摘要：結(jié)合疏浚工程施工，論述利用GPS先進(jìn)技術(shù)對(duì)疏浚工程船舶進(jìn)行施工定位效果良好。論文發(fā)表：《控制理論與應(yīng)用》主要報(bào)道系統(tǒng)控制科學(xué)中具有新觀念、新思想的理論研究成果及其在各個(gè)領(lǐng)域中，特別是高科技領(lǐng)域中的應(yīng)用研究成果，內(nèi)容包括：集中參數(shù)控制系統(tǒng);線性與非線性控制系統(tǒng);分布參數(shù)控制系統(tǒng);隨機(jī)控制系統(tǒng);離散事件系統(tǒng);大系統(tǒng)理論;混合系統(tǒng);系統(tǒng)辨識(shí)與建模;自適應(yīng)控制;魯棒控制;智能控制;優(yōu)化與控制算法;先進(jìn)控制理論在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用;系統(tǒng)控制科學(xué)中的其它重要問題。

　　關(guān)鍵詞：工程,疏浚船舶,GPS原理,定位

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)現(xiàn)已成為全球廣泛應(yīng)用的定位手段，它以全球性，全天候，準(zhǔn)確，可靠和高效率等優(yōu)點(diǎn)被測(cè)量與施工所采用。結(jié)合2010～2012年馬里河道疏浚工程施工定位實(shí)踐，探討如何利用GPS衛(wèi)星定位進(jìn)行施工。

　　一、工程概況

　　阿拉塔納干渠項(xiàng)目是美國(guó)政府“千年挑戰(zhàn)公司(MCC)”資助項(xiàng)目，業(yè)主是馬里千年挑戰(zhàn)賬戶(MCA-Mali)，工程師為加拿大SNC-Lavalin公司。本項(xiàng)目以挖泥船疏浚為主,疏浚全長(zhǎng)25km，工程量大約為450萬(wàn)方，因河道較窄，采用1600絞吸式挖泥船進(jìn)行施工。

　　二、GPS的工作原理

　　1 GPS簡(jiǎn)介

　　1.1 GPS的定義

　　GPS的英文全稱是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System(導(dǎo)航星測(cè)時(shí)與測(cè)距全球定位系統(tǒng))，簡(jiǎn)稱GPS有時(shí)也被稱作NAVSTAR GPS。根據(jù)Wooden 1985年所給出的定義：NAVSTAR全球定位系統(tǒng)(GPS)是一個(gè)空基全天侯導(dǎo)航系統(tǒng)，它由美國(guó)國(guó)防部開發(fā)，用以滿足軍方在地面或近地空間內(nèi)獲取在一個(gè)通用參照系中的位置、速度和時(shí)間信息的要求。

　　1.2 GPS的系統(tǒng)組成

　　GPS系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分和用戶設(shè)備部分等三部分組成。2 GPS的定位原理

　　2.1 GPS測(cè)量定位的分類

　　GPS測(cè)量定位按照不同的分類依據(jù)而分為以下幾類

　　依定位時(shí)的狀態(tài)：動(dòng)態(tài)定位、靜態(tài)定位。

　　依定位模式：絕對(duì)定位(單點(diǎn)定位)、相對(duì)定位、差分定位。

　　依定位采用的觀測(cè)值：偽距測(cè)量(偽距法定位)、載波相位測(cè)量。

　　依時(shí)效：實(shí)時(shí)定位、事后定位。

　　依確定整周期模糊度的方法及觀察時(shí)段的長(zhǎng)短：常速靜態(tài)或動(dòng)態(tài)定位、快速靜態(tài)或動(dòng)態(tài)定位。

　　2.2 差分GPS定位

　　疏浚船的施工定位方法是差分GPS定位，對(duì)此定位方法做詳細(xì)介紹

　　2.2.1 差分GPS定位原理

　　差分定位系統(tǒng)即為DGPS，英文全稱Differential Global Position System，是在GPS的基礎(chǔ)上利用差分技術(shù)使用戶能夠從GPS系統(tǒng)中獲得更高的精度。

