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陈恒差分GPS在港口建设中的应用.doc

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陈恒差分 GPS 港口 建设 中的 应用
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龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目: 差分 GPS 在港口建设中的应用 资源工程学院差分 GPS 在港口建设中的应用【摘要】随着海洋运输业的快速发展,港口愈发彰显其在世界经济发展中的重要性。港口建设不是一次性的工作,而是贯穿始终的。旧的港口为适应经济和科技发展而带来的种种新变化,必须借助科技手段不断进行建设,以期能够提供更好的服务,新建的港口更应该充分考虑市场需求和未来发展趋势制定方案以期获得更广阔的发展前景。借助差分 GPS 可高效地达成目的,首先可以利用差分 GPS 辅助海洋测绘进行新建港口的选址和港口工程的建设或对原有港口进行规划。其次,根据所划分区域及港口地形图和海道图利用差分 GPS 引导船舶进出港口并准确停靠在相应区域。差分 GPS 可以减弱甚至是消除大部分系统误差,有效提高定位精度,满足近海及港口海洋测绘和引导船舶进出港口的精度要求。【关键词】差分 GPS;港口建设;海洋测绘;船舶进出港口;系统误差目录1. 引言 .................................................................................12.差分 GPS 概述 ..........................................................................12.1 GPS系统概述及误差分析 ..........................................................12.1.1 系统概述 ..................................................................12.1.2 GPS的误差分析 ............................................................12.2 差分 GPS原理 ....................................................................33. 差分 GPS 应用于港口建设 ...............................................................43.1差分 GPS在港口工程建设中的应用 ..................................................43.1.1差分 GPS在港口工程勘测设计阶段测量工作中的应用 ............................43.1.2港口工程施工控制和放样 ....................................................53.2.差分 GPS在港口运营阶段的应用 ....................................................53.2.1差分 GPS应用于港口工程变形监测 ............................................53.2.2差分 GPS引导船舶进出港 ....................................................64.