GPS工程控制網(wǎng)在水利工程中的應(yīng)用

馬 峰

(河南省水利工程二局信陽(yáng)江河公司，河南信陽(yáng)464000)

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning SystDm -GPS):利用GPS定位衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實(shí)時(shí)進(jìn)行定位、導(dǎo)航的系統(tǒng)，稱為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱GPS。經(jīng)過快速發(fā)展，目前GPS在水利工程中的應(yīng)用優(yōu)為廣泛。大多數(shù)水利工程都位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于地形限制，高等級(jí)測(cè)量控制點(diǎn)布設(shè)困難，給水利工程施工測(cè)量帶來很大困難，而且大部分水利工程都有縱向跨度很長(zhǎng)但橫向?qū)挾容^窄的特點(diǎn)，用傳統(tǒng)的控制網(wǎng)布設(shè)方法會(huì)大大增加工作量，而GPS靜態(tài)定位選點(diǎn)靈活、不要求測(cè)站間相互通視，全天候作業(yè)、作業(yè)效率高且作業(yè)成本低，大大降低了布網(wǎng)費(fèi)用。

一、靜態(tài)定位:

GPS靜態(tài)相對(duì)定位也稱為差分GPS，是采用載波相對(duì)定位觀測(cè)以及相位觀測(cè)的線性組合技術(shù)，減少各類誤差。主要用于測(cè)區(qū)平面控制網(wǎng)布設(shè)及復(fù)核。［1］

作業(yè)方法:采用兩臺(tái)(或兩臺(tái)以上)接收設(shè)備，分別安置在一條或數(shù)條基線的兩個(gè)端點(diǎn)，同步觀測(cè)4顆以上衛(wèi)星，每時(shí)段長(zhǎng)45 min至2 h或更多。作業(yè)布置如圖1所示。

布設(shè)GPS工程控制網(wǎng)主要分測(cè)前、測(cè)中和測(cè)后三個(gè)階段。在具體施測(cè)前要系統(tǒng)的了解測(cè)區(qū)位置及其范圍、控制網(wǎng)的控制面積、用途和精度等級(jí)、點(diǎn)位分布及點(diǎn)的數(shù)量、需要提交的成果內(nèi)容、時(shí)限要求、投入經(jīng)費(fèi)、技術(shù)設(shè)計(jì)方案、測(cè)繪資料的搜集、踏勘、選點(diǎn)埋石與整理及儀器的校檢。

圖1

二、工程實(shí)例

南水北調(diào)中線工程鄭州2段3標(biāo)位于鄭州二七區(qū)，起于鄭州賈寨，終于鄭州黃岡寺，設(shè)計(jì)樁號(hào)為SH(3)190+688.1 ～ SH(3)197+408.1，本段渠道全長(zhǎng)6.72 km。其中多分布城中村，該區(qū)多為務(wù)工人員。氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶詺夂騾^(qū)，氣候溫和，四季分明，光照充足。年平均氣溫14.3℃，降雨量640毫米。夏季七月份最熱，月平均氣溫27.3℃。冬季一月份最冷，月平均氣溫為-0.2℃。冬季寒冷而干燥，春秋季節(jié)，冷暖適中。測(cè)區(qū)地形復(fù)雜，地質(zhì)條件良好，交通不便，多為施工場(chǎng)地。

(一)測(cè)區(qū)平面控制點(diǎn)資料

測(cè)區(qū)有C等控制點(diǎn)兩個(gè)、D等控制點(diǎn)三個(gè)，其中點(diǎn)JSH2位于道路附近，有被車輛碾壓現(xiàn)象，其余四點(diǎn)標(biāo)石均為不銹鋼標(biāo)，標(biāo)點(diǎn)清晰，外觀完好。點(diǎn)位之間植被及民房較多，互不通視。有1954年北京坐標(biāo)系的成果資料，可作為渠道測(cè)區(qū)GPS控制網(wǎng)的平面坐標(biāo)起算數(shù)據(jù)。

(二)平面坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇

由于使用的是1954年北京坐標(biāo)系3度帶第38帶。在本測(cè)區(qū)的長(zhǎng)度投影變形值經(jīng)計(jì)算已經(jīng)超過了規(guī)范規(guī)定的2.5 cm/Km，故本次測(cè)量的平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用經(jīng)改算的1954年北京坐標(biāo)系，可以滿足本次控制網(wǎng)布設(shè)的需求，其基準(zhǔn)參數(shù)如表1所示。