　　如圖片3所示，DGPS實(shí)際上是把一臺(tái)GPS接收機(jī)放在位置已精確測(cè)定的點(diǎn)上，組成基準(zhǔn)臺(tái)。基準(zhǔn)臺(tái)接收機(jī)通過(guò)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，測(cè)得并計(jì)算出到衛(wèi)星的偽距，將偽距和已知的精確距離相比較，求得該點(diǎn)在GPS系統(tǒng)中的偽距測(cè)量誤差，再將這些誤差作為修正值以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式通過(guò)播發(fā)臺(tái)向周圍空間播發(fā)。附近的DGPS用戶接收到來(lái)自基準(zhǔn)臺(tái)的誤差修正信息，以此來(lái)修正自身的GPS測(cè)量值，從而大大提高其定位精度。

　　基準(zhǔn)站對(duì)每顆在視場(chǎng)的GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)跟蹤測(cè)量，在ti時(shí)刻測(cè)得的偽距為di(i為衛(wèi)星編號(hào))，而基準(zhǔn)站ti時(shí)刻至衛(wèi)星的距離可算出為pi ，則偽距改正數(shù)為：△di = pi - di.由于△di是隨時(shí)間不規(guī)則變化的，因此還要將偽距的變化率傳給移動(dòng)站。基準(zhǔn)站將時(shí)標(biāo)，偽距改正數(shù)，偽距變率和衛(wèi)星數(shù)據(jù)齡期AODE組成l串電文，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)鏈向移動(dòng)站廣播。發(fā)AODE的目的是為了保持基準(zhǔn)站和移動(dòng)站使用同一齡期的星歷，以消除衛(wèi)星星歷誤差和星鐘誤差。

　　移動(dòng)站接收到差分電文后，對(duì)GPS測(cè)得的偽距進(jìn)行改正，獲得高精度的位置。移動(dòng)臺(tái)的計(jì)算機(jī)用于采集GPS的位置數(shù)據(jù)，并通過(guò)后處理，繪成坐標(biāo)圖，顯示定位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)位置，起到導(dǎo)航定位作用。定位原理如圖3所示。

　　圖3 差分GPS定位原理

　　2.2.2 差分GPS的類型

　　差分GPS定位分為偽距差分定位和載波相位差分定位兩種

　　① 偽距差分定位

　　其原理是在基準(zhǔn)站上觀測(cè)所有的衛(wèi)星，利用基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)和測(cè)得的各衛(wèi)星的地心坐標(biāo)，計(jì)算出基準(zhǔn)站至各衛(wèi)星的距離，并求出它與相應(yīng)偽距之差，用此改正數(shù)去改正用戶站測(cè)得的偽距。

　　其優(yōu)點(diǎn)是由于基準(zhǔn)站提供了所有衛(wèi)星的偽距改正數(shù)，用戶接收機(jī)觀測(cè)任意4顆衛(wèi)星即可完成定位。

　　其缺點(diǎn)是差分精度隨基準(zhǔn)站到用戶站的距離增加而降低。

　　偽距差分定位能滿足米級(jí)定位精度，廣泛用于導(dǎo)航和水下測(cè)量等。馬里阿拉塔納干渠項(xiàng)目的疏浚船施工用此定位方法。

　　② 載波相位差分定位

　　載波相位差分技術(shù)又稱實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK，Real Time Kinematic)定位技術(shù)，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站載波相位觀測(cè)量的差分方法。

　　3 GPS定位的特點(diǎn)

　　① 全球、全天候工作。

　　② 定位精度高。單機(jī)定位精度優(yōu)于10m，采用差分定位，精度可達(dá)厘米級(jí)和毫米級(jí)。

　　③ 功能多，應(yīng)用廣。

　　三、用于施工定位的主要設(shè)備及GPS的主要技術(shù)指標(biāo)