结束语 ................................................................................6致谢语 ..................................................................................7参考文献 ................................................................................811. 引言GPS自投入使用后,因其全天时、全天候、连续实时的定位、导航、授时,且误差不会积累的优点,因而在各个领域得到广泛应用。随着技术的改进,GPS 将能提供更高精度、更强抗干扰的服务。GPS信号分为两种,一种是军用的 p码,另一种则为民用的 C/A码,P 码具有比 C/A码更高的精度和更强的抗干扰能力(主要通过 AS和 SA实现,但 SA现已取消),但其不对外开放,只有美国授权的军方用户和选定的政府机构才能使用。但是 C/A码不同,只要有可用的 GPS接收机就能在其覆盖区域接收到信号,可以采用码观测或载波相位观测值通过类似空间后方交会的原理解算得到测站的 WGS-84坐标。如果要获得当地坐标系下的坐标,就要通过联测已知重合点获得坐标转换参数 [1]。科技的进步和经济的发展推动了海洋运输业的高速发展,尤其在经济全球化的背景下更是如此。长期以来因为技术的不发达,航行距离短,船只体积较小,一般以近海航行为主,海运也不如今天那么繁荣,所以对港口的要求低。随着经济、技术的发展,海上交通日益繁忙,港口成为连接陆地和海洋的关键纽带,各国日益重视港口建设,无论是新建一个现代化的港口还是对原有的港口进行改建都必须考虑诸多因素,力求实现效益的最大化。GPS作为一种测量手段,必然存在误差,但与其他的测量手段不同,GPS 测量作为无线电测量的一种,其以覆盖范围广,可得性高,操作简单,无需测站间通视闻名,且 GPS的误差主要以系统误差为主,而系统误差在一定区域内有很强的相关性,所以利用差分 GPS可以大大提高定位精度,满足近海海洋测绘和引导船舶进出港口的精度要求。2.差分 GPS 概述2.1 GPS 系统概述及误差分析2.1.1 系统概述GPS整个系统是由分布在六个轨道面上的 24颗卫星组成的卫星星座和地面上的卫星控制/监视网络以及无数的分布于全球的用户组成。,其采用码分多址技术,与中国的北斗系统一样,有别于GLONASS的频分多址技术。定位的实际工作原理是类似于一般工程测量中的空间后方交会,通过在未知点上设置 GPS接收机,观测四颗及以上卫星,解算测量中所需的未知量,实现定位或放样。授时服务则是根据卫星上的卫星钟提供精确的时间,而导航则是根据现有的电子地图结合实时定位实现的。GPS 包含以星历误差,卫星钟和接收机钟差,大气层延迟误差等为主的系统误差,还包含像多路径效应那样的偶然误差。但因为系统误差可以通过建立系统误差模型 [2],同步观测值求差,引入未知参数(如接收机钟差,就是通过引入未知参数,所以需观察四颗卫星,以获得点位三维坐标)等方法进行消除或减弱,而偶然误差因其偶然性,故而现在还没有很好的办法完全消除,故而在精密导航定位中引起广泛重视。2.1.2 GPS 的误差分析误差一方面可以格局类型来划分,另一方面也可以根据来源将误差分为卫星星座、信号传播、信号接收误差,可以将各种误差来源所产生的误差用相应距离误差来表示(即等效距离误差,定位精度=等效距离误差*PDOP,而 PDOP值一般大于 1,所以影响精度的另一关键因素就是卫星的空间分布),可表示如下:2表 2-1:GPS 测量误差分类及其所产生的等效距离误差项目 误差来源 等效距离误差/m卫星部分 相对论效应;钟差;星历误差 1.5~15信号传播 电离层、对流层误差;多径 1.5~15信号接收 天线相位中心变化;接收机钟差;位置误差 1.5~5其他影响 地球潮汐;负荷潮 1.0卫星部分的误差有属于系统误差的卫星钟差,卫星星历误差和相对论效应。系统误差有一定的规律可循,可以根据误差的来源进行消除或减弱,例如采用同步观测值求差,建立系统误差模型,引入未知参数等。GPS卫星轨道误差是指实际卫星空间位置与星历所提供的卫星空间位置的偏差。