表1 已有測(cè)量控制點(diǎn)一覽表

表2

中央子午線經(jīng)度為東經(jīng)114°，邊長(zhǎng)的高程歸化面為±0 m，坐標(biāo)值采用通用值。

坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換:由WGS-84的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為WGS-84的空間直角坐標(biāo)，再轉(zhuǎn)換為1954年北京空間直角坐標(biāo)，最后轉(zhuǎn)換為1954年北京大地坐標(biāo)系見表2。整個(gè)系統(tǒng)采用高斯投影，采用七參數(shù)法計(jì)算兩個(gè)坐標(biāo)系的坐標(biāo)，七參數(shù)法由三個(gè)坐標(biāo)增量，三個(gè)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)元素，一個(gè)尺度因子構(gòu)成。七參數(shù)沒有已知，則需要知道三個(gè)點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

(三)控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案

以D等點(diǎn)LXCQ1作為GPS控制網(wǎng)平面起算數(shù)據(jù)，以同等級(jí)擴(kuò)展D等 GPS控制網(wǎng)，采用中點(diǎn)多邊形的圖形結(jié)構(gòu)，用邊連式的方法進(jìn)行施測(cè)。［2］

邊連式是通過一條公共邊將兩個(gè)同步圖形之間連接起來。邊連式布網(wǎng)有較多的重復(fù)基線和獨(dú)立環(huán)，有較好的幾何強(qiáng)度，平均邊長(zhǎng)2 Km。布設(shè)方案如圖2所示。

(四)E等GPS平面控制網(wǎng)的布設(shè)方案

1.儀器設(shè)備:采用南方R70與南方S66接收機(jī)二臺(tái)，靜態(tài)平面精度5mm+0.5PPm，儀器均經(jīng)國(guó)家授權(quán)鑒定單位檢定合格。

圖2

2.測(cè)量布網(wǎng):利用兩臺(tái)接收機(jī)為一組進(jìn)行同步觀測(cè)，以邊連式組網(wǎng)。觀測(cè)時(shí)段為二時(shí)段，每時(shí)段45-50min。觀測(cè)期間接收機(jī)能觀測(cè)到6顆以上有效衛(wèi)星，GPS接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)接收及處理時(shí)衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為20°。

3.外業(yè)觀測(cè):嚴(yán)格按照《全球定位系統(tǒng)城市測(cè)量技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)量作業(yè)。每日觀測(cè)結(jié)束后，及時(shí)將觀測(cè)手薄數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到計(jì)算機(jī)上，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行當(dāng)天的基線解算。觀測(cè)手薄格式如表3所示。

GPS-E級(jí)網(wǎng)的主要技術(shù)要求應(yīng)符合表4規(guī)定。

表3 觀測(cè)手薄格式

表4 GPS網(wǎng)的主要技術(shù)要求①

(五)內(nèi)業(yè)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程:

數(shù)據(jù)傳輸→手簿輸入→資料加工→資料預(yù)處理→基線解算→基線成果檢驗(yàn)→重測(cè)與補(bǔ)測(cè)→WGS-84中經(jīng)典自由網(wǎng)平差→網(wǎng)精度分析→北京54/80/地方獨(dú)立中三維無約束平差→三維約束平差→二維平差。

1.基線解算:

XCQ12975-YCQ52974觀測(cè)量L1同步時(shí)長(zhǎng)55，歷元間隔:30高度截止角:20.0

解算設(shè)置雙差固定解為合格解。

成果表見表5。

表5

式中a(mm)為固定誤差;b(ppm)為比例誤差系數(shù);d(km)為相鄰點(diǎn)間的距離。根據(jù)上述公式計(jì)算出本次GPS網(wǎng)相鄰基線中誤差限差為σ=5.831mm。

2.同步環(huán)、異步環(huán)檢驗(yàn):

閉合環(huán)最大節(jié)點(diǎn)數(shù):3

閉合環(huán)總數(shù):118

同步環(huán)總數(shù):92

異步環(huán)總數(shù):26

同步環(huán)情況見表6。

表6

環(huán)中的點(diǎn):CQ12 YCQ5 XCQ1

異步環(huán)情況見表7。

表7

環(huán)中的點(diǎn):SSL2 SSL4 YCQ5

由同步環(huán)及異步環(huán)檢驗(yàn)可知基線相對(duì)誤差符合精度標(biāo)準(zhǔn)。

3.重復(fù)基線檢驗(yàn):

