GPS-PPK技术在港口航道测量领域的应用研究

梁书祥

【摘 要】近年来，我国基建事业发展十分迅速，沿海各个省份、城市纷纷进行各种大型港口航道项目的施工，为往来船只提供便利，使得我国水上交通愈发顺畅。但是港口航道工程偶尔会出现质量问题，为航行船只与往来人员带来了一定的不便，严重时甚至会危害他们的生命财产安全，也不利于水上交通的发展。经研究发现，港口航道工程质量问题产生的原因有很多，其中测量数据不准、错误估计水位等都是常见的问题，若是在数据测量上出现问题，会给港口航道埋下安全隐患。文章结合实际情况，研究GPS-PPK技术在港口航道测量领域的应用。

【关键词】GPS-PPK技术;港口航道测量领域;应用研究

【中图分类号】P228.4 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）01-0123-03

1 港口航道测量采用高新科技的重要性

港口航道的畅通乃是发展水上交通、保证船只顺利航行的基础，与我国航运事业的发展有着密切联系，根据我国海洋管理部门调查与统计所获的数据可知：在我国总体经济贸易中，港口交易占据了大概1/3的比重，有着举足轻重的地位，直接影响我国国民生产总值，其中国内的运输量占11%～13%，而进出口贸易则比前者多一倍。同时，港口的建設与发展在我国南部沿海地区的经济建设体系中占据57%的高额比重，在旅游业建设体系中更是达到了惊人的63%。可以说，港口的建设对当地经济的开发与建设有着十分重大的影响，这些数据无一不彰显着港口建设的重要性。港口航道测量是建设港口时十分重要的步骤，只有减少测量误差，获取精准的数据，才能保证港口航道的顺利开辟，从而使港口建设能够顺利完成，并提升我国水运管理体系的质量，为推进国家经济发展提供强大的动力。

2 GPS-PPK技术简介与测量原理

2.1 GPS技术简介

GPS乃是全球定位技术，依托发射到太空中的卫星作为基础，采用无线电传输进行信息发送和接收，实现高精度的无线全球定位，自问世以来就广受欢迎，家喻户晓。GPS起源于20世纪的美国，最初被应用于军事领域，能够帮助军方实现导弹的精准打击，随着这项技术的发展，它的适用范围逐渐拓展到民用领域，其具有的定位、导航与测量等强大功能使之有着广泛的应用领域，其中在汽车导航方面几乎占据了整个市场，被誉为汽车的保护神。此外，随着物联网的发展，GPS在物流行业也起到了关键作用。而在测量方面，由于它有着极高的精度，因此被广泛应用于建筑工程中的数据测量。

2.2 PPK技术简介

PPK技术是利用载波相位进行事后差分的GPS定位技术，也就是动态后处理技术，是最近兴起的测量技术，暂时还未被普及使用，一般被视作RTK技术的补充。

RTK技术，全称载波相位差分技术，是依托GPS定位技术进行的重要技术升级与革新，是GPS应用过程中的重大突破，也是GPS应用史上十分重要的里程碑。RTK技术是实时处理两测量站之间载波相位观测量的差分方法，基准站负责利用GPS技术对载波相位进行采集与测量，并将其发送给用户接收端，接收端根据接收到的数据进行计算，从而获得被测点的坐标。之前的静态测量与动态测量等多种测量方法都是需要在事后分析和计算时才能够获得较高精度的数据，而这种技术却能够实时获得精确的待测点坐标且精度能够达到厘米级，误差控制在几厘米，这种技术的发明为各种领域的数据测量带来了新的曙光，大大提升了作业效率。但RTK技术存在一个十分致命的弊端：它受到作业距离的限制，当作业距离较远，超出信号覆盖范围时，或者在偏远、信号差、基站少的山区进行测量时，就无法接受差分信号，不能进行测量。差分传输是一种信号传输技术，通过数据链进行传输工作，会在一定程度上受到周围环境的影响，而PPK技术正好弥补了这一缺陷，它不需要应用数据通信且作业半径较大，高达300 km，在很多RTK技术受到限制无法正常使用的区域，PPK技术也能准确获取数据。

PPK技术所使用的系统同样由基准站和流动站组成，由于它是进行事后处理，因此不需要用户端装备数据通信链，也不需要考虑流动站是否能够接收到通信信号的问题，观测时更方便，限制较少。由于港口都建设在海岸周围，茫茫大海上的信号传输会受到一定的阻碍，很难接收通信信号，因此它更能胜任港口码头的测量工作。

