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    GPS在特長線引水施工控制網(wǎng)測量中的應用

    2010-12-31 13:21:52賈曉堂
    東北水利水電 2010年3期
    關鍵詞:尾部接收機隧洞

    賈曉堂

    (遼寧省水利水電勘測設計研究院,遼寧 沈陽 110006)

    1 概述

    隨著現(xiàn)代測繪科學技術的不斷發(fā)展,GPS定位技術已經(jīng)成為現(xiàn)代工程勘測設計中的一種重要手段。較之常規(guī)測量方法,GPS不受通視和天氣狀況的影響,勞動強度低,數(shù)據(jù)精度高,并且大大縮短了設計周期,降低了設計成本,在高等級施工控制網(wǎng)測量中得到了廣泛應用。

    遼寧省大伙房水庫輸水應急入連工程以碧流河水庫為界,分為碧流河水庫北段工程和碧流河水庫南段工程。碧流河水庫北段工程輸水線路全長165.07km,包括輸水管線150.96km、輸水隧洞14.11km,線路主要途經(jīng)遼陽(遼陽縣)、鞍山市(千山區(qū)和海城市)、營口市(老邊區(qū)、大石橋和蓋州市)。

    按照業(yè)主要求,平面控制測量以D級GPS網(wǎng)為首級控制網(wǎng),坐標系統(tǒng)采用1954年北京坐標系,中央子午線123°。

    2 測量方案

    為滿足管線施工放樣的需要,保障施工順利進行,根據(jù)工程建筑總體布局和地形情況,沿管線走向,間距3km左右布設兩個控制點,此兩點間距離控制在500m以上,并能夠通視。

    以隧洞為分界,沿線路走向布設兩個GPS網(wǎng),管線頭部至隧洞進口段布設一個D級GPS網(wǎng),網(wǎng)中點數(shù)為91,聯(lián)測國家已知三角點4個;隧洞出口至管線尾部段再布設一個D級GPS網(wǎng),網(wǎng)中點數(shù)為29,聯(lián)測國家已知三角點3個。

    本次外業(yè)工作對在本項目初步設計階段布置的部分控制網(wǎng)點進行了連測,管線頭部至隧洞進口段連測了GCZQ,D6,DGH,LYD,D15;隧洞出口至管線尾部段連測了QJNS,G14,G17,G20,XS,QGS,為控制網(wǎng)間的銜接和統(tǒng)一提供數(shù)據(jù)支持。

    3 GPS點位的埋設

    所有控制點均埋設鋼筋混凝土標石,該地區(qū)多年最大凍土深度不超過1.2m,故選用標石規(guī)格為15cm×15cm×150cm,保證埋設深度均不小于凍土層以下0.1m,地面露出0.1m,以便于現(xiàn)場查找。位于標石頂部的鋼筋十字中心即為標心。

    4 觀測方法

    此次布設的GPS網(wǎng)采用4臺Leica SR530雙頻GPS衛(wèi)星接收機和4臺Trimble R7雙頻GPS衛(wèi)星接收機同時進行靜態(tài)作業(yè)。GPS作業(yè)的基本技術要求見表1。

    表1 GPS作業(yè)的基本技術要求

    在GPS觀測前,首先根據(jù)測區(qū)中心的概略經(jīng)緯度和高程以及較新的星歷進行預報,根據(jù)預報選擇最有利的觀測時間,提高作業(yè)效率。野外作業(yè)時,根據(jù)接收機的臺數(shù),還有天氣、交通車輛和GPS圖形編制每天的觀測計劃,并依照實際作業(yè)的進展情況對觀測計劃進行必要的調(diào)整。

    按照觀測計劃各組人員需按時到達指定的點位,并做好儀器安置和開機的準備工作,開機后應認真量取記錄儀器高,GPS接收機開始記錄數(shù)據(jù)后應時刻注意接收機的工作狀態(tài),包括PDOP、信噪比、接收信號的類型和數(shù)量、存儲容量、電池余量等,發(fā)現(xiàn)異常及時處理。在觀測過程中,觀測者不得離開測站,應防止人和其它物體震動或碰動天線以及遮擋衛(wèi)星信號。儀器工作正常后,應及時填寫GPS測量手簿中各項內(nèi)容,觀測結(jié)束后再量取記錄一次儀器高。每日觀測結(jié)束后,應及時將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存或備份,確保觀測數(shù)據(jù)不丟失。GPS外業(yè)觀測采用靜態(tài)相對定位的方式。

