水上施工打桩船的测控方法研究

研究背景

打桩定位是船埠、港口和大型跨海大桥工程修建过程中的重要环节。例如杭州湾大桥、东海大桥、渤海湾大桥等跨海大桥的修建，说明了打桩工程已经不是局限于近岸工程了，远离海岸的大型工程项目也得以实现建设。在如此大型的测量项目中，如果运用传统的打桩定位技术，会大大降低工作效率和数据精度，而对于远离海岸的打桩定位测量，使用经纬仪测量会变得不再便利，限制了交会角度和仪器安排的位置选择等一系列事项，也会使得数据精度大大降低。

研究意义

在一般的海港处的水工建筑物中，其主要结构形式之一就是高桩码头。与其他的码头结构相比，高桩码头的构造轻，能够很好的消除浪声效果，不仅对附近水域环境的各种影响偏小，还能够节约石料的使用量。此外，其开挖能力很深，适用于各种可能沉桩的地基，经常用于港口项目，以实现高质量的方案。在高桩码头施工中桩基施工占了最主要的一部分，而在桩基施工中，其关键是确定桩基的位置，若从传统的桩基施工定位和利用GNSS技术来进行水上打桩定位的探讨，

则两者都有各自的优点。传统的桩基施工定位中，全站仪是完全现代化的测量设备，它有着高精度、自动化、可编程、与电脑通信等特征。有了这些特征的帮助，测量过程将会变得更加快捷和自动化。同时它将在很大程度上避免人为因素造成的计算错误，并实时输出结果；一般情况下只需要一台全站仪进行打桩定位测量，这样在实际操作过程中只需要一个操作人员即可，这将大大加速施工进度，降低成本；同时利用全站仪进行打桩定位可以实时保存测量数据，方便于数据分析的进行。GNSS技术用于的地方越来越多，除了大部分的工程项目中，在控制网建立中，基本上已经完全采用了GNSS施测这一方法，其静态相对值在一个平面中可以精确到1~2cm，而高度可以随着GNSS技术的快速发展达到厘米精度，RTK技术还进一步确保了厘米的快速定位，并且能够快速确定整周模糊度。而且在项目的施工定位中，运用RTK技术能够更迅速的完成项目的各项要求。因此在道路、桥梁施工以及远海岸的打桩定位中其得到了广泛的应用，大大提高了工程项目的效率。

工作原理：

水上打桩作业中常常使用钢箱型结构的船只，这类船只则被称为打桩船。打桩船的甲板顶部装有打桩架，用于适应施打斜桩的需要进行前俯后仰，以达到需求的落桩方向或位置。打桩船在就位时需要用到推（拖）轮牵引。在船埠、船舶停靠地、水利工程建设等作业中打桩船得到了广泛的运用。在港口打桩及水上打桩中，一般的打桩船本身没有动力驱动，主要靠拖船进行大范围移动，在施工区域内的小范围内的移动可以根据锚、缆绳和导缆器的调节来实现，一般打桩船配有平衡水箱用以调节船的姿态，从目前来看，多数打桩船采用的是固定桩架的结构，打桩船在船的纵向上可以倾斜，倾斜的角度可以用相应的仪表测量出来。打桩船的构造比较复杂，与打桩定位测量有关的几个组成部分以及打桩船的主体结构如图：

各数字的意义：①打桩锤；②打桩架；③倾斜螺杆；④替打；⑤龙口；⑥锅

炉；⑦绞车；⑧滑车；⑨桩；⑩经纬仪。

在打桩船的定位系统通常包括GNSS和多种传感器，例如一艘固定桩架打桩船，除了配备2-3套RTK之外，还要配备两个与船纵轴平行的测距仪，这样就要求在桩基的底端开一个大的缺口，而有的船如果开大的缺口，则会造成很大的损害，所以在方案设计中，可以考虑在一侧设置两个测距仪。两个测距机的安装，主要是为了解决桩头在垂直打桩和垂直打桩过程中，在某一高度面上，桩与船的位置会发生改变。