星历分为根据卫星跟踪站的观测数据外推得到的广播星历和根据实测资料计算得到,不包含外推误差,只包含不可避免的测量误差的精密星历,广播星历包含外推误差,精度较低,但可以实时得到;精密星历精度高但无法实时得到,且是有偿服务,对于实时定位和导航没有实际意义。因为 GPS定位的实际工作原理是通过多个球面的相交实现三维定位,根据误差传播原则,卫星轨道误差将最终影响定位精度。在单点定位中,广播星历误差对单点定位精度的影响有时可达数十米,所以在非要求实时动态定位的精密工程测量中需采用精密星历。公式:0.1dρ/ρ<dD/D<0.25dρ/ρ [3]表示星历误差与差分距离的关系,由该公式可知星历误差对相对定位的误差与测站的距离成正比。星历误差的减弱办法现在主要有建立卫星跟踪站网,区域性的跟踪站网可以区域用户提供不受恶意干扰的广播星历和高精度的后处理星历(主要针对对精度要求较高的静态定位的用户);采用轨道改进方法,主要有半短弧法和短弧法;采用同步求差法也可以削弱广播星历误差,但要求两台或以上接收机且接收机之间的距离小于 20km,如果接收机间的距离过大,则削弱效果较差。卫星钟的偏差采用二阶多项式的形式表示:Δt s=a0+a1(t-t0)+a2(t-t0)2,经该二项式改正后的卫星钟差残余误差可以通过接收机间求一次差分的方法进行消除。相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态和环境不同引起接收机钟和卫星钟产生相对钟差,但其产生的误差一般较小,只有在高精度要求的精密测量中才会引起重视。根据观测成果可知卫星钟比接收机钟快了约 0.5ns,因此可以在设计卫星钟时将其标准频率由原来的 10.23MHz降为 10.23*(1-4.449*10∧10 )MHz。以上改正的基础是假设卫星是沿半径为 26500km的圆做匀速运动,但实际上卫星的运行轨道是椭圆且非匀速的运动,故而在精密定位中还是应考虑由相对论效应引起的误差。信号传播过程中的误差有大气层延迟误差和多路径效应,根据物理学所学习的知识可以知道在非色散介质中,波的传播与频率是不相关的,所以信号相位和信号信息以同样的速度传播。此二者中,有属于系统误差的大气层折射误差和属于偶然误差的多路径效应。对流层对于 GPS信号的频率而言是非色散,所以在对流层中与载波和码相关的信号都被同等延迟相对自由空间传播而言。被延迟量与对流层折射率相关,而折射率又取决于所处环境下的温度、压力和相对湿度。折射率往往同时用干燥(流体静力学的)和潮湿(非流体静力学的)两个分量建模。湿分量与湿度和温度相关,湿度难以估计,要根据气象数据加以分析。二者对于信号传播的影响不同,起决定作用的是干分量占对流层影响的 90%。对流层延迟采用公式 Δ=∫(n-1)ds [4],n 表示折射率,积分在传播路径上进行。对流层延迟误差通过建立延迟模型进行改正,常见的模型有 Hopfield模型和Saastamoinen模型。此二者可有效的消除干分量部分,在卫星高度角大于 35度时,Hopfield 模型求得的对流层延迟量小于 Saastamoinen模型 [5]。电离层延迟误差受地磁场和太阳活动的影响复杂,一天中的变化从几米到几十米不等。目前改正电离层误差的模型主要有经验模型,双频改正模型和实测数据模型三类。GPS 采用的是经验模型中的Klobuchar模型,这是针对单频用户且无其他支持系统时。如果测量时使用双频接收机,则可以采用双频改正模型 [6],经过改正后的定位精度大大提高,一般情况下改正精度可达 99%。电离层对伪距观测量或载波相位观测量所引起的误差大小是相等的,但数值是相反的,测距码信号被延迟,而载波相位观测值则是提前。3无论是电流层还是对流层,二者延迟差与仰角均有一定关系 [7]。采用差分 GPS均可以大幅减弱大气延迟误差,这是因为在一定区域范围内(短基线:d<20km 时尤其明显),大气环境变化小,在同步观测值间求差可以有效削弱电离层、对流层延迟误差。多径是指对所期望信号经发射或散射后的复制品的接收。当多径效应延迟较大时,那么接收机就能跟踪到直达信号,可解的多径对接收机性能的影响就不大,但实际上多径可能只比直达信号延迟很短的时间到达,使接收到的合成信号与本地产生的参考信号之间的相关函数发生畸变。