GPS在特長線引水施工控制網(wǎng)測量中的應(yīng)用

賈曉堂

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧 沈陽 110006）

1 概述

隨著現(xiàn)代測繪科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS定位技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代工程勘測設(shè)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(qiáng)度低，數(shù)據(jù)精度高，并且大大縮短了設(shè)計周期，降低了設(shè)計成本，在高等級施工控制網(wǎng)測量中得到了廣泛應(yīng)用。

遼寧省大伙房水庫輸水應(yīng)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(biāo)系統(tǒng)采用1954年北京坐標(biāo)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(jìn)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(shè)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(shè)兩個GPS網(wǎng)，管線頭部至隧洞進(jìn)口段布設(shè)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(shè)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(shè)計階段布置的部分控制網(wǎng)點進(jìn)行了連測，管線頭部至隧洞進(jìn)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(shè)

所有控制點均埋設(shè)鋼筋混凝土標(biāo)石，該地區(qū)多年最大凍土深度不超過1.2m，故選用標(biāo)石規(guī)格為15cm×15cm×150cm，保證埋設(shè)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(biāo)石頂部的鋼筋十字中心即為標(biāo)心。

4 觀測方法

此次布設(shè)的GPS網(wǎng)采用4臺Leica SR530雙頻GPS衛(wèi)星接收機(jī)和4臺Trimble R7雙頻GPS衛(wèi)星接收機(jī)同時進(jìn)行靜態(tài)作業(yè)。GPS作業(yè)的基本技術(shù)要求見表1。

表1 GPS作業(yè)的基本技術(shù)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(jìn)行預(yù)報，根據(jù)預(yù)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(jī)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(jìn)展情況對觀測計劃進(jìn)行必要的調(diào)整。

按照觀測計劃各組人員需按時到達(dá)指定的點位，并做好儀器安置和開機(jī)的準(zhǔn)備工作，開機(jī)后應(yīng)認(rèn)真量取記錄儀器高，GPS接收機(jī)開始記錄數(shù)據(jù)后應(yīng)時刻注意接收機(jī)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jìn)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(jī)的隨機(jī)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(jìn)行，適當(dāng)輔以人工干預(yù)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(shù)，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(jìn)行同步環(huán)、重復(fù)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(jìn)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(jìn)口段平面網(wǎng)共獲得符合相對質(zhì)量指標(biāo)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(biāo)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(jī)標(biāo)稱精度中的固定誤差，mm；b—GPS接收機(jī)標(biāo)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(jìn)口段，σ=23.2mm；對于隧洞出口至管線尾部段，σ=19.3mm。

（1）重復(fù)觀測邊的檢核

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

對于管線頭部至隧洞進(jìn)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(jìn)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(biāo)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(biāo)系WGS84坐標(biāo)下進(jìn)行的，其目的：（1）提供全網(wǎng)平差后的WGS84系的三維空間坐標(biāo)；（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(dá)到D級GPS網(wǎng)的精度要求。

6.2 1954年北京坐標(biāo)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(biāo)系坐標(biāo)兼容性進(jìn)行檢核。若兩點之間的邊長相對中誤差小于1/15萬，可認(rèn)為兼容，即可利用其進(jìn)行1954年北京坐標(biāo)系二維約束平差，否則，應(yīng)考慮采用 “一點一方位”的方式進(jìn)行二維約束平差。經(jīng)計算得知，對于管線頭部至隧洞進(jìn)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(biāo)進(jìn)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(biāo)進(jìn)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(jìn)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(dá)到D級GPS網(wǎng)的精度要求。

7 工程坐標(biāo)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(biāo)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(biāo)與可研、設(shè)計階段的控制網(wǎng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，對全部管線拐點設(shè)計坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換計算。

對于管線頭部至隧洞進(jìn)口段，測區(qū)邊界部位（L56）長度投影變形達(dá)到4.7cm/km，可見采用高斯投影3°帶坐標(biāo)，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(jìn)口段平面控制網(wǎng)北京54（123°帶）坐標(biāo)以隧洞進(jìn)口觀測墩J(rèn)1為基點進(jìn)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(biāo)系坐標(biāo)換帶由123°帶換算到122°23′，由此得到管線頭部至隧洞進(jìn)口段控制點的工程坐標(biāo)。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(biāo)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(biāo)。

8 結(jié)語

（1）大伙房水庫輸水應(yīng)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(shù)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(yīng)用GPS技術(shù)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(jī)可以有效削弱電離層折射影響，同時能有效探測和修復(fù)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(yīng)進(jìn)行衛(wèi)星可見預(yù)報分析，做好GPS網(wǎng)型設(shè)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(jìn)行基線解算時要進(jìn)行人為干預(yù)處理掉基線中的殘余粗差，剔除掉超限基線，然后才能進(jìn)行整網(wǎng)平差計算。

（5）在進(jìn)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(yīng)該對起算點坐標(biāo)進(jìn)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(biāo)計算問題上應(yīng)該具體問題具體分析，為了使整個引水工程各個設(shè)計階段的坐標(biāo)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(shè)、可研階段控制網(wǎng)相銜接，做法是將坐標(biāo)進(jìn)行平移，然后進(jìn)行換帶計算，從而得到施工控制網(wǎng)工程坐標(biāo)。

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

［2］張勤，李家權(quán)等.GPS測量原理及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

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