　　1 施工定位用的主要設(shè)備

　　疏浚船舶用于定位的主要設(shè)備疏浚船舶用于定位的主要設(shè)備有：GPS，電子羅經(jīng)，電腦和導(dǎo)航軟件。

　　2 GPS的主要技術(shù)指標(biāo)

　　① 8通道并行GPS接收機(jī)，重捕獲時(shí)間只要幾秒鐘。

　　② 實(shí)行導(dǎo)航定位平面位置精度：<±1m ;靜態(tài)相對(duì)定位精度：≤±(5mm + lppm)。

　　③ 作用距離：< 40km(與通訊條件有關(guān))。

　　④ 差分發(fā)射間隔：2s 。

　　⑤ 位置水深采集速率：1次/ s 。

　　⑥ 電源：11∽14V直流電。

　　⑦ 功耗：基準(zhǔn)站靜態(tài)功耗為5W ，電臺(tái)發(fā)射功耗高頻為35W、低頻為2W，移動(dòng)站靜態(tài)功耗為5W 。

　　四、利用GPS進(jìn)行施工定位

　　首先在某一已定坐標(biāo)點(diǎn)上設(shè)立基準(zhǔn)站，然后在各施工船舶上設(shè)立移動(dòng)站。由于每個(gè)地方所采用的坐標(biāo)系不一樣，導(dǎo)航軟件可直接對(duì)采集的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)進(jìn)行一級(jí)或二級(jí)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成為當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系。電子羅經(jīng)以及因GPS天線的位置與實(shí)際要定位的點(diǎn)的平面位置之間的誤差都可以通過(guò)固定差校正或天線偏差校正，將各種誤差消除。

　　1 基準(zhǔn)站位置及接收機(jī)的選擇

　　馬里河道疏浚工程的施工工況：戰(zhàn)線較長(zhǎng)。在選擇GPS接收機(jī)設(shè)備時(shí)，本著經(jīng)濟(jì)，實(shí)用，可行的目的，選用符合工程技術(shù)要求的天寶5700基站以及SPS351信標(biāo)機(jī)接收機(jī)。基準(zhǔn)站選擇設(shè)在較開闊且較高的地方，因施工區(qū)域附近無(wú)較高的建筑物，將基站架設(shè)在營(yíng)地，發(fā)射天線捆綁于較高的水塔上。使基準(zhǔn)站發(fā)射的RTCM信號(hào)有效控制整個(gè)工程施工區(qū)域，同時(shí)，還需盡量減少誤差。在設(shè)立基準(zhǔn)站時(shí)，采用3臺(tái)GPS進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，測(cè)出計(jì)劃設(shè)立基準(zhǔn)站的坐標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，將基準(zhǔn)站設(shè)在該點(diǎn)上。基準(zhǔn)站設(shè)立后，在移動(dòng)站到離施工區(qū)最近和最遠(yuǎn)的已知點(diǎn)上進(jìn)行精度測(cè)試，結(jié)果表明，各施工區(qū)域均能可靠接收差分信號(hào)和衛(wèi)星信號(hào)，精度在±1m內(nèi)，符合施工定位的規(guī)范要求。

　　2 抓斗式挖泥船GPS定位技術(shù)