采取重復(fù)基線檢驗(yàn)剔除誤差超限、不合格的基線，剔除后獨(dú)立環(huán)所含基線數(shù)仍能滿足GB-T8314-2009全球定位系統(tǒng)測(cè)量規(guī)范要求，不需要重測(cè)或者補(bǔ)測(cè)，見表8。

表8

4.WGS84-坐標(biāo)系下經(jīng)典自由網(wǎng)平差平差結(jié)果三維自由網(wǎng)平差單位權(quán)中誤差:0.020160 m基線及其改正見表9。

表9

平差后WGS84坐標(biāo)和點(diǎn)位精度見表10。

表10

5.網(wǎng)精度分析

當(dāng)前坐標(biāo)系統(tǒng):114

橢球長(zhǎng)半徑:6378245.000000

橢球扁率:1/298.3

控制等級(jí)E級(jí)-2009

投影比率M0=1.000000

投影高H=0.000

原點(diǎn)維度B0=0.000000000N

中央子午線L0=114.000000000E

北向加N0=0.000000

東向加E0=500000.000

采用網(wǎng)配合法進(jìn)行轉(zhuǎn)換見表11。

表11

二維平差

單位權(quán)中誤差0.004780 m

平差后坐標(biāo)和點(diǎn)位精度見表12。

表12

此次基線解算以雙差固定解作為最終結(jié)果，雙差固定解的可靠性由固定解的單位權(quán)中誤差(Rms)做參考。由二維平差成果可知本次平差成果47個(gè)控制點(diǎn)的Rms最大值為1.8243，可見本次GPS靜態(tài)平面控制網(wǎng)成果符合精度要求。

由于GPS測(cè)得的高程精度與水準(zhǔn)測(cè)量的成果相比精度較低，且目前并沒有規(guī)范明確規(guī)定GPS高程可代替水準(zhǔn)測(cè)量高程，故本次測(cè)量不采用高程成果。

(六)誤差分析

1.GPS的誤差來源一般分為四類:

(1)與GPS衛(wèi)星相關(guān)的誤差:主要有鐘誤差、GPS衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)的天線相位中心變化以及美國(guó)采用的SA技術(shù)。

(2)與信號(hào)傳播相關(guān)誤差:主要是電離層、對(duì)流層延遲，多路徑效應(yīng)。

(3)與接收機(jī)相關(guān)的誤差:主要有接收機(jī)鐘誤差、接收機(jī)天線相位中線變化以及GPS儀器硬件和軟件造成的影響。

(4)其他誤差:主要是人為操作以及計(jì)算機(jī)處理過程中產(chǎn)生的誤差。

本次測(cè)量過程中天氣晴朗，有微風(fēng)，地形開闊少行人干擾，誤差較小。

2.針對(duì)GPS誤差來源，可以采取以下幾種方法減少誤差:

(1)已知點(diǎn)檢核比較法。在布設(shè)GPS靜態(tài)控制網(wǎng)之前，用RTK抽取較多的點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，把觀測(cè)結(jié)果與抽測(cè)點(diǎn)的已知坐標(biāo)或用全站儀測(cè)得的抽測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)問題則立即改正。

(2)站址的選擇上一是要選擇在地理位置良好、通視良好、交通便利且控制點(diǎn)易于長(zhǎng)期保存的地點(diǎn)來埋及安置儀器。二是測(cè)站要視野開闊、無障礙物以減少對(duì)衛(wèi)星信號(hào)傳播產(chǎn)生的干擾。三是要遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源。四是選擇站點(diǎn)時(shí)要遠(yuǎn)離大面積水域、建筑物等信號(hào)反射物，以避免產(chǎn)生多路徑效應(yīng)。(3)利用未產(chǎn)生偏移的原有控制點(diǎn)標(biāo)石，有利于在數(shù)據(jù)處理時(shí)選取多個(gè)已知點(diǎn)結(jié)算出兩個(gè)以上的平差成果進(jìn)行對(duì)比以選取最佳成果。

［1］李秀海，尚國(guó)學(xué)，杜國(guó)明.GPS工程控制網(wǎng)坐標(biāo)系的選擇和短邊GPS高程精度分析［J］.測(cè)繪工程，2003(2).

［2］龐瑞炎，嚴(yán)桂強(qiáng).河道GPS平面控制網(wǎng)網(wǎng)形設(shè)計(jì)［J］.珠江水運(yùn)，2009(4).