所接收多径相对于直达信号的载波相位将直接影响失真的程度和特性。多路径效应属于偶然误差,不仅与测站周围环境有关,还与卫星高度角等因素有关,现在一般的改进方法,一是建立仿真研究系统,研究多径的特性,根据所研究结果在接收机生产或数据处理过程中加入相应的改正量,二是在观测时选取有利的观测条件,尽量避免将接收机安置在高反射的环境中,在天线周围安装抑径板等。对于海上作业的接收机,则应通过对海面的多径仿真研究,在天线周围加装抑径板,根据接收机的分辨率尽可能降低多路径效应对精度的影响。下图是简化的多路径示意图:图 2-1:多路径效应简化示意图由上述公式和图可知,多路径效应与天线相位中心(航海 GPS的接收机天线一般安装在船的最高处)离反射面的水平距离 D有关,与卫星高度角(入射角)a 有关。海水面是高反射面,这些对于多路径效应的削弱都是不利的。在天线周围根据截止高度角和环路跟踪器的分辨率选择最佳的抑径板半径。但是实际情况要比这复杂得多,首先海面不是一个静止的平面,其次海水所包含的元素使其反射率发生变化。对于一般航海而言,多路径效应产生的等效距离误差为 1.5-5m可以容许,但是高反射率的环境下可能会导致卫星信号失锁,这是应该慎重考虑的。信号接收误差的可控性较强,对于观测误差而言,结合所要求的精度考虑经济效益选用恰当的仪器和观测量(精度要求较高的则选用载波相位作为观测量)。对于为何只有三个未知的位置参数为何至少要观测四颗及以上卫星,就是因为接收机钟差不可知,所以要将其视为一个未知参数,在解算位置参数的同时一起解算钟差参数,为目前解算钟差参数的办法。天线相位中心误差是指天线标称相位中心与真实的相位中心的差异,分为水平偏差和垂直偏差。一般在天线使用前要对天线进行检测,垂直偏差一般发生在天线生产过程中,而水平偏差则可以通过一定的安装手段加以检测得到偏差量。2.2 差分 GPS 原理由上述对 GPS误差的分析可得知 GPS的误差源在时间和空间上有很大的相关性,而差分 GPS的基本原理就算利用这些相关性,通过在已知点设置基准站,对比观测值与已知值,针对不同的差分方式提供不同的参数。根据观测值类型分为伪距差分和载波相位差分;根据基准站数量分单基准站和多基准站差分;根据改正数类型分为坐标差分和距离差分(实际工作中一般采用伪距 [8]);根据覆盖范围分为局域差分和广域差分;根据时效性分实时差分和事后差分。因为港口范围一般较小,在这个较小的范围内,基准站和接收机所处的环境相差不大,采用差分技术可以有效削弱相关性强的误差,比如卫星钟差,星历误差,大气延迟误差等,下述表格是 LADGPS系统(基准站和用户只依靠 L1 C/A码)的误差预算,可以明显看出差分 GPS对测量精度的改进: 4表 2-2:GPS SPS 存在和不存在 LADGPS校正值时的伪距误差预算区间段 误差源 1σ 误差/m单站 GPS 使用 LADGPS空间控制 广播时钟 1.1 0.0L1 P(Y)-L1 C/A 群延迟 0.3 0.0广播星历 0.8 0.1~0.6cm/km*基线长(km)用户 电离层延迟 7.0 0.2~4cm/km*基线长(km)对流层延迟 0.2 1~4cm/km*基线长(km)接收机噪声和分辨率 0.1 0.1多径 0.2 0.3系统 UERE 总计(RSS) 7.1 0.3m+1~6cm/km*基线长(km)注:表中值是假定等待时间误差是可以忽略的,并假定用户和基准站在同一纬度上或是使用了对流层高度差的校正值。3.差分 GPS 应用于港口建设3.1 差分 GPS 在港口工程建设中的应用港口工程是指包含码头、防波堤、船坞等港口设施的新建、改建、维护等工程。港口工程建设的重要环节就是工程测量,港口工程测量与一般工程测量一样,包含勘测设计阶段的测量,港口工程施工控制网的建立以及工程的施工放样。差别在于港口工程测量包含海洋测量的内容,海洋测量的控制点和放样点部分是位于海底,港口工程测量虽与陆地工程测量有相似之处,但也有其特殊性,其特殊性主要表现在 1.水上作业;2.要使用工程船舶;3.预制装配化;4.需要潜水作业;5.受波浪、潮汐、海流影响。