GPS測(cè)量在南水北調(diào)線性工程中的應(yīng)用

熊 別,張清明,汪小雷

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司第五分局,成都,610225)

1 GPS測(cè)量技術(shù)的發(fā)展

1.1 GPS系統(tǒng)的建立

1973年12月,美國(guó)國(guó)防部批準(zhǔn)陸、海、空三軍聯(lián)合研制新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)NAVSTAR/GPS,全稱“NavigationSatelliteTimingandRaning/GlobalPositioningSystem”,其意為“衛(wèi)星測(cè)時(shí)測(cè)距導(dǎo)航/全球定位系統(tǒng)”,簡(jiǎn)稱GPS系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng),具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的導(dǎo)航、定位和定時(shí)的功能,能為用戶提供精密的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間。自1974年以來,GPS計(jì)劃經(jīng)歷了方案論證(1974～1978年),系統(tǒng)論證(1979～1987年),生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)(1988～1993年)三個(gè)階段。整個(gè)系統(tǒng)分為衛(wèi)星星座、地面控制和監(jiān)測(cè)站、用戶設(shè)備三大部分,GPS系統(tǒng)由此為基礎(chǔ)改建而成。

1.2 GPS系統(tǒng)的組成

GPS系統(tǒng)包括空間部分(GPS衛(wèi)星星座)、地面控制部分(地面監(jiān)控系統(tǒng))和用戶部分(GPS信號(hào)接收機(jī))。

1.2.1 空間部分。由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成,分布在6個(gè)傾角為55°的軌道上繞地球運(yùn)行,能使全球任何地方、任何時(shí)間都可以觀測(cè)到四顆以上的衛(wèi)星,并能保持良好定位解算精度的幾何圖形(DOP),從而提供了在時(shí)間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰Α?/p>

1.2.2 地面控制部分。由分布在全球的若干個(gè)跟蹤站所組成的監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成,包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站。主控站對(duì)地面監(jiān)控部分實(shí)行全面控制,收集各監(jiān)控站對(duì)GPS衛(wèi)星的全部觀測(cè)數(shù)據(jù),利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算每顆GPS衛(wèi)星的軌道和衛(wèi)星鐘改正值。注入站是在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí),把導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入到衛(wèi)星。監(jiān)控站設(shè)有GPS用戶接收機(jī)、原子鐘、收集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的傳感器和進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理的計(jì)算機(jī),能取得衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送至主控站。

1.2.3 用戶部分。由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備組成,作用是接收GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào),利用這些信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位等工作。

1.3 GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.3.1 定位精確高。一般雙頻GPS接收機(jī)基線解算精度為5mm+1ppm,而紅外儀標(biāo)稱精度為5mm+5ppm,GPS測(cè)量精度與紅外儀相當(dāng)。經(jīng)應(yīng)用實(shí)踐證明,GPS相對(duì)定位精度在50km內(nèi)可達(dá)10-6,100km～500km可達(dá)10-7,1000km以上可達(dá)10-9,隨著距離的增長(zhǎng),GPS測(cè)量?jī)?yōu)越性愈加突出。

1.3.2 觀測(cè)時(shí)間短。目前,20km以內(nèi)相對(duì)靜態(tài)定位,僅需15min?？焖凫o態(tài)相對(duì)定位測(cè)量時(shí),當(dāng)每個(gè)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站相距在15km以內(nèi)時(shí),流動(dòng)站觀測(cè)時(shí)間只需1min～2m in;動(dòng)態(tài)相對(duì)定位時(shí),流動(dòng)站發(fā)出觀測(cè)1min～2m in,然后可隨時(shí)定位,每站觀測(cè)僅需幾秒。

1.3.3 測(cè)站間無需通視。GPS測(cè)量不要求測(cè)站之間互相通視,只需測(cè)站上空開闊即可,因此可節(jié)省大量的造標(biāo)費(fèi)用。由于無需點(diǎn)間通視,點(diǎn)位位置根據(jù)需要可稀可密,使選點(diǎn)工作甚為靈活,也可省去經(jīng)典大地網(wǎng)中的傳算點(diǎn)、過渡點(diǎn)的測(cè)量工作。