3 测量原理

（1）GPS定位原理。GPS定位是通过3颗卫星对同一用户端的距离数据计算得出用户端的位置坐标，但这是理想情况下的条件，而实际进行定位时，为了消除误差，提升数据精度，会选择第四颗卫星传回的数据作为参照，以获得最为精准的用户端坐标。

（2）载波相位测量原理。卫星与地面进行数据交换所使用的电磁波都具有一定的周期，其波形是固定的，某特定时刻的电磁波在循环中所处的位置称为相位，利用卫星上某时刻的载波相位与到达接收机时的相位和所使用电磁波的波长，能够计算出卫星与接收机之间的距离，再将数据带入公式进行计算，可得出载波相位测量的线性方程。

4 GPS-PPK技术在港口航道测量领域的应用

4.1 制桩前对水位等的测量

桩乃是港口航道中最基础也是最重要的部分，一般会在基地进行制作，再运输到指定地点进行沉放。在进行预制时，应当按照高桩港口航道的不同分类进行材料和结构、长度、粗细等的选择，并且按照沉桩顺序分类生产。制桩工作应当先于高桩港口航道工程进行，保证在施工过程中不会出现因为缺桩而导致的工程延期、停工等问题。同时应当注意，生产桩的时间不能过早，否则会增加储存费用和维护费用，而且在其堆积存放的过程中也可能出现一定的损耗和腐蚀问题，增加建造成本，还可能出现生产量过大、浪费资源的问题，以及增大积压资金导致后续工作缺乏资金等麻烦。应当在施工规划大体完成后进行制桩，确保数量和型号不会出现较大偏差，根据工程项目计划书中规定的桩数留出一定余量，防止开工后因为桩的问题影响工程进度。

项目书中所需桩数量的计算与所用桩的长度、直径等，需要先对目标海域的水深、水流速度等进行测量，传统测量方式中存在较大误差，尤其是计算水深时，需要在潮起潮落受到海浪影响严重的海面上进行，原始的水深测量方法需要对声速、水位等数据进行一系列测量与计算，才能得到图载水深，在不考虑海底地形变化等因素的影响时，可以将其表示为以下公式：

Ht=HO+△I+△H+△D+Tide+ξ（1）

其中，Ht为图载水深，HO为野外观测水深，△I为测深仪指标差改正值，△H为声速改正值，△D为吃水改正值，Tide为水深改正值，ξ为其他改正项。水深测量的基本结构如图1所示。

这种方法存在许多弊端，例如多个因素之间相互影响、相互制约，其中一个变量发生改变时，会同时引发其他多个数据的变化，导致最终结果不准确。船舶航行时，受到海浪的作用，测量换能器的吃水深度十分困难且误差较大。而利用GPS-PPK技术进行水深测量，则可以避免这个问题，消除海浪、换能器吃水等多个因素的影响，测量原理如图2所示。

S=D+SM+V-H

图2中，H代表利用GPS-PPK技术测得的大地高度，其中H代表利用GPS-PPK技术测得的大地高度，而D则是代表从船底到海底地形的实际水深，V代表GPS天线到换能器表面的高度，S代表从海图基准面到海底地形的图载水深，ED则是该点海底的大地高（大地高：某点沿参考椭球面法线到参考椭球面的距离）。

4.2 基線的测量

桩必须精确地沉放到预定位置才能起到作用，保证港口平台的稳定性，保障航道的安全，否则容易出现倾斜和坍塌事故。为了确保桩的沉放位置不出现偏差，应当预设施工基线，并在相应的位置标出控制点。一般布置相互垂直的两条基线，其中一条与港口航道中轴线平行，这样能够保证桩与港口航道面垂直，形成稳定结构。选取施工基线的布置点时，应当注意在水平地面上且无沉陷、位移、倾斜，尽量远离施工中心，避免基线受到施工影响而产生走位，不能精准指示位置。若港口航道附近没有能够依据的岸线或者建筑物，可以在现场制作测量平台，以供定位使用。当港口航道附近地形复杂，不能采用上述任何一种方法时，可以设置不垂直的两条基线（特殊情况下，绘制水平或者垂直方向上的基线具有一定难度，因此可以利用两条不成直角的基线辅助施工），用经纬仪采用特殊方法进行基线绘制，做到在任何情况下都能保证基线精度。在绘制基线时需要测量很大一片区域的平整度、长度与宽度等，传统测量方式是采用人工测量，以三角高程测量方法为基础，配合水准测量、导线测量等多种方法，再经过大气等方面的改正计算，最后得出数据，很容易受到工程师工作状态和天气因素的影响而出现误差，而利用GPS-PPK技术可以直接获得数据，系统会自动获取重力、大气等相关数据，并进行计算，大大节省测量时间，并具有较高的精度，也不受天气影响。

