港口工程中的RTK GPS施工方法
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摘要：随着GPS技术的发展，具有RTK功能的GPS接收机不但在平面位置上可以达到厘米级，而且以WGS84为参考椭球的垂直高程也可以达到厘米级，因而被广泛地应用于海岸带测量中。本文介绍了RTKGPS在港口建筑工程、海域勘界、无验潮模式水深测量方面的一些具体应用。
关键词：RTK；GPS控制点；GPS水准；大地水准面
中图分类号：U65 文献标识码：A
在测量技术日益成熟的前提下，GPS相对定位的精度已优于1×10-8，业已接近于甚长基线干涉测量和卫星激光测距的精度，而且其以WGS-84为参考椭球的垂直高程也能达到厘米级精度。目前，在海岸工程中使用的定位系统95﹪以上使用DGPS，差分数据主要使用交通部设立的海岸信标台，这套系统为地方差分系统（LｏｃａｌAｒｅａ DiｆｆｅｒｅntialGPS），精度为5ｍ以内，信号无偿使用，使用的坐标系统为WGS-84坐标系统。对于高精度用户，厘米级的RTK定位技术已经越来越受欢迎，特别是在港口工程、航道疏浚、海域勘界等方面，可以大大提高作业效率，并且节约成本。
施工成本促使港口工程、航道疏浚、海域勘界等工作使用最先进的定位技术，以便使投资得到尽可能高的回报。由于在港口工程市场上无线电定位设备的实用性，大量的基于地面信标的定位设备得到广泛应用。特别是近年来，RTK GPS由于它的快速动态测量方案的优异性能已经得到较广泛应用。与此同时，RTK GPS在精确性方面也在稳步提高。例如，在港口工程中，我们用RTK GPS进行地形测量，边界标定等测量工作，可达到厘米级精度；在精密要求的疏浚工程中，使用实时动态定位技术提供的厘米级精度，在装填土石方过程中可以进行实时的水位观测和潮位改正，工程可以在较短的时间里高精度地完成。这些应用可以完全利用双频卫星定位接收机和RTK GPS完成。本文以RTK 在港口工程、海域勘界、实时潮位改正有应用为例介绍其在海岸测量中的应用。
利用RTK 进行实时测量时，首先要根据测区的范围结合所用仪器的指标来确定我们进行坐标转换所需的控制点数，以进行控制测量；然后再依据控制测量确定的坐标转换参数进行地形的碎步测量。
（一）控制测量
用RTK静态观测进行控制测量时，其所选的控制点的精度对于整个控制网的坐标转换参数的准确性起决定作用，对海岸地形测量来说是至关重要的。另外在布设GPS控制网时，根据国家测绘局1992年制订的我国第一部《GPS测量规范》，将GPS的精度分为A～E五级（表1）。其中A，B两级一般是国家GPS控制网，C，D，E三级是针对局部性GPS网规定的〖1〗。
表1 GPS控制网等级分类
理论上，在测区内有足够的控制点，就可以控制整个测区。但实际工作中，因所用仪器的差别，可根据实际情况布设控制网。如LｅｉｉｃａＲｕｓｈ530 RTK GPS
其基准站与流动站的最远作用距离为30㎞，下面便以连云港庙岭三期突堤砂被堤地形测量为例介绍其应用，首先我们根据测区的范围及实地情况决定以庙岭山为界分为2个测区并做了2个控制网，以便能够对测区海岸的地形测量进行控制。通过对测区Ⅰ周围现有的等级控制点的筛选，选用ｊ，ｂ，ｃ三个北京54坐标系控制点作一个控制网（表2）。选 用测区Ⅱ中的ｅ，ｆ，ｇ三个北京54坐标系控制点作另一个控制网（表3）。
表2测区Ⅰ岸线测量平面控制点 表3测区Ⅱ岸线测量平面控制点
以这2个控制网为基准，分别在测区Ⅰ，Ⅱ的各3个控制点上架设GPS接收机，同步采集静态观测数据，并根据控制点间距离的远近确定采集数据的时间，如果控制点距离30㎞以内，采集数据的时间在1ｈ左右即可（保证整周模糊度的计算，确保基线解算的结果满足要求）。数据采集完毕后，利用Leica公司的商用RTK GPS后处理软件SKI-Pro，进行观测线处理、网平差和环平差等数据处理，处理结果的各项精度指标都满足要求。考虑到作业区域大小、岸线地形测量精度要求，另在各测区选取几个制高点通过RTK测出基WGS-84坐标作为岸线地形测量的参考站，并采用经典三维转换方法进行WGS-84坐标系和北京54坐标系之间的转换，求出各测区的7个坐标转换参数，输入流动站RTK GPS接收机中，这样在碎部测量时，流动站就可实时解算出岸线碎部测量点的西安80坐标。通过求得的转换参数解算出的测区Ⅱ3个控制点的西安80坐标系的坐标（表4），与表2比较，可看出其达到厘米级精度，完全符合工作的要求。
