GPS測量在南水北調線性工程中的應用

熊 別,張清明,汪小雷

(中國水利水電第五工程局有限公司第五分局,成都,610225)

1 GPS測量技術的發展

1.1 GPS系統的建立

1973年12月,美國國防部批準陸、海、空三軍聯合研制新的衛星導航系統NAVSTAR/GPS,全稱“NavigationSatelliteTimingandRaning/GlobalPositioningSystem”,其意為“衛星測時測距導航/全球定位系統”,簡稱GPS系統。該系統是以衛星為基礎的無線電導航定位系統,具有全能性、全球性、全天候、連續性和實時性的導航、定位和定時的功能,能為用戶提供精密的三維坐標、速度和時間。自1974年以來,GPS計劃經歷了方案論證(1974～1978年),系統論證(1979～1987年),生產實驗(1988～1993年)三個階段。整個系統分為衛星星座、地面控制和監測站、用戶設備三大部分,GPS系統由此為基礎改建而成。

1.2 GPS系統的組成

GPS系統包括空間部分(GPS衛星星座)、地面控制部分(地面監控系統)和用戶部分(GPS信號接收機)。

1.2.1 空間部分。由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成,分布在6個傾角為55°的軌道上繞地球運行,能使全球任何地方、任何時間都可以觀測到四顆以上的衛星,并能保持良好定位解算精度的幾何圖形(DOP),從而提供了在時間上連續的全球導航能力。

1.2.2 地面控制部分。由分布在全球的若干個跟蹤站所組成的監控系統構成,包括一個主控站、三個注入站和五個監測站。主控站對地面監控部分實行全面控制,收集各監控站對GPS衛星的全部觀測數據,利用這些數據計算每顆GPS衛星的軌道和衛星鐘改正值。注入站是在每顆衛星運行至上空時,把導航數據及主控站的指令注入到衛星。監控站設有GPS用戶接收機、原子鐘、收集當地氣象數據的傳感器和進行數據初步處理的計算機,能取得衛星觀測數據并將這些數據傳送至主控站。

1.2.3 用戶部分。由GPS接收機、數據處理軟件及相應的用戶設備組成,作用是接收GPS衛星發出的信號,利用這些信號進行導航定位等工作。

1.3 GPS系統的特點

1.3.1 定位精確高。一般雙頻GPS接收機基線解算精度為5mm+1ppm,而紅外儀標稱精度為5mm+5ppm,GPS測量精度與紅外儀相當。經應用實踐證明,GPS相對定位精度在50km內可達10-6,100km～500km可達10-7,1000km以上可達10-9,隨著距離的增長,GPS測量優越性愈加突出。

1.3.2 觀測時間短。目前,20km以內相對靜態定位,僅需15min。快速靜態相對定位測量時,當每個流動站與基準站相距在15km以內時,流動站觀測時間只需1min～2m in;動態相對定位時,流動站發出觀測1min～2m in,然后可隨時定位,每站觀測僅需幾秒。

1.3.3 測站間無需通視。GPS測量不要求測站之間互相通視,只需測站上空開闊即可,因此可節省大量的造標費用。由于無需點間通視,點位位置根據需要可稀可密,使選點工作甚為靈活,也可省去經典大地網中的傳算點、過渡點的測量工作。

1.3.4 可提供三維坐標。經典大地測量將平面與高程采用不同的方法分別施測,GPS可同時精確測定測站點的三維坐標。目前GPS水準可滿足四等水準測量的精度。

1.3.5 操作簡便。隨著GPS接收機的不斷改進,自動化程度越來越高,接收機體積越來越小,重量越來越輕,極大地減輕測量工作人員的工作緊張程度和勞動強度,使野外工作變得輕松愉快。

1.3.6 全天候作業。GPS觀測可以在一天的任何時間連續進行,不受氣候的影響。

1.3.7 功能多,應用廣。GPS系統不僅可用于測量、導航,還可用于測速、測時。測速的精度可達0.1m/s,測時的精度可達幾十毫微秒,其應用領域不斷擴大。

2 GPS測量在南水北調工程中的應用

南水北調中線一期總干渠漳河北至古運河南段中線工程元氏段,位于元氏縣境內,起點在龍正村西,樁號為196+997.10m,終點位于元氏縣與鹿泉市交界處,樁號為212+180.00m,標段長度15.1829km,內有交叉建筑物28座。

本次測量采用6臺科力達風云K 9 GPS雙頻接收機,進行GPS靜態施工控制測量作業。

2.1 布網方案

GPS控制網是實施GPS測量的基礎性工作,它應在精確性、可靠性和經濟性方面尋求GPS控制網的最佳方案。根據GPS測量特點分析可知,GPS網需要以一個點的坐標為定位基準,而此點的精度高低直接影響到網中各基線向量的精度和網的最終精度。同時,由于GPS網的精度與網的幾何圖形結構無關,且與觀測權相關甚小,而影響精度的主要因素是網中各點發出基線的數目及基線的權陣。因此,GPS網的優化主要歸結為兩方面:GPS網基準化的優化;GPS網圖形結構強度的優化。加密前的首級控制點分布見圖1。

圖1 南水北調元氏段首級控制點分布圖

由圖1和線性工程本身情況,本次GPS加密網應采用獨立觀測邊構成閉合圖形,如三角形、多邊形或附合線路,以增加檢核條件,提高網的可靠性。GPS網作為測量控制網,其相鄰點間基線向量的精度,應分布均勻,并盡量與原有地面控制點相結合,重合點一般不少于3個(不足時應聯測),且在網中分布均勻,以可靠地確定GPS網與地面之間的轉換參數。為了便于GPS的測量觀測和水準聯測,減少多路徑影響,GPS網點設在視野開闊和交通便利的地方。同時為了便于用經典方法聯測或擴展,GPS網點布設通視條件要好。GPS網還必須由非同步獨立觀測邊構成若干個閉合環或附和線路。

