4.8.1概述
采用传统的经纬仪或全站仪进行沉桩定位的方法仅适用于1～2公里测距范围内，对于远海打桩工程，传统的搭设测量平台无论是在定位精度或定位的时效性和经济性上都存在着问题。随着海洋工程的不断发展，大量的远海打桩工程不断出现，这就要求我们开发研制适用于远海工程施工的打桩定位系统，以适应工程建设发展的需要。 全球卫星定位系统（GPS）在最近几年里有了很大的发展。目前，GPS的实时相位差分技术（RTK）已使远至10～20公里的测量定位精度达到厘米级，数据采集率和获得测量成果的实时性都很高。因此，利用GPS技术，辅助以其它测量手段和计算机技术，开发适用于远海工程施工，且具有一定自动化程度的精密的“海工工程GPS远距离打桩定位系统”已成为可能。
为满足现代工程建设需要，并根据远海工程施工的特点，2002年中港第三航务工程局研制了“海工工程GPS远距离打桩定位系统”，其基本定位原理是：首先以GPS作为基本定位仪器对打桩船进行定位，在此基础上，配合辅助测量设备对施打桩的桩位进行精确定位，以提高系统的定位精度。它具有如下几个主要功能：
1、“系统”能实现离岸（或离GPS参考台）20公里左右的工作距离，常年有效工作距离在10公里以上。
2、“系统”工作的坐标系统可根据需要进行坐标系统的转换。如平面为北京54系，高程为当地大地水准面系统；或平面和高程均为独立的坐标系统等。具体视施工区域中设计给定的坐标系而定。 3、 实现定位过程中数据的自动化处理，即打桩定位过程中的桩中心平面位置的定位、桩顶标高的控制及贯入度的计算等一系列实时定位信息的处理均由“系统”自行完成。
4、 定位过程将原来的由岸上测量人员来指挥驾船人员进行移船操作，改为由移船操作人员直接根据计算机屏幕的显示或提示自行完成移船定位操作，减少定位过程的中间环节，提高移船定位操作的直观性和便利性。
计算机屏幕能同时以图象及数字的形式反映出施打桩的设计位置及该桩的主要设计参数（包括设计的桩中心坐标、桩顶标高、平面扭角、倾斜度等），以及停锤标准（包括标高控制标准和贯入度控制标准）和当前施打桩的实时位置及主要实时参数（如桩中心坐标偏差、桩顶标高偏差、平面扭角偏差、实时倾斜度、实时贯入度等），便于操作人员进行对照比较，调整船位，准确定位。
5、“系统”具有较高的定位精度。根据理论计算和实测对比，“系统”的平面定位精度可达5厘米以内，满足现行规范对相应条件下打桩允许偏位的要求。
6、打桩结束后，计算机将能提供一份标准格式的打桩记录表。
4.8.2 GPS远距离打桩定位原理
4.8.2.1 GPS坐标系统与实时船体坐标系统的关系 1、GPS坐标系统
GPS坐标系统（即WGS84坐标系统），是原点在地心的空间三维直角坐标系。WGS84坐标系统中的点位一般采用直角坐标（X G，Y G，Z G）或大地坐标（B G，L G，H G）表示，其中B、L、H分别为大地纬度、经度和大地高程。WGS84坐标系的参考椭球其长半径为6378137米，扁率为1/298.257223563。
在“海工工程GPS远距离打桩定位系统”中，由GPS实时测量得到的未经转换的GPS 天线的位置是以WGS84坐标系统的大地坐标形式表示的。
2、 地方坐标系统
地方坐标系统与WGS84坐标系统的定义相同，但原点和坐标轴的方向与WGS84系统不同。地方坐标系统中的点位一般采用直角坐标（X D，Y D，Z D）或大地坐标（B D，L D，H D）表示，其中B、L、H分别为大地纬度、经度和大地高程。
“海工工程GPS远距离打桩定位系统”的地方坐标系统，一般采用我国54国家坐标系统，即北京54系统。北京54系统与WGS84坐标系统之间在一定区域具有固定的关系，可通过严密的数学公式建立两者之间的关系，并可作相互转换。北京54坐标系的参考椭球其长半径为6378245米，扁率为1/298.3。
3、工程坐标系统
工程坐标系统一般采用二维平面直角坐标系统，工程坐标系统中的点位坐标以（X P，Y P）表示。工程坐标系统的原点可根据工程的需要设定。“海工工程GPS远距离打桩定位系统”中的工程坐标系统大多数是直接由地方坐标系统的大地坐标按高斯投影方法得到，少数情况下，如工程坐标系为独立的坐标系统，则需要进行平面坐标的转换。一般情况下，设计部门会给出工程坐标系统与地方坐标系统之间的固定联系，可通过严密的数学公式建立两者之间的相互转换关系。
4、实时船体坐标系统
实时船体坐标系统是建立在船体上的二维平面直角坐标系统，实时船体坐标系统中的点
位采用二维直角坐标（X C，Y C）表示。实时船体坐标系统的X轴，定义为船体的中轴线，方向由船头指向船尾，理想情况下，桩的中心点是处于X轴线上的；坐标原点为X轴与GPS2及GPS3两天线连线在坐标系平面上的交点C0；Y轴与船甲板平面平行；实时船体坐标系的平面高程，定义于安装在船上的两台免棱镜测距仪的位置上，所构成的实时船体坐标系统C0–X C Y C为左手坐标系统。