1.3.4 可提供三維坐標(biāo)。經(jīng)典大地測(cè)量將平面與高程采用不同的方法分別施測(cè),GPS可同時(shí)精確測(cè)定測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)。目前GPS水準(zhǔn)可滿足四等水準(zhǔn)測(cè)量的精度。

1.3.5 操作簡(jiǎn)便。隨著GPS接收機(jī)的不斷改進(jìn),自動(dòng)化程度越來越高,接收機(jī)體積越來越小,重量越來越輕,極大地減輕測(cè)量工作人員的工作緊張程度和勞動(dòng)強(qiáng)度,使野外工作變得輕松愉快。

1.3.6 全天候作業(yè)。GPS觀測(cè)可以在一天的任何時(shí)間連續(xù)進(jìn)行,不受氣候的影響。

1.3.7 功能多,應(yīng)用廣。GPS系統(tǒng)不僅可用于測(cè)量、導(dǎo)航,還可用于測(cè)速、測(cè)時(shí)。測(cè)速的精度可達(dá)0.1m/s,測(cè)時(shí)的精度可達(dá)幾十毫微秒,其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。

2 GPS測(cè)量在南水北調(diào)工程中的應(yīng)用

南水北調(diào)中線一期總干渠漳河北至古運(yùn)河南段中線工程元氏段,位于元氏縣境內(nèi),起點(diǎn)在龍正村西,樁號(hào)為196+997.10m,終點(diǎn)位于元氏縣與鹿泉市交界處,樁號(hào)為212+180.00m,標(biāo)段長(zhǎng)度15.1829km,內(nèi)有交叉建筑物28座。

本次測(cè)量采用6臺(tái)科力達(dá)風(fēng)云K 9 GPS雙頻接收機(jī),進(jìn)行GPS靜態(tài)施工控制測(cè)量作業(yè)。

2.1 布網(wǎng)方案

GPS控制網(wǎng)是實(shí)施GPS測(cè)量的基礎(chǔ)性工作,它應(yīng)在精確性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面尋求GPS控制網(wǎng)的最佳方案。根據(jù)GPS測(cè)量特點(diǎn)分析可知,GPS網(wǎng)需要以一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)為定位基準(zhǔn),而此點(diǎn)的精度高低直接影響到網(wǎng)中各基線向量的精度和網(wǎng)的最終精度。同時(shí),由于GPS網(wǎng)的精度與網(wǎng)的幾何圖形結(jié)構(gòu)無關(guān),且與觀測(cè)權(quán)相關(guān)甚小,而影響精度的主要因素是網(wǎng)中各點(diǎn)發(fā)出基線的數(shù)目及基線的權(quán)陣。因此,GPS網(wǎng)的優(yōu)化主要?dú)w結(jié)為兩方面:GPS網(wǎng)基準(zhǔn)化的優(yōu)化;GPS網(wǎng)圖形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)化。加密前的首級(jí)控制點(diǎn)分布見圖1。

圖1 南水北調(diào)元氏段首級(jí)控制點(diǎn)分布圖

由圖1和線性工程本身情況,本次GPS加密網(wǎng)應(yīng)采用獨(dú)立觀測(cè)邊構(gòu)成閉合圖形,如三角形、多邊形或附合線路,以增加檢核條件,提高網(wǎng)的可靠性。GPS網(wǎng)作為測(cè)量控制網(wǎng),其相鄰點(diǎn)間基線向量的精度,應(yīng)分布均勻,并盡量與原有地面控制點(diǎn)相結(jié)合,重合點(diǎn)一般不少于3個(gè)(不足時(shí)應(yīng)聯(lián)測(cè)),且在網(wǎng)中分布均勻,以可靠地確定GPS網(wǎng)與地面之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。為了便于GPS的測(cè)量觀測(cè)和水準(zhǔn)聯(lián)測(cè),減少多路徑影響,GPS網(wǎng)點(diǎn)設(shè)在視野開闊和交通便利的地方。同時(shí)為了便于用經(jīng)典方法聯(lián)測(cè)或擴(kuò)展,GPS網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)通視條件要好。GPS網(wǎng)還必須由非同步獨(dú)立觀測(cè)邊構(gòu)成若干個(gè)閉合環(huán)或附和線路。