（二）海抛工程测量
连云港庙岭三期突堤砂被堤地形测量中将2个测区的两套坐标系统间的7个转换参数分别输入2台流动站，利用RTK GPS技术进行岸线碎部测量。在作业过程中，严格按照海域划界规范和仪器操作规程进行，90﹪以上的碎部点平面位置和高程精度都控制在小于10㎝范围内，只有极少数碎部点的点位精度在亚米级范围内（小于0.5ｍ），各项精度指标均达到1：5万岸线测量要求。
由以上工作可看出，我们将RTK应用于的海抛工程地形测量中，其精度完全满足我们的要求，而且其工作效率高、与传统的测量方法比较其受外界条件的影响很小，可以全天候作业。另外，利用RTK进行作业，其参考站与流动站之间的精度可达到毫米级，进行测量的精度取决于所选控制点的等级以及工作时参考站与流动站之间信号传播的干扰因素。
二、利用RTK GPS进行无验潮模式的水深测量
（一）RTK实时潮位改正的原理
在用RTK进行实时验潮时，我们只要求出高程基准面与椭球面的高差，就可以将所求得的水面相对于参考椭球面的高程转换到高程基准面（海图中其基准面常用理论深度基准面）即A-B+C，也就是潮位改正。
（二）RTK实时潮位改正的实施
在实施RTK实时验潮时，须注意风浪、天线高测量、地区高程异常、仪器垂直量精度等因素的影响。
1、由RTK相对定位得到三维基线向量，通过GPS网平差，得到高精度的大地高差。如果该GPS网中有一点或多点具有精确的WGS-84大地坐标系的大地高程，则在GPS网平差后，可求得验潮点的WGS-84大地高程。但在实际应用中，一般海图所用的深度基准面为理论深度基准面，而理论深度基准面与似大地水准面之间的高差很容易得到，即验潮点的高程通常采用正常高系统，地面点的正常高是地面点沿铅垂线至似大地水准面的距离，这种高程是通过水准测量来确定的，因而有必要找出大地高与正常高之间的关系，即高程异常（似大地水准面至椭球面间的高差）。
目前精确计算GPS点的正常高的方法主要有GPS水准高程（简称GPS水准）、GPS重力高程和GPS三角高程等方法。我们在GPS作业中最常用的是GPS水准。下面介绍几种GPS水准确定验潮点（GPS点）的正常高的计算方法：
（1）绘等值线图法：设在某一测区，有ｍ个GPS点，用几何水准联测其中ｎ个点的正常高，求出这ｎ个点的高程异常，然后，选 定适合的比例尺，按这ｎ个点的平面坐标，展绘在图纸上，从而绘出测区的高程异常图，这样就可以在图上内插出验潮点的正常高。
(2）曲面拟合法：当GPS点设成一个区域面时可用数学曲面拟合法求得待定点正常高。其原理是根据测区中已知点的平面坐标ｘ，ｙ（或大地坐标B，L）和￡值，用多项式曲面拟合法，拟合出测区的似大地水准面，再内插出待求点的￡，从而求得待求点的正常高〖2〗。
此外，我们还可以用解析内插法、移动曲面法、地形改正法等方法求得待定点的正常高。面在HYPACKMAX导航软件中根据绘等值线图法，将测区内的ｎ个点的平面坐标、大地高、正常高写入一个*.KTD文件，再根据我们立的水尺进行平差，从而得到待定点的正常高即潮位改正，
2、验潮过程中应要考虑风浪的影响，在实测的过程中船的横摇R，纵摇P，起伏H对RTK测得的高差均有影响，其中纵摇的影响见图3，在进行水深计算时，用于计算的B1=B0cosP。横摇的影响与纵摇类似，考虑到横摇、纵摇的影响B1=B0cosPcosR，另外还需加入实时的吃水改正即起伏H。
3、用钢尺丈量GPS天线到水面的距离对其结果的影响很小，可以不考虑。
4、所用RTK仪器型号的不同，对所测的垂直高差的影响也不同。但一般RTK仪器在垂直精度上均可达到厘米级，甚至更好。
考虑以上因素，可通过RTK得到实时的潮位，在我们的HYPACK导航软件中将实时的潮位改正加入到接收的水深数据中，再加入涌浪改正，就可以进行实时潮位改正的水深测量。
三、结语
随着GPS技术的发展，GPS+GLONASS和GPS+GALILEO系统的应用，GPS测量精度会有更大的提高。我们可用GPS测量替代传统的测量方法（如全站仪、水准仪等）进行精密的测量，并将其更多地应用于海洋工程中如航道疏浚、划界、填方、高精度海洋定位、建立海洋大地控制网、水下地形测绘等工作中，不仅完全 可以保证精度，而且大大提高了工作效率、降低了成本。由于目前RTK在海岸工程的应用还没不十分成熟，故其许多具体方面还有待验证。