    5 數(shù)據(jù)處理

    5.1 基線解算

    在解算基線之前,對外業(yè)采集的數(shù)據(jù)進行全面檢查,包括測站名、天線高輸入是否正確、衛(wèi)星信號是否正常、有效觀測時段是否滿足等。

    解算軟件采用LeicaSR530GPS接收機的隨機解算軟件LEICA Geo Office Combined6.0,并采用廣播星歷,雙頻相位觀測值L1,L2,雙差組合觀測量,GPS網(wǎng)的基線結(jié)果采用雙差固定解。基線向量解算采取軟件自動處理的方法進行,適當輔以人工干預模式。手工處理模式時,通過對基線殘差的分析,采用數(shù)據(jù)的開窗處理技術,截取合適的時間段,刪除亞健康狀態(tài)的衛(wèi)星。解算后得到各基線向量值及其方差陣后,進行同步環(huán)、重復觀測邊以及異步觀測環(huán)的檢核,對超限基線予以刪除或進行野外返工。在刪除含有較大誤差的多余基線向量后,管線頭部至隧洞進口段平面網(wǎng)共獲得符合相對質(zhì)量指標的基線493條,隧洞出口至管線尾部段平面網(wǎng)共獲得符合相對質(zhì)量指標的基線175條。

    5.2 基線質(zhì)量分析

    GPS相鄰點間弦長精度用下式表示:

    式中 σ—GPS基線向量的弦長中誤差,mm;a—GPS接收機標稱精度中的固定誤差,mm;b—GPS接收機標稱精度中的比例誤差系數(shù),mm/km;d—GPS網(wǎng)中相鄰點間的空間距離,km。

    對于管線頭部至隧洞進口段,σ=23.2mm;對于隧洞出口至管線尾部段,σ=19.3mm。

    (1)重復觀測邊的檢核

    對于重復觀測邊任意兩個時段的成果互差,均應小于相應等級規(guī)定精度,即ds≤2σ。

    對于管線頭部至隧洞進口段,ds≤2σ=65.6mm,網(wǎng)中ds最大值為20mm,滿足限差要求。

    對于隧洞出口至管線尾部段,ds≤2σ=54.6mm,網(wǎng)中ds最大值為19mm,滿足限差要求。

    (2)環(huán)閉合差的檢核

    對于管線頭部至隧洞進口段:

    W(x,y,z)≤3·σ=120.6mm,網(wǎng)中W(x,y,z)max=55mm,滿足限差要求。

    對于隧洞出口至管線尾部段:

    W(x,y,z)≤3·σ=100.3mm,網(wǎng)中W(x,y,z)max=39mm,滿足限差要求。

    6 GPS網(wǎng)平差

    6.1 WGS84坐標系下三維無約束平差

    GPS網(wǎng)的三維無約束平差是在地心坐標系WGS84坐標下進行的,其目的:(1)提供全網(wǎng)平差后的WGS84系的三維空間坐標;(2)考察GPS網(wǎng)有無殘缺的粗差基線向量,即網(wǎng)的內(nèi)符合精度。無約束平差的觀測值均為GPS觀測值,通過多次試探分析,刪除網(wǎng)內(nèi)含有較大誤差的基線,把剩下的基線全部參與三維無約束平差,得到三維無約束平差成果。成果精度統(tǒng)計見表2。

    表2 三維無約束平差邊長相對精度統(tǒng)計

    由以上分析可知,兩個GPS網(wǎng)的內(nèi)符合精度完全達到D級GPS網(wǎng)的精度要求。

    6.2 1954年北京坐標系二維約束平差

    首先對已連測的國家三角點的1954年北京坐標系坐標兼容性進行檢核。若兩點之間的邊長相對中誤差小于1/15萬,可認為兼容,即可利用其進行1954年北京坐標系二維約束平差,否則,應考慮采用 “一點一方位”的方式進行二維約束平差。經(jīng)計算得知,對于管線頭部至隧洞進口段,東堡東(DBD,國家Ⅲ等三角點)至連云島(LYD,國家Ⅰ等三角點)的邊長相對中誤差為1/37.1萬,所以利用這兩個點的北京54坐標進行二維約束平差;而對于隧洞出口至管線尾部段,曲家屯南山(QJNS,國家Ⅰ等三角點)至杏山(XS,國家Ⅰ等三角點)的邊長相對中誤差為1/15.7萬,利用這兩個點的北京54坐標進行二維約束平差。二維約束平差成果精度統(tǒng)計見表3。