实时船体坐标系统是建立在运动的船体之上的“瞬间”坐标系统，与其他几种坐标系统不同，实时船体坐标系平面的位置会随船体位置的变化而变化。影响实时船体坐标系统位置和方向的因素包括船体位置、扭角、船体高度、船体的纵向俯仰及横向摇摆等。所有这些变化因素均可由安装在船上的三台GPS仪器的观测值来推求。见图4.8－1
图4.8－1 实时船体坐标系示意图
5. 标准船体坐标系统
标准船体坐标系统是实时船体坐标系统的一个特例。即标准船体坐标系统是当船体中轴线的高度与方
向与设计桩顶标高和扭角方向相同，同时船体处于水平状态时的实时船体坐标系统。因此，标准船体坐标系统也是二维平面直角坐标系统，系统中的点位采用二维直角坐标（X B，Y B）表示。标准船体坐标系统与实时船体坐标系统之间的坐标轴方向相同，标准船体坐标系统的原点处于实时船体坐标系统原点的垂直线上。两坐标系统之间的关系取决于船体的纵倾、横倾和高程。
6、 坐标系统的转换
由于桩体设计位置、GPS实时测量结果、固定安装在船上的测距仪位置、实时测定的桩体位置及其在屏幕上的位置显示等都是在不同的坐标系统中表达的，因此建立上述各坐标系统之间的相互转换关系是必须的。
坐标系统之间的转换关系是一组反映两个坐标系统的坐标分量之间换算关系的数学公式。大多数的坐标转换关系可以由转换矩阵来表示。下面分别说明之。
（1） GPS坐标系统与地方坐标系统的转换（TRGD）
GPS坐标系统至地方坐标系统的转换，也即通常的WGS84系至北京54系的转换，简写为TRGD转换。TRGD的转换关系可按布尔莎模型进行。
在TRGD的坐标转换关系式中，共有3个平移参数（ΔX D，ΔY D，ΔZ D）、3个旋转参数（ωX，ωY，
ωZ）和1个尺度参数ρ，共7个参数，这些参数一般在施工区域的GPS网的平差结果中给出，并可作为工程参数提供给“系统”的数据处理软件，作为“系统”进行TRGD的转换的参数依据。
（2） 地方坐标系统与工程坐标系统的转换关系（简写为TRDP）
地方坐标系统转换为工程坐标系统的过程可分解为以下3个过程：
①将直角坐标（X D，Y D，Z D）转换为大地坐标（B D，L D，H D）（简写为TRDP-A）
② 将大地坐标（B D，L D，H D）进行高斯投影计算，转换为平面坐标加高程的坐标形式（x D，y D，H D）（简写为TRDP-B），此处x D，y D是平面二维直角坐标系统中的坐标。
③ 将（x D，y D）转换为工程坐标系统的坐标（X P，Y P）（简写为TRDP-C），（x D，y D）和（X P，Y P）都是平面直角坐标系统中的坐标，可采用平面坐标转换公式进行计算。
TRDP-C中的2个平移参数(ΔX P,ΔY P)和1个旋转参数(αDP)一般由设计给出，并作为工程参数提供给“系统”软件。这3个参数也可能同时为0，此时，工程坐标系统与地方坐标系统的原点及轴线在平面上重合。
（3）实时船体坐标系统与标准船体坐标系统的转换关系（简写为TRCB）
根据定义，这两个坐标系统之间的关系取决于船体的纵倾、横倾和船体的高程。两者之间的关系如图2所示：
图4.8-2中，两坐标系统的X轴夹角为Δn，并取船体俯倾时为正。两坐标系统Y轴的夹角为Δm，取船体右侧低倾时为正，图2中的侧倾角为负。Δn与Δm由三台GPS的实时高差观测值来组合求解。
实时船体坐标系统中的一点P C（X C，Y C）沿垂线方向投影到标准船体坐标系统的P B（X B，Y B）上。两坐标系统中的坐标可按一定关系进行转换。
X
C
图 4.8-2 实时船体坐标系与标准船体坐标系的关系图 （4） 标准船体坐标系统与工程坐标系统的转换（简写为TRBP）
标准船体坐标系统与工程坐标系统都是平面直角坐标系统，将（X B，Y B）转换为（X P，Y P）的计算公式与TRDP-C转换公式类似。
不同的是公式中的2个平移参数（ΔX P,ΔY P）和1个旋转参数（αＢＰ）需要根据GPS测量结果计算。
4.8.2.2 实时船体坐标系中桩中心位置的计算
1、 GPS与实时船体坐标系统的关系计算
为实现GPS对船体的控制，需确定GPS天线在实时船体坐标系中的坐标。GPS天线相对于船体的关系是固联的，这一关系不随船体的运动而改变。在本“系统”中，是利用三台GPS仪器对船体位置实施控制的
2、 船体的纵倾与横倾角的计算
船体的纵、横向倾角由安装在船上的三台GPS高程观测值经计算得到。需要注意的是，计算前应首先将三台GPS的高程观测值归算到实时船体坐标系平面上的高程值H GC，即将三台GPS天线的实时高程减去仪器安装高度后得到的三台GPS天线在实时船体坐标系平面上的高程H G1C、H G2C及 H G3C。这里，仪器的安装高度是指GPS天线的高度位置至实时船体坐标系平面的距离。
其中，船体的纵倾角Δn由GPS1和GPS3的高程观测归算值经推算解得；船体的横倾角
gps组合
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