4.3 沉桩过程中的测量

沉桩是码头航道构建过程中最重要且最关键的步骤，但同时也是难度最大的一项施工，因为它受到环境和施工条件的影响最大，容易出现偏差。施工单位必须在沉桩前对当地自然环境、地形等做好调查，依托有利环境，选择最佳时机进行沉桩，为日后港口航道的建造打下良好的基础。

（1）因地制宜地选择沉桩方法。目前，常采用的沉桩方法，例如打入桩、震动沉桩、静力压桩等，适用的环境与主要依托的动力都有差别，施工前应当根据当地的地形特点、水位、风向等条件，选择最恰当的沉桩方法。例如，在覆土较厚的地区，可以采用钻孔埋桩法。想要获得风力、水位、水底地质、砂石厚度等数据，就必须进行复杂的测量工作，会消耗大量的人力、物力资源，而采用GPS-PPK技术可以直接获取数据，为沉桩工作提供科学的依据。

（2）沉桩间距的测量。沉桩顺序与间距的选择关系到施工质量与整个工程的进度，它并不是固定的，可以根据现场情况进行调整，一般采用顺岸沉桩的顺序，从港口航道的岸边开始逐渐向外设桩。在使用单一打桩船工作时，应当注意保持桩之间的间隔，采用多条打桩船同时进行施工时，需要让它们之间保持一定的距离，防止相邻的桩下沉时引发的震动带来水压骤变，引发对岸坡的冲击，给施工带来不便。此外，桩之间需要保持一定距离，这个距离需要根据水压、水深等多方面的数据进行确定，利用GPS-PPK技术能够方便地获取这些数据。

4.4 布置桩基工作中的测量

（1）桩长测量。支撑桩的长度由硬土层的标高决定，而摩擦桩的长度则根据结构重量与将要施加在它身上的压力决定，桩尖标高需要尽可能地保持一致，不能出现较大差距，否则可能造成港口平面倾斜;此外，桩长不能超过打桩船能够接受的最大高度，否则就需要进行逐节接桩，并且接桩时也不能使用太多，接桩处较为脆弱，要将接桩位置设置在腐蚀较小处。由于海底地势不平，在测量硬土层高度时会遇到许多阻碍且需要多次测量，由人工进行测量工作量巨大，采用GPS-PPK技术可以节省大量人力、物力。此外，想要在不平整的海底地势条件下保持桩尖高度一致，就需要在水下进行高度测量，传统测量方式会受到海浪波动的影响，GPS-PP技术不受这些因素的影响，能直接获取数据。

（2）桩基的平面与纵向布置中的距离监测。桩基纵向布置需要根据横向排架间距确定，一般采用较长的桩和较大间距跨度，降低造价。而进行平面布置时需要精确测量与计算斜桩的倾斜角度和方向，避免桩在水底互相碰撞。此外，桩基之间需要预留超过0.5 m的间距，防止由于误差导致的两桩相碰。在水中确定1 m以下的长度时较为困难，唯有依托新技术，才能够方便地进行间距测量，并准确获取斜桩的倾斜角度。

5 GPS-PPK技术在港口航道测量领域的使用前景展望

经过大量的测试实践，如今GPS-PPK技术所获得的水深、大地高等数据精度已经达到较高水平，完全能够满足我国港口航道测量时对于数据的精度要求，可将误差控制在可接受范围内，不会影响安全性。此外，这项技术的作用距离也将大大提升，能够覆盖港口航道测量所需的作业范围。未来，还可发展GPS-PPK联测的测量方式，利用多个观测点对某几个标段或者整体标段进行联测，最大限度地消除误差，提高测算结果的精度，并提升测量效率。随着信息化技术的发展，测量数据平台的构建也会提上日程，届时大型码头航道建设工程中就会建立统一的数据平台，多项数据的测量、多个标段的数据采集工作可同时进行，并通过互联网传输到数据平台，可以方便地进行数据比对、计算与保存，还可综合考虑不同标段情况的差异对工程进行整体的调整。

参 考 文 献

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