根據本次施工要求,需對標段內15個控制點進行加密,以滿足施工測量、放樣的需要。本次加密點間距300m左右,相鄰點要求相互通視,沿渠道方向交替布設,加密點距渠道中心線120m左右。本次布置要求充分考慮到后期防止控制點被破壞和全站儀施工的方便。

GPS測量的基本方法有點連式、邊連式和網連式三種,點連式所構成的圖形幾何強度太弱;網連式布網冗贅,工作量太大;邊連式布網有太多的非同步閉合條件,工作量適中。根據D級GPS網的要求,我們采用同步擴展邊連式布網方法,構成異步環和復測邊。異步環具有良好的自檢能力,能有效地發現觀測成果的粗差,確保網的可靠性;復測邊連接時幾何強度較高。同時在滿足精度的基礎上,盡量減少人力、物力、財力。加密后的施工控制網布置見圖2。

圖2 南水北調元氏段加密控制點分布圖

2.2 選點與埋標

由于GPS測量觀測站之間不一定要求相互通視,而且網的圖形結構也比較靈活,所以選點工作比常規控制測量簡便。但由于點位的選擇對于保證觀測工作的順利進行和保證測量結果的可靠性有著重要意義,所以在選點工作開始前,除收集和了解有關測區地理情況,決定其適宜的點位外,還應遵守以下原則:(1)點位應設在易于安裝接收設備、視野開闊的較高點上;(2)點位目標要顯著,視場周圍15°以上不應有障礙物,以減小GPS信號被遮擋或被障礙物吸收;(3)點位應遠離大功率無線電發射源(如電臺、微波站等),其距離不小于200m;遠離高壓輸電線和微波無線電信號傳送通道,其距離不得小于50m。以避免電磁場對GPS信號的干擾;(4)點位附近不應有大面積水域或強烈干擾衛星信號接收的物體,以減弱多路徑效應的影響;(5)點位應選在交通方便,有利于其他觀測手段擴展與聯測的地方;(6)地面基礎穩定,易于點的保存。

2.3 野外作業

進行GPS測量作業時,一方面要考慮經濟問題,目的在于縮短野外作業時間,節約資金,使測量費用指標達到最優;另一方面,要有較多的多余觀測,以提高觀測成果的精度和可靠性。同時,還必須考慮各待測點點位精度的均勻性和各觀測時段的獨立性。

本次觀測,使用6臺GPS接收機同時在6個GPS點上進行,保證同步觀測時間為45m in以上,測量精度為3mm+1ppm,數據采樣間隔為15s。測量時間達到要求后,2臺GPS接收機位置不動,移動其它4臺GPS接收機到前進方向的4個GPS控制點進行下一輪測量,依次類推完成測量任務。

2.4 平差處理

在外業測量完畢后,將測量數據輸入計算機進行網平差計算。測區的投影帶與上級控制網一致,即1954年北京坐標系1°分帶,中央子午線為114°,X加常數=0km,Y加常數=500km。

首先對觀測基線進行處理,當基線滿足限差要求時,說明組成基線向量網的所有基線解算質量合格、成果可靠。否則,需刪除不好的衛星、時間段,并剔除含有粗差的基線邊,不讓其參與平差。控制網取獨立基線后共構成427個閉合環,其中同步環290個,異步環137個,閉合環相對誤差最大的是JM 36-JM 38-JM 39,且為13.7ppm。本段控制網基線解算均滿足限差要求,所有基線質量合格。同一邊不同觀測時段基線較差滿足規范要求,本段控制網取獨立基線后共32條重復基線,重復觀測基線較差均滿足規范限差要求,基線解算成果可靠。

基線解算滿足要求后,進行GPS三維向量網的無約束平差,作用是在WGS-84空間直角坐標系中進行三維向量網平差。平差時首先需要輸入一個點的三維坐標,并生成基線向量。對于本段控制網,選取218-1作為已知起算點進行三維約束平差。

經三維無約束平差計算后,精度滿足規范要求,加密控制網的基線向量網自身的內符合精度高,基線向量沒有明顯系統誤差和粗差,基線向量網的質量是可靠的,在此基礎上可以進行二維約束平差。

三維無約束平差計算完成后,選擇218-1、219-1、230-1、231-1四個復測控制點為已知點進行約束平差;按與上級控制網相同的分帶投影的獨立工程坐標系,對基線網進行約束轉換,得到加密控制網中各點的工程獨立坐標成果。本段二維約束平差計算后最弱邊JM 06-JM 07,相對誤差為1∶152852,最弱點為228-1,點位精度為1.692mm,精度均滿足要求。

通過上述控制網平差精度分析,可得出以下結論:控制網達到D級GPS網的精度。

3 結語

3.1 GPS技術用于線性工程控制網的建立,具有周期短、精度高、觀測費用低、可靠性強的優點。

3.2 利用GPS技術可以一次性布網,整體平差,便于整個坐標系的統一。

3.3 GPS測量可以大大提高工作效率及成果質量,不受人為因素的影響,整個作業過程全部實現自動化。

3.4 GPS測量可以極大地降低勞動作業強度,減少野外砍伐工作量,提高作業效率。一般GPS測量作業效率為常規測量方法的三倍以上。