-RTK 技术将彻底改变航道测量模式，能实时得出所在位置的空间三维坐标.

(5)GPS 测量可以极大地降低劳动作业强度，提高作业效率.

参考文献:

[1] 桑金.基于GPS技术的水深算法[J]. 测绘通报,1999(8):12-13.

[2] 方颖.长江口深水航道工程无验潮水下地形测量的测深数据处理[J]. 测绘通报,1999(3):45-50.

[3] 刘基余.全球定位系统原理与应用[M]. 北京：测绘出版社，1999．

[4] 刘大杰.全球定位系统的原理与数据处理[M]. 上海:同济大学出版社,1996.

[5] 徐德宝. 海洋大地测量[M]. 北京: 海洋出版社, 1993.

[6] 赵建虎, 张红梅. 水下地形测量技术探讨[J]. 测绘信息工程,1999(4):22-26.