港口的位置一般位于河口或海湾内,进行港口工程的建设不仅需要陆地的地形图,还需要多种海洋测量资料。无论是陆上测量还是海洋测量,定位是基础,或者应该说,定位是一切测量的基础。而差分 GPS可以提供满足上述定位的精度要求,港口所采用的差分 GPS,一方面可以可以根据自身需要布设基准站,建立独立的差分系统,另一方面,我国沿海的无线电指向标差分系统 [9]已经投入使用,因此也可以利用这个系统提供的差分信号提高定位精度,其覆盖范围完全可以满足港口建设的范围要求。3.1.1 差分 GPS 在港口工程勘测设计阶段测量工作中的应用进行港口工程的勘测设计,一般要进行地形测量,海洋水文观测,测定海岸泥沙的运动规律,海底底质的调查。港口工程的地形测量,对于陆地上的部分,应用差分 GPS可以比使用传统的测量仪器更方便快捷地完成测绘任务,随着科学和技术的进步,现下一般采用载波相位实时差分技术,仪器轻便,操作简单,适用范围广,只要保证信号的接收就可以准确高效完成地形图的测绘,与一般的陆地地形采用差分 GPS测量一样,在此不加以描述。对于水下地形测量,因其上附有海水层,故而其不同于陆地地形测绘,可以根据肉眼所见的地貌和地物要素特征点进行测绘,而是根据实际需要选用相应的测绘方法。现在有多波束扫描仪结合差分 GPS和自动成图系统可以快速完成海底地形的测绘工作,但是考虑技术水平和经济原则,当下的水下地形测量可以采用断面法测量,根据不同的测图比例尺确定测深断面和测深点的间距,如下表所示:5表 3-1:测图比例尺与测深断面、测深点间距的关系测图比例尺 测深断面间距/m 测深点间距/m 等高距/m1:1000 15~25 12~15 0.51:2000 20~50 15~20 11:5000 80~130 40~80 11:10000 200~250 60~100 1采用差分 GPS作为测深平面定位的方法,首先要确定测量船的测量路线,利用差分 GPS结合测深仪和计算机,使测量船沿指定的路线航行并在指定地点完成测量工作。其包含了以海上为中介的两个同步测量的过程,利用测量船上的差分 GPS接收机测定船的瞬时位置,同时应用海底的水声应答器,同步测定测量船至海底控制点的瞬时距离,而且为了能准确测定船的位置,对于 GPS天线的数量及安装位置也是有相应要求的 [10],仅确定船的位置还是不够的,还要测定船的姿态,利用差分 GPS可以确定测量船的姿态 [11]。的这种测量方法适用于海底地形比较简单的,若对于复杂的海底地形,起伏变化较大的,为保证船舶的航行安全,还要进行扫海测量。通过扫海测量可以获得障碍物的大致位置,再利用差分 GPS获得障碍物的确切位置。3.1.2 港口工程施工控制和放样港口工程控制网的建立,可以用 GPS布设控制网,在利用相应的处理软件完成数据的处理。利用GPS布设控制网的一大优势就是不要求测点间的相互通视,大大减轻了测量的工作量,也能够得到更好的控制网型。采用传统的测量方法,为了满足工程的需要可能还要在控制网的基础上布设特殊的基线或控制网来满足放样要求 [12],但是采用差分 GPS就可以大大减少工作量。对于放样点位位于陆地上的,无疑采用差分 GPS可以准确高效的确定点位,而海上桩点的放样,可以采用差分 GPS结合全站仪完成,这是因为对于港口工程而言,其海上桩点基本是在沿岸地带,根据点位的坐标可以确定全站仪的安置点位,利用差分 GPS放样出全站仪的安置点位,利用全站仪采用前方交会的方法实时观测使打桩船能准确的将桩点安置在指定位置上。考虑到海水运动会影响打桩船的稳定性,除了要测定测量船的姿态,还要选择在海水运动较为平缓的情况下进行打桩作业。 3.2.差分 GPS 在港口运营阶段的应用差分 GPS在港口运营阶段的应用主要有两方面,一是港口工程的变形监测,二是利用差分 GPS结合计算机和通讯技术引导船舶进出港口。3.2.1 差分 GPS 应用于港口工程变形监测港口工程的变形监测是至关重要的,因为港口工程有很多是沿岸建设的,甚至有的工程是部分位于海上的,虽然在建筑物选址的过程中有经过底质的调查,根据底质情况确定构筑物的建筑方法,使之满足强度要求。