GPS技術在豐滿水電站庫區控制測量的應用

陳和權，趙紅旭，馬成武，郭洪濤

（中水東北勘測設計研究有限責任公司工程測繪公司，吉林長春130062）

1 工程概況

豐滿水電站是吉林省境內第二松花江干流上的大型水利樞紐工程，下游距吉林市24 km。控制流域面積42 500 km2，約占第二松花江流域面積的55%。是一座防洪發電并重，并承擔下游工農業及城市供水、航運、旅游等多方面綜合利用的大（1）型水電站。

豐滿水電站樞紐工程始建于1937年的偽滿時期，1943年第一臺機組發電，1948-1949年恢復建設工作，1951-1953年進行了擴建和改建，1953年全部建成。豐滿水電站由于當時的建設條件，建成以來一直存在著嚴重的缺陷。雖然1997年以前對大壩進行了加高、壩體外包混凝土防滲、預應力錨索、灌漿、排水等綜合治理，但壩體混凝土強度偏低、整體性差、泄洪設備不足、大壩滲漏嚴重、壩體揚壓力偏高、混凝土溶蝕及凍脹等影響大壩長期安全等問題始終未能得到徹底的解決，大壩存在極大安全隱患，不但影響豐滿電站的發電效益，而且對下游人民的生命財產構成威脅，因此必須予以全面治理。

2 作業方式

由于豐滿庫區作業范圍很大，我們從進度、質量、工期三方面綜合分析，作業任務分兩期進行：第一期工作進行四等GPS網布設在3個區域同時進行，從豐滿壩址—拉法河口為一區，從拉法河口—蛟河為二區，從拉法河口—墻縫為三區；第二期工作在2個區域同時進行，從墻縫—黑石為四區，從墻縫—紅石電站為五區。

3 四等GPS網布設及觀測

3.1 GPS網布設

四等GPS網盡量沿庫區兩岸布設，基本平面圖形為多邊形，采用邊連接方式。圖形設計參數如下：圖形設計總體可靠性滿足技術設計書要求，在GPS基線觀測數據中多余基線觀測值數為76條，總的基線觀測值數206條，之比為0.37；重復測量的基線為47條，獨立確定的（不相關）基線總數206條，重復測量的基線占獨立確定的（不相關）基線的百分數為22.8%；每條基線邊所在的異步環數不小于1；環線邊數為4～5條。

3.2 GPS網觀測

在外業觀測時，按GB50026-2007《工程測量規范》中的GPS觀測要求進行觀測。

第一期工作一區、三區均使用4臺華測X90接收機，二區采用4臺Trimble 5700型接收機進行外業觀測；第二期工作四區、五區均采用華測X 90接收機進行外業觀測。外業觀測時，根據觀測條件每區同步觀測時段至少20 m in。第一期3個區觀測公共點為D283，D282，第二期四區、五區觀測公共點為D305，D148。第一期與第二期觀測公共點為D299，D300。四等GPS網野外觀測嚴格遵守GB50026-2007規范及SL197-97《水利水電工程測量規范》的要求。觀測采用靜態相對定位模式，具體做法嚴格按照SL197-97規范要求執行。從觀測結果來看GPS每個時段觀測時間均能夠解算出整周未知數。

4 四等GPS網基線解算及平差

4.1 GPS網基線解算

GPS網基線的解算采用Compass靜態解算軟件完成。基線合格解采用雙差固定解，其方差比大于3，點位中誤差小于0.04 m，因此消除了接收機相對鐘差的影響。影響本次工作基線解算主要因素為觀測時間長短、接收衛星數目、接收機誤差等。軟件中基線解算設置比較關鍵，其參數決定Compass靜態解算軟件如何進行基線解算，也決定基線的精度。其參數設置如表1。

表1 參數設置表

在基線解算過程中，基線解算結果的檢核條件為：RMS均方根誤差較小；雙差固定解之質量因子ratio應大于3；雙差分固定解的協方差矩陣沒有異常；相鄰點間基線標準誤差應小于規范規定的標準誤差σ；整周模糊度接近于整數。