根據(jù)本次施工要求,需對(duì)標(biāo)段內(nèi)15個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行加密,以滿足施工測(cè)量、放樣的需要。本次加密點(diǎn)間距300m左右,相鄰點(diǎn)要求相互通視,沿渠道方向交替布設(shè),加密點(diǎn)距渠道中心線120m左右。本次布置要求充分考慮到后期防止控制點(diǎn)被破壞和全站儀施工的方便。

GPS測(cè)量的基本方法有點(diǎn)連式、邊連式和網(wǎng)連式三種,點(diǎn)連式所構(gòu)成的圖形幾何強(qiáng)度太弱;網(wǎng)連式布網(wǎng)冗贅,工作量太大;邊連式布網(wǎng)有太多的非同步閉合條件,工作量適中。根據(jù)D級(jí)GPS網(wǎng)的要求,我們采用同步擴(kuò)展邊連式布網(wǎng)方法,構(gòu)成異步環(huán)和復(fù)測(cè)邊。異步環(huán)具有良好的自檢能力,能有效地發(fā)現(xiàn)觀測(cè)成果的粗差,確保網(wǎng)的可靠性;復(fù)測(cè)邊連接時(shí)幾何強(qiáng)度較高。同時(shí)在滿足精度的基礎(chǔ)上,盡量減少人力、物力、財(cái)力。加密后的施工控制網(wǎng)布置見圖2。

圖2 南水北調(diào)元氏段加密控制點(diǎn)分布圖

2.2 選點(diǎn)與埋標(biāo)

由于GPS測(cè)量觀測(cè)站之間不一定要求相互通視,而且網(wǎng)的圖形結(jié)構(gòu)也比較靈活,所以選點(diǎn)工作比常規(guī)控制測(cè)量簡(jiǎn)便。但由于點(diǎn)位的選擇對(duì)于保證觀測(cè)工作的順利進(jìn)行和保證測(cè)量結(jié)果的可靠性有著重要意義,所以在選點(diǎn)工作開始前,除收集和了解有關(guān)測(cè)區(qū)地理情況,決定其適宜的點(diǎn)位外,還應(yīng)遵守以下原則:(1)點(diǎn)位應(yīng)設(shè)在易于安裝接收設(shè)備、視野開闊的較高點(diǎn)上;(2)點(diǎn)位目標(biāo)要顯著,視場(chǎng)周圍15°以上不應(yīng)有障礙物,以減小GPS信號(hào)被遮擋或被障礙物吸收;(3)點(diǎn)位應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源(如電臺(tái)、微波站等),其距離不小于200m;遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無線電信號(hào)傳送通道,其距離不得小于50m。以避免電磁場(chǎng)對(duì)GPS信號(hào)的干擾;(4)點(diǎn)位附近不應(yīng)有大面積水域或強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號(hào)接收的物體,以減弱多路徑效應(yīng)的影響;(5)點(diǎn)位應(yīng)選在交通方便,有利于其他觀測(cè)手段擴(kuò)展與聯(lián)測(cè)的地方;(6)地面基礎(chǔ)穩(wěn)定,易于點(diǎn)的保存。

2.3 野外作業(yè)

進(jìn)行GPS測(cè)量作業(yè)時(shí),一方面要考慮經(jīng)濟(jì)問題,目的在于縮短野外作業(yè)時(shí)間,節(jié)約資金,使測(cè)量費(fèi)用指標(biāo)達(dá)到最優(yōu);另一方面,要有較多的多余觀測(cè),以提高觀測(cè)成果的精度和可靠性。同時(shí),還必須考慮各待測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位精度的均勻性和各觀測(cè)時(shí)段的獨(dú)立性。