　　抓斗式挖泥船采用GPS進(jìn)行施工定位將GPS天線固定在駕駛室前面的抓斗吊架頂端(抓斗中心對(duì)上去的位置)，將電臺(tái)差分天線固定在駕駛臺(tái)頂上，將電子羅經(jīng)置于駕駛室內(nèi)，并使電子羅經(jīng)方向與駕駛室平面中軸線方向一致(即電子羅經(jīng)方向代表駕駛室左右移動(dòng)的平面方向)，將電腦和GPS主機(jī)設(shè)在駕駛室內(nèi)駕駛員能清楚看到顯示器里面的圖像的地方，從電腦主機(jī)上接l臺(tái)顯示器置于船體后方，以便負(fù)責(zé)移錨的船員能夠根據(jù)電腦顯示器里面的電子圖形進(jìn)行移錨校正船位，再將GPS和電子羅經(jīng)接上電腦主機(jī)串口，打開電腦的導(dǎo)航軟件，并將開挖計(jì)劃線編好，使導(dǎo)航軟件進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)。移船定位時(shí)，將駕駛室前的抓斗吊架置于船體正前方，測(cè)電子圖形中的小船的中軸線代表抓斗船船體平面中軸線方向，十字中心代表吊架頂端GPS天線的平面位置即抓斗中心的平面位置。抓揚(yáng)式挖泥船沿著已定開挖行挖泥前進(jìn)，則電子圖形中的小船中軸線方向與開挖行的計(jì)劃線的中線方向一致，且十字中心在計(jì)劃線的中線如發(fā)生偏離，移錨人員應(yīng)松緊錨纜將船位糾正。施工挖泥時(shí)，駕駛員可通過(guò)電子圖形觀察抓泥時(shí)抓斗移動(dòng)的動(dòng)態(tài)位置和排斗的間距。駕駛員通過(guò)觀察電子圖形中小船移動(dòng)的方向，距離以及十字中心的坐標(biāo)來(lái)辨別挖泥船的施工和移位狀況。

　　3 絞吸式挖泥船GPS定位技術(shù)

　　絞吸式挖泥船利用GPS進(jìn)行定位絞吸式挖泥船是沿著以鋼樁為圓心，船體為半徑的弧線挖泥的。絞吸式挖泥船施工時(shí)需要定船頭絞刀的位置，也要定船尾主鋼樁的位置。如果只定絞刀的位置，鋼樁偏了會(huì)產(chǎn)生超挖和漏挖;如果只定鋼樁的位置，無(wú)法辨別絞刀是否挖到邊線。絞吸式挖泥船施工定位采用2條GPS天線，不用電子羅經(jīng)。將l條GPS天線固定在駕駛室前A字架的頂端，l條GPS天線固定在近主鋼樁的地方，將2條GPS天線的另一端接上信號(hào)轉(zhuǎn)換器后，再接入GPS主機(jī)(GPS主機(jī)只能接收l(shuí)條GPS天線的信號(hào)，不能同時(shí)接收2條GPS天線的信號(hào)，計(jì)算出2個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器可選擇接收其中任l條GPS天線的信號(hào))。將電臺(tái)差分天線固定在駕駛室頂，電腦置駕駛室內(nèi)駕駛員可以清晰看到顯示器里面圖像的地方。絞吸船施工時(shí)主要給絞刀定位。

　　五、河道疏浚施工中挖泥船的定位特點(diǎn)

　　結(jié)合馬里當(dāng)?shù)厥┕で闆r，河道較窄，戰(zhàn)線長(zhǎng)，故采用多臺(tái)1200絞吸式挖泥船，多面同時(shí)施工。河道窄，方向是固定的，所以電子羅經(jīng)是不需要的，河道方向便是羅經(jīng)值。1200絞吸式挖泥船較小，可以用單GPS定位，只定位絞刀頭的位置便可以，節(jié)約成本。挖泥船用的定位軟件是國(guó)產(chǎn)的自由行，將施工平面圖導(dǎo)入到軟件中，設(shè)置好GPS連接端口、點(diǎn)，連接儀器，輸入河道的羅經(jīng)值便可以對(duì)河道疏浚施工的挖泥船進(jìn)行定位。

　　六、結(jié)語(yǔ)

　　疏浚施工船舶采用GPS定位技術(shù)，與以往測(cè)量、放樣方式相比，省略了傳統(tǒng)的插桿放樣工作環(huán)節(jié)，減少了人力占用、物力的消耗，從而節(jié)約了施工成本，而且也為挖泥船贏得了有效工作時(shí)間，提高了工作效率;同時(shí)，GPS定位具有即時(shí)性(即在電腦顯示器上時(shí)時(shí)顯示著船舶的位置)、連續(xù)性(即可以畫出船舶的連續(xù)運(yùn)行軌跡，亦可指導(dǎo)施工)、永久性等特點(diǎn)，為船舶施工人員提供了極大的便利，也大大的提高了船舶施工的精確度。