采用GPS接收機的華測隨機軟件解算基線向量時，中間會出現各種各樣的問題，對于這些問題進行解算和分析，采取相應的改進措施，最終獲得滿意的基線解算成果。在對GPS觀測數據的基線向量解算過程中，采用的措施有：通過殘差分析，刪除殘差大的數據；進行基線向量的剔除，N臺GPS接收機同時觀測的基線向量有N-1條獨立基線；當雙差分固定解不理想時，可采用舍去某段觀測值的方法進行基線處理；刪除掉觀測數據中周跳大的衛星相位跟蹤數據；對于首次解算不合格基線，通過調整高度截止角與衛星歷元數重新解算，而且通過對基線的二次處理，可以提高整個GPS網的基線觀測精度。

同步環閉合差、異步環閉合差是檢驗一個時段觀測質量好壞的標志。獨立閉合環及符合路線坐標閉合差滿足：

式中：n—閉合環邊數；σ—相應級別規定的精度（按實際平均邊長計算）。

表2 四等GPS網重復基線精度統計表

4.2 GPS網平差計算

利用Compass靜態解算軟件首先在WGS84坐標系下進行三維自由網平差，平差結果提供各控制點在WGS-84坐標系中的三維坐標、基線向量和3個坐標差，以及基線邊長和相應的精度信息。檢查網本身的內符合精度、基線之間有無明顯系統差和粗差，提供大地高數據。在平差過程中剔除經過重復基線檢驗、閉合環檢驗的誤差較大的基線，保持GPS網整體精度。其次選取測區橢球面和中央子午線126°進行高程基準改正以及高斯投影計算，最后利用地面網12個國家三角點作為起算數據起始點進行平移、旋換后得到屬于1954年北京坐標系的GPS高斯平面坐標成果。

表3 四等GPS網環閉合差精度統計

1）已知點的兼容性檢驗。GPS網中已知點的兼容性直接影響GPS定位成果的精度。因此，本次工作對GPS網中已知點進行必要的兼容性檢驗，以便發現并剔除含有粗差的已知點。可靠性分析采用約束平差法在GPS網的15個已知點中，選其中12個已知點為約束條件進行約束平差，根據非約束3個已知點的約束平差坐標異常值，可檢驗出含有粗差的已知點。本次工程未發現粗差已知點。對于本次工作GPS網中的已知點異常情況可以排除。

2）分區平差與統一平差。此次豐滿庫區作業共分5個區域進行GPS測量，為保證工作進度，各個區域的GPS網分區進行平差，以其平差結果作為此次測圖工作的起算坐標。最后使用華測隨機Compass靜態處理專業軟件統一進行平差。分區平差與統一平差計算結果最小的GPS點差值為0.042 m與最大GPS點的差值為0.082 m。四等GPS網平差精度統計結果見表4。

表4 四等GPS網平差精度統計

5 結語

1）在布設GPS網時，適當增加觀測期數（時段數）對于提高GPS網的可靠性非常有效。因為，隨著觀測期數的增加，所測得的獨立基線數就會增加，而獨立基線數的增加，對網的可靠性的提高是非常有宜的。

2）保證一定的重復設站次數，可確保GPS網的可靠性。一方面，通過在同一測站上的多次觀測，可有效地發現設站、對中、整平、量測天線高等人為錯誤；另一方面，重復設站次數的增加，也意味著觀測期數的增加。不過，需要注意的是，當同一臺接收機在同一測站上連續進行多個時段的觀測時，各個時段間必須重新安置儀器，以更好地消除各種人為操作誤差和錯誤。

3）在布網時要使網中所有異步環的邊數不大于6條，在布設GPS網時，檢查GPS觀測值（基線向量）質量的最佳方法是異步環閉合差，而隨著組成異步環的基線向量數的增加，其檢驗質量的能力將逐漸下降。

4）為保證GPS網中各相鄰點具有較高的相對精度，對網中距離較近的點要進行同步觀測，以獲得它們間的直接觀測基線。

5）采用分區平差及統一平差對于大型GPS網從質量、投資、進度方面為較為優化的方案。

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