本次觀測(cè),使用6臺(tái)GPS接收機(jī)同時(shí)在6個(gè)GPS點(diǎn)上進(jìn)行,保證同步觀測(cè)時(shí)間為45m in以上,測(cè)量精度為3mm+1ppm,數(shù)據(jù)采樣間隔為15s。測(cè)量時(shí)間達(dá)到要求后,2臺(tái)GPS接收機(jī)位置不動(dòng),移動(dòng)其它4臺(tái)GPS接收機(jī)到前進(jìn)方向的4個(gè)GPS控制點(diǎn)進(jìn)行下一輪測(cè)量,依次類推完成測(cè)量任務(wù)。

2.4 平差處理

在外業(yè)測(cè)量完畢后,將測(cè)量數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)平差計(jì)算。測(cè)區(qū)的投影帶與上級(jí)控制網(wǎng)一致,即1954年北京坐標(biāo)系1°分帶,中央子午線為114°,X加常數(shù)=0km,Y加常數(shù)=500km。

首先對(duì)觀測(cè)基線進(jìn)行處理,當(dāng)基線滿足限差要求時(shí),說明組成基線向量網(wǎng)的所有基線解算質(zhì)量合格、成果可靠。否則,需刪除不好的衛(wèi)星、時(shí)間段,并剔除含有粗差的基線邊,不讓其參與平差?？刂凭W(wǎng)取獨(dú)立基線后共構(gòu)成427個(gè)閉合環(huán),其中同步環(huán)290個(gè),異步環(huán)137個(gè),閉合環(huán)相對(duì)誤差最大的是JM 36-JM 38-JM 39,且為13.7ppm。本段控制網(wǎng)基線解算均滿足限差要求,所有基線質(zhì)量合格。同一邊不同觀測(cè)時(shí)段基線較差滿足規(guī)范要求,本段控制網(wǎng)取獨(dú)立基線后共32條重復(fù)基線,重復(fù)觀測(cè)基線較差均滿足規(guī)范限差要求,基線解算成果可靠。

基線解算滿足要求后,進(jìn)行GPS三維向量網(wǎng)的無約束平差,作用是在WGS-84空間直角坐標(biāo)系中進(jìn)行三維向量網(wǎng)平差。平差時(shí)首先需要輸入一個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo),并生成基線向量。對(duì)于本段控制網(wǎng),選取218-1作為已知起算點(diǎn)進(jìn)行三維約束平差。

經(jīng)三維無約束平差計(jì)算后,精度滿足規(guī)范要求,加密控制網(wǎng)的基線向量網(wǎng)自身的內(nèi)符合精度高,基線向量沒有明顯系統(tǒng)誤差和粗差,基線向量網(wǎng)的質(zhì)量是可靠的,在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行二維約束平差。

三維無約束平差計(jì)算完成后,選擇218-1、219-1、230-1、231-1四個(gè)復(fù)測(cè)控制點(diǎn)為已知點(diǎn)進(jìn)行約束平差;按與上級(jí)控制網(wǎng)相同的分帶投影的獨(dú)立工程坐標(biāo)系,對(duì)基線網(wǎng)進(jìn)行約束轉(zhuǎn)換,得到加密控制網(wǎng)中各點(diǎn)的工程獨(dú)立坐標(biāo)成果。本段二維約束平差計(jì)算后最弱邊JM 06-JM 07,相對(duì)誤差為1∶152852,最弱點(diǎn)為228-1,點(diǎn)位精度為1.692mm,精度均滿足要求。

通過上述控制網(wǎng)平差精度分析,可得出以下結(jié)論:控制網(wǎng)達(dá)到D級(jí)GPS網(wǎng)的精度。

3 結(jié)語

3.1 GPS技術(shù)用于線性工程控制網(wǎng)的建立,具有周期短、精度高、觀測(cè)費(fèi)用低、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 利用GPS技術(shù)可以一次性布網(wǎng),整體平差,便于整個(gè)坐標(biāo)系的統(tǒng)一。

3.3 GPS測(cè)量可以大大提高工作效率及成果質(zhì)量,不受人為因素的影響,整個(gè)作業(yè)過程全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

3.4 GPS測(cè)量可以極大地降低勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度,減少野外砍伐工作量,提高作業(yè)效率。一般GPS測(cè)量作業(yè)效率為常規(guī)測(cè)量方法的三倍以上。