RTK技术

RTK技术是GNSS技术历史上具有划时代意义的一项重要技术，它能在非常广泛的应用范围内，实现多种GNSS工作方式所能完成的测量工作，实现对测量结果的实时获取，减少现场观测和工作周期；它也能实现很多常规的测量方法不能达到的测量项目。RTK测量是利用一个接收器，将其放置于一个已知点，另外用一个或多个接收器放置于待测点（流动站），同时获取同一颗卫星的信号。通过对这些数据的差分，可以减弱和消除轨道误差、钟差、大气误差等误差，提高了卫星的实时定位精度。RTK系统包括参考站点和流动站点，为了便于现场操作，使流动站的体积和重量尽可能地减少，使其更轻更具实用性。从图可以看出，该系统的主要构成是两个或多个GNSS接收器和一个天线，一个对应的数据通信台（一个用于发送），一个测量控制器或便携式移动装置，一个便携式地面测量装置，一个可移动的地面测量装置，一个具有水面测量功能的装置，一个动力装置，一个动态测量软件。

该系统的结构如下：

1.GNSS接收装置。需要将基准站设置在视野开阔的高处且其坐标已知。

2.资料传送制度。它包括参考站的发射端和用户端接收端，是获得实时数据的重要装置，其应用范围与距离有关。

3.软件体系。RTK的测量是由软件控制的，它的主要作用是：全周未知问题的快速求解；WGS-84坐标系下的使用者站三维坐标解算；（基于已知的坐标参数）进行坐标系统变换；分析和评估了计算结果的质量；显示和绘制测量结果。

不同RTK系统对测量结果的质量有一定的影响。RTK器件的好坏直接关系到测量的准确性和结果的可信度。参考站点要克服多路径影响，必须保证参考站点有足够的高度、视野开阔、没有大的反射和无线电波干扰的影响。在已知的基准站坐标条件下，确定一系列的转换参数如坐标、天线高度、通讯参数、观测设定、卫星高度等。

设备推荐

实证分析

RTK系统通常由两个或两个以上的GNSS接收器和天线组成，其中适当数量

的无线电站用于数据通信，测量控制器或移动设备的数量等于测量站的数量或用于测量水、电力设备和测量软件的数量。

在接收GNSS信号和载波相位测量的基础上，参考站通过数据链将观测值、

卫星跟踪状态和观测协调信息发送到移动站；移动工作站使用操作系统数据链接

接收参考站点的信息，然后使用GNSS控制器上的随机实时数据处理软件和本地GNSS观测值形成差分观测值，从而提供点、高度和测量精度的实时坐标，并与预先设定的精度作对比，当测得的准确度达到要求时，电子笔记本会提醒测量员记录下点的坐标和精度。

在测量工作中，流动台可以是静态的，也可以是移动的；可以在已知的位置先进行初始化后，再进行动态操作，或者直接启动，在动态环境中进行全周模糊值的查找和求解。在确定了一周的模糊值后，就可以对每一次的数据进行实时处理，只要能够对4个以上的卫星进行追踪，并进行对所需的几何形状的必要跟踪就可以随时得出待测点的3D坐标。

在利用RTK法进行桩位定位时，由于不能直接对桩位进行直接的控制，因此，使用一种分层定位方法，方法是将GNSS放置在船上，然后以船体为基准，利用无棱镜式激光测距仪测量桩位置。

为了能够控制船体姿态，并且为了能够很好规避船纵横向摆动带来的倾泄量

影响，我们采用了3个GNSS装置进行测量，减小船舶倾角对测量结果的影响，从而提高了桩基的定位精度。在WGS84坐标系下进行GNSS测量，采用七个参量坐标变换的迭代法，实现了WGS84坐标系的坐标变换。在得到工程坐标后，必须对设计高程面桩的坐标进行计算，这就要求将工程坐标转化为船固坐标。

在RTK定桩之前，先查询当天各个时间的观测卫星数量，然后选择合适的时间进行施工。在施工过程中要确保GNSS附近有一个很大的视野。

如果在打桩机附近有通信传输塔、高压电缆等设备，很可能会对RTK信号造成很大的干扰，从而影响到定位的准确性。为了达到这个目的，我们在控制点四周铺设了一种能吸收电波的物质，当安装GNSS参考台时，会实时监控所有的观测卫星的周跳及信噪比，以判断是否有电磁干扰。在施工期间，对高频对讲机等无线电信号的使用受到了严格的限制。