帶狀GPS控制網的優化設計探討

摘 要：本文就帶狀GPS控制網的構網特點和構網原則進行了簡單闡述，結合工程實例對長輸管線的工程特點及長輸管線帶狀首級GPS控制網的優化設計進行了簡單探討。

關鍵詞：長輸管線 GPS控制網 優化設計

中圖分類號：P288.4文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（b）-0051-02

1 引言

GPS作為一項全新的測量定位技術已經被廣泛的應用在工程建設的各個領域。GPS測量技術在長輸管線測量中的應用革新了傳統的長輸管線測量模式，改善了測量精度，降低了勞動強度，提高了工作效率，為管線工程建設提供了有力的保障。但是，隨著西氣東輸、川氣東輸、海氣登陸等諸多大型工程的全線開工，長輸管線工程建設規模在不斷擴大，線路穿越各種地形、地質情況復雜以及水系發達區域，對長輸管線工程測量的質量和進度都提出了很高的要求。因此，構建全線優化合理的GPS控制網對提高測繪精度、保證工程質量、加快作業進度、節約工程成本起到至關重要的作用。

2 長輸管線GPS控制網的構網特點與構網原則

一般的長距離輸油、輸氣管線長度都能達到數百公里甚至上千公里，測量工作貫穿工程建設的可行性研究、初步設計、施工測繪、管線施工、竣工圖測繪等各個階段，為管線設計提供中線兩側各100米左右狹長帶狀分布的全線帶狀地形圖、線路全程縱斷面圖、局部穿跨越放大平面圖，局部放大縱斷面圖、站場及閥室地形圖等現場測繪資料。因此，為滿足工程需要長輸管線GPS控制網一般沿線路按點對布設，構成由大地四邊形或中心多邊形延伸的覆蓋管道中線的帶狀網。

3 長輸管線GPS網的優化設計

長輸管線GPS控制網的優化設計，是在限定精度、可靠性和費用等質量標準下，尋求網設計的最佳極值。與經典控制網的優化設計不同， GPS網是一種非層次結構的，可一次擴展到所需的密度；對天觀測衛星，不需要點間相互通視；測量精度與網形無關，與觀測衛星的幾何分布密切相關。

3.1 基準優化設計

GPS網的基準優化設計主要是對坐標未知參數進行設計。基準選取的不同將會對網的精度產生直接影響，其中包括GPS網基線向量解中位置基準的選擇，以及GPS網轉換到地方坐標系所需的基準設計。由于GPS尺度往往存在系統誤差，也應對GPS網的尺度基準進行優化設計。

GPS基線向量解算中作為位置基準的固定點誤差是引起基線誤差的一個重要因素，使用測量時獲得的單點定位值作為起算坐標其誤差較大，且使用不同點作為基準時其基線向量差可達數厘米，因此必須對網的位置基準進行優選設計。

位置基準優化方案：

（1）采用網中具有較準確WGS-84系坐標的點作為GPS網的固定位置基準。

（2）采用網中具有較高單點定位的Doppler點或SLR站點GPS網中的一點或多點基準。

（3）無任何其他起算數據時，可采用網中一點多次GPS觀測的偽距坐標作為網的位置基準。

3.2 精度優化設計

GPS網的精度不受網點所構成的幾何圖形的影響，即其精度與網中各點的坐標及邊與邊之間的角度無關，而只與網中各點所發出的基線數目及基線的權陣有關。GPS網的精度設計是根據偶然誤差傳播定律，按照一定的精度設計方法，分析網中各未知點平差后預期能達到的精度。管道GPS控制測量分為國家等級點的加密控制測量（D級）和線路控制測量（E）級兩級。GPS網相鄰點間弦長精度通常表示為：

式中：為標準差（mm）；a為固定誤差（mm）；b比例誤差系數；d為相鄰點間的距離（mm）（表1）。

在滿足工程需求的前提下，設計合理的測量精度不但可以極大地節約成本，而且能夠圓滿的完成工程的預期目標。

3.3 施測方案優化設計

GPS野外觀測工作主要是接收GPS衛星信號數據，由于GPS觀測精度與所接收信號的衛星的幾何分布及所觀測的衛星數目密切相關。而作業的效率與所選用的接收機數目、觀測的時間、觀測的順序密切相關。因此，在進行GPS外業觀測之前做好衛星星歷預報，擬定觀測調度計劃，對于保證觀測工作的順利完成、保障觀測結果的精度及提高作業效率是及其重要的。

優化方案：

（1）緊扣測量目的布網。對于長輸管線而言應盡量布設成大地四邊形或中心多邊形延伸的帶狀網，在滿足工程要求以及GPS測量相關規定的前提下盡量把點位布設在交通便利，易于擺站，工程利用方便的地方。

（2）預測最佳觀測時間。衛星星歷預報要準確的預測觀測當天測區的衛星GDOP值，可見衛星數量和時間以及天氣狀況等，以便于選取最佳的觀測時段，保證觀測成果質量。

（3）安排最佳上點計劃。GPS網平差計算要求每個時段必須進行同步觀測，即每臺接收機同時觀測同一組衛星足夠的時間，這就需要對每一組儀器設備的上點路線，到達時間，進行科學準確的計劃安排，有一點失誤都會影響到整個觀測方案的順利實施。

4 工程實例

某原油管道工程線路全長900km，由于數字攝影測量技術的引入對全線GPS控制網的布設提出了更高的要求，不僅要滿足常規工程測量的要求還應滿足數字攝影測量像片控制點的需要。對此，工程首級GPS控制網按D級網布設，在對全線進行優化設計時，我們引入了足夠數量的國家三角點、水準點、以及高精度的GPS點，以提高網的起算精度。全線共分四段進行布網和平差計算，相鄰網間以網連接進行檢核，全線控制點以5～6km點對布設，構成覆蓋管道中線的帶狀網。

5 結語

（1）帶狀GPS控制網宜選取分布均勻、數量適當的已知點，進行高程擬合時，高程點要均勻覆蓋整個擬和區域，可內插不可外推。

（2）建立框架網，在此基礎上對點的位置、觀測順序、上點路線等進行優化調整。

（3）制定合理的觀測方案，包括觀測時段的長短、人員、車輛、設備的數量等。

（4）結合長輸管線的工程特點，布設全線優化合理的首級GPS控制網以達到高效率、低成本的優化設計目的。

參考文獻

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