但是海浪的冲刷,海水的腐蚀,以及不可知的海洋地壳运动都会使工程发生形变,为了构筑物的安全,防微杜渐,保证港口安全运营,必须对港口工程进行变形监测。港口工程的监测内容与一般工程监测一样包含水平位移监测和沉降监测两部分内容,但是对于岸坡这种基础性的重要工程不仅要实时监测,而且根据工程特点其所要的监测内容也更加复杂,包含地表变形监测、地下变形监测、水文监测、环境因素监测、地声监测等。GPS 的高精度的定位功能是其应用于变形监测的根本落脚点,为了能全面监测构筑物的变化情况,需根据构筑物的特点选取监测点,监测构筑物变形监测点在一定时间间隔内的三维位置变化量,确定构筑物的形变量。差分 GPS 在港口工程变形监测中的应用十分广泛,其不受天气影响,在恶劣的环境中依然可以进行实时监测,进行三维连续实时监测,通过将计算机技术和多天线 GPS 相结合建立自动监测系统 [13],可以高效益的实现监6测目的。3.2.2 差分 GPS 引导船舶进出港海上贸易如此繁忙,如何保障在有限的空间下使众多船舶安全进出港口,成为当今港口建设必须考虑的因素。利用差分 GPS结合港口海图,设置船舶进出港口的路线和相应船舶的停靠区域,对船舶进行实时监测,引导船舶安全进出港口,成为港口建设的重要内容。结合电子海图根据设定的航行路线使船舶准确停靠在相应区域,与现在的车载导航仪或手机上的导航软件进行导航的原理相类似 [14]。所以实际工作过程中不是只靠基准站和移动站就能够完成的,这只是必要的硬件,还要加上计算机,无线电通讯设备等硬件和相应的软件才能够完成,要先进行航海GPS的仿真系统研究 [15]但这已超出本文讨论范围故不加以详细论述。在港口建立差分 GPS根据实际情况确定基准站数量,基准站实时提供差分信号,船只通过获得差分信号对实测结果进行改正得到实时,高精度的坐标。设计适用于进出港口的 GPS接收机要具备一些基本功能:(1)港口电子海图显示;(2)坐标转换系统,这是因为 GPS直接得到的是 WGS-84坐标系下的地心坐标,而在进出港口的的电子海图可能采用的是地方坐标系,与 WGS-84坐标存在偏差,如果不对数据进行处理则不能很好的利用数据;(3)航路和航线的设计,通过航路和航线的设计,一方面可以高效管理航路,另一方面在航行过程中根据实时得到的定位数据可以计算航偏,及时改正航向,避免重大事故的发生;(4)监视系统,船舶将自己的实时位置信息通过电文发送到调度中心,调度中心则可以实时监视港口运行状况。对海底地形不熟悉的海域如果安装测深设备,可以避免搁浅。4.结束语差分 GPS在港口建设中的应用涉及多方面的层次,以上只是就几个方面的内容进行简单是理论论述,其实际操作过程要复杂得多,且需考虑更多的因素。其实应用差分 GPS就是因为其相对于其他测量手段的优势,差分 GPS精度高,可以全天候观测,测站间无须通视,覆盖范围广且随着经济的发展其可得性,精确性,完备性有了很大的提高。现实世界中海洋环境变化多端,影响误差的因素复杂多样,在使用 GPS都是经过许多仿真研究后进行信号接收设备的设计,并设计相应的软件对数据进行严格处理,而以上所做的误差分析和应用介绍都是建立在假设海洋环境是稳定的基础上。总之,在不同阶段、区域和领域对 GPS的测量精度要求不同,但目的都是为了以最低的成本实现利益的最大化,在日益繁忙的港口中减小航行交通冲突,保证船舶安全,提高经济效益。7致谢语对于本论文的编写,首先感谢张高兴老师不厌其烦的指导,还要感谢四年以来各位老师对学生的教导,感谢老师。但是在感谢老师之前,我觉得自己应该首先感谢父母和家人,没有她们,我就没有机会站在这里,没有机会进入大学学习,也将不知自己将在何方。这篇论文是学生根据自己所学和所感兴趣的知识,在指导老师的指导下进行认真编写的。但是不可否认,学生所学还是相当不够的,尤其在论文的书写过程中,学生更是发现自己的不足,论文能够完成离不开老师的指导,离不开同学们的帮助,离不开学校所提供的优越环境。所以感谢身边的每一个人,对所拥有的一切我心怀感恩,愿身边的人身体健康,愿世界明天更加美好,也希望自己能拥抱美好的明天。
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