    表3 二維約束平差邊長相對精度統(tǒng)計

    對于管線頭部至隧洞進口段,最弱點點位中誤差4.3mm(PDL);對于隧洞出口至管線尾部段,最弱點點位中誤差5.6mm(L83,L84)。從表2可以看出,兩個GPS網(wǎng)的二維約束平差成果精度完全達到D級GPS網(wǎng)的精度要求。

    7 工程坐標計算

    由長度歸算至參考橢球面和投影至高斯平面改正公式,得長度相對誤差公式

    根據(jù)上述公式計算管線沿途的變形量,以使管線各處施工放樣時的變形量最小為基本原則,確定兩個網(wǎng)工程坐標的中央子午線。同時,根據(jù)聯(lián)系測量的結(jié)果,計算本控制網(wǎng)的工程坐標與可研、設計階段的控制網(wǎng)的坐標轉(zhuǎn)換參數(shù),對全部管線拐點設計坐標進行轉(zhuǎn)換計算。

    對于管線頭部至隧洞進口段,測區(qū)邊界部位(L56)長度投影變形達到4.7cm/km,可見采用高斯投影3°帶坐標,測區(qū)邊界部位高斯投影改正過大,不能滿足施工放樣的需要。為了與已建立的隧洞段施工控制網(wǎng)銜接,將管線頭部至隧洞進口段平面控制網(wǎng)北京54(123°帶)坐標以隧洞進口觀測墩J1為基點進行平移,平移值△X=-0.060m,△Y=-0.046m然后再將所有的1954年北京坐標系坐標換帶由123°帶換算到122°23′,由此得到管線頭部至隧洞進口段控制點的工程坐標。經(jīng)過換帶后,測區(qū)邊界部位長度投影變形值不到2.0cm/km,滿足《工程測量規(guī)范》中測區(qū)內(nèi)長度投影變形不大于2.5cm/km的要求。

    對于隧洞出口至管線尾部段,該測區(qū)邊界部位長度投影變形值小于1cm/km,滿足要求。為了與已建立的隧洞段施工控制網(wǎng)銜接,將隧洞出口至管線尾部段平面控制網(wǎng)北京54(123°帶)坐標以隧洞出口觀測墩C-1為基點平移,平移值△X=-0.221m,△Y=-0.142m,由此得到隧洞出口至管線尾部段的工程坐標。

    8 結(jié)語

    (1)大伙房水庫輸水應急入連工程管線施工控制網(wǎng)測量的順利完成,是采用GPS靜態(tài)定位技術建立特長帶狀平面控制網(wǎng)的成功嘗試,該網(wǎng)觀測方案合理,觀測數(shù)據(jù)可靠,數(shù)據(jù)處理正確合理。證明了應用GPS技術施測特長帶狀平面控制網(wǎng)效率高、精度好。

    (2)雙頻GPS接收機可以有效削弱電離層折射影響,同時能有效探測和修復整周跳變。

    (3)由于外業(yè)觀測儀器較多,控制網(wǎng)點也較多,所以在出測前應進行衛(wèi)星可見預報分析,做好GPS網(wǎng)型設計及外業(yè)觀測調(diào)度工作。避免出現(xiàn)長短邊、無檢核條件點連式網(wǎng)型等現(xiàn)象發(fā)生。

    (4)在進行基線解算時要進行人為干預處理掉基線中的殘余粗差,剔除掉超限基線,然后才能進行整網(wǎng)平差計算。

    (5)在進行二維約束平差時,常會遇到所連測已知點之間不兼容的情況,在平差前應該對起算點坐標進行兼容性分析,避免因為起算點不兼容而引起GPS網(wǎng)變形,降低GPS網(wǎng)的內(nèi)符合精度和GPS網(wǎng)平差成果精度。

    (6)在工程坐標計算問題上應該具體問題具體分析,為了使整個引水工程各個設計階段的坐標數(shù)據(jù)和諧統(tǒng)一,有必要將本施工控制網(wǎng)與原有初設、可研階段控制網(wǎng)相銜接,做法是將坐標進行平移,然后進行換帶計算,從而得到施工控制網(wǎng)工程坐標。

    [1]李征航,黃勁松.GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M].武漢:武漢大學出版社,2005.

    [2]張勤,李家權等.GPS測量原理及應用[M].北京:科學出版社,2005.

    [3]張正祿,等.工程測量學[M].武漢:武漢大學出版社,2006.

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