GPS技术在丰满水电站库区控制测量的应用

陈和权，赵红旭，马成武，郭洪涛

（中水东北勘测设计研究有限责任公司工程测绘公司，吉林长春130062）

1 工程概况

丰满水电站是吉林省境内第二松花江干流上的大型水利枢纽工程，下游距吉林市24 km。控制流域面积42 500 km2，约占第二松花江流域面积的55%。是一座防洪发电并重，并承担下游工农业及城市供水、航运、旅游等多方面综合利用的大（1）型水电站。

丰满水电站枢纽工程始建于1937年的伪满时期，1943年第一台机组发电，1948-1949年恢复建设工作，1951-1953年进行了扩建和改建，1953年全部建成。丰满水电站由于当时的建设条件，建成以来一直存在着严重的缺陷。虽然1997年以前对大坝进行了加高、坝体外包混凝土防渗、预应力锚索、灌浆、排水等综合治理，但坝体混凝土强度偏低、整体性差、泄洪设备不足、大坝渗漏严重、坝体扬压力偏高、混凝土溶蚀及冻胀等影响大坝长期安全等问题始终未能得到彻底的解决，大坝存在极大安全隐患，不但影响丰满电站的发电效益，而且对下游人民的生命财产构成威胁，因此必须予以全面治理。

2 作业方式

由于丰满库区作业范围很大，我们从进度、质量、工期三方面综合分析，作业任务分两期进行：第一期工作进行四等GPS网布设在3个区域同时进行，从丰满坝址—拉法河口为一区，从拉法河口—蛟河为二区，从拉法河口—墙缝为三区；第二期工作在2个区域同时进行，从墙缝—黑石为四区，从墙缝—红石电站为五区。

3 四等GPS网布设及观测

3.1 GPS网布设

四等GPS网尽量沿库区两岸布设，基本平面图形为多边形，采用边连接方式。图形设计参数如下：图形设计总体可靠性满足技术设计书要求，在GPS基线观测数据中多余基线观测值数为76条，总的基线观测值数206条，之比为0.37；重复测量的基线为47条，独立确定的（不相关）基线总数206条，重复测量的基线占独立确定的（不相关）基线的百分数为22.8%；每条基线边所在的异步环数不小于1；环线边数为4～5条。

3.2 GPS网观测

在外业观测时，按GB50026-2007《工程测量规范》中的GPS观测要求进行观测。

第一期工作一区、三区均使用4台华测X90接收机，二区采用4台Trimble 5700型接收机进行外业观测；第二期工作四区、五区均采用华测X 90接收机进行外业观测。外业观测时，根据观测条件每区同步观测时段至少20 m in。第一期3个区观测公共点为D283，D282，第二期四区、五区观测公共点为D305，D148。第一期与第二期观测公共点为D299，D300。四等GPS网野外观测严格遵守GB50026-2007规范及SL197-97《水利水电工程测量规范》的要求。观测采用静态相对定位模式，具体做法严格按照SL197-97规范要求执行。从观测结果来看GPS每个时段观测时间均能够解算出整周未知数。

4 四等GPS网基线解算及平差

4.1 GPS网基线解算

GPS网基线的解算采用Compass静态解算软件完成。基线合格解采用双差固定解，其方差比大于3，点位中误差小于0.04 m，因此消除了接收机相对钟差的影响。影响本次工作基线解算主要因素为观测时间长短、接收卫星数目、接收机误差等。软件中基线解算设置比较关键，其参数决定Compass静态解算软件如何进行基线解算，也决定基线的精度。其参数设置如表1。

表1 参数设置表

在基线解算过程中，基线解算结果的检核条件为：RMS均方根误差较小；双差固定解之质量因子ratio应大于3；双差分固定解的协方差矩阵没有异常；相邻点间基线标准误差应小于规范规定的标准误差σ；整周模糊度接近于整数。

采用GPS接收机的华测随机软件解算基线向量时，中间会出现各种各样的问题，对于这些问题进行解算和分析，采取相应的改进措施，最终获得满意的基线解算成果。在对GPS观测数据的基线向量解算过程中，采用的措施有：通过残差分析，删除残差大的数据；进行基线向量的剔除，N台GPS接收机同时观测的基线向量有N-1条独立基线；当双差分固定解不理想时，可采用舍去某段观测值的方法进行基线处理；删除掉观测数据中周跳大的卫星相位跟踪数据；对于首次解算不合格基线，通过调整高度截止角与卫星历元数重新解算，而且通过对基线的二次处理，可以提高整个GPS网的基线观测精度。

同步环闭合差、异步环闭合差是检验一个时段观测质量好坏的标志。独立闭合环及符合路线坐标闭合差满足：

式中：n—闭合环边数；σ—相应级别规定的精度（按实际平均边长计算）。

表2 四等GPS网重复基线精度统计表

4.2 GPS网平差计算

利用Compass静态解算软件首先在WGS84坐标系下进行三维自由网平差，平差结果提供各控制点在WGS-84坐标系中的三维坐标、基线向量和3个坐标差，以及基线边长和相应的精度信息。检查网本身的内符合精度、基线之间有无明显系统差和粗差，提供大地高数据。在平差过程中剔除经过重复基线检验、闭合环检验的误差较大的基线，保持GPS网整体精度。其次选取测区椭球面和中央子午线126°进行高程基准改正以及高斯投影计算，最后利用地面网12个国家三角点作为起算数据起始点进行平移、旋换后得到属于1954年北京坐标系的GPS高斯平面坐标成果。

表3 四等GPS网环闭合差精度统计

1）已知点的兼容性检验。GPS网中已知点的兼容性直接影响GPS定位成果的精度。因此，本次工作对GPS网中已知点进行必要的兼容性检验，以便发现并剔除含有粗差的已知点。可靠性分析采用约束平差法在GPS网的15个已知点中，选其中12个已知点为约束条件进行约束平差，根据非约束3个已知点的约束平差坐标异常值，可检验出含有粗差的已知点。本次工程未发现粗差已知点。对于本次工作GPS网中的已知点异常情况可以排除。

2）分区平差与统一平差。此次丰满库区作业共分5个区域进行GPS测量，为保证工作进度，各个区域的GPS网分区进行平差，以其平差结果作为此次测图工作的起算坐标。最后使用华测随机Compass静态处理专业软件统一进行平差。分区平差与统一平差计算结果最小的GPS点差值为0.042 m与最大GPS点的差值为0.082 m。四等GPS网平差精度统计结果见表4。

表4 四等GPS网平差精度统计

5 结语

1）在布设GPS网时，适当增加观测期数（时段数）对于提高GPS网的可靠性非常有效。因为，随着观测期数的增加，所测得的独立基线数就会增加，而独立基线数的增加，对网的可靠性的提高是非常有宜的。

2）保证一定的重复设站次数，可确保GPS网的可靠性。一方面，通过在同一测站上的多次观测，可有效地发现设站、对中、整平、量测天线高等人为错误；另一方面，重复设站次数的增加，也意味着观测期数的增加。不过，需要注意的是，当同一台接收机在同一测站上连续进行多个时段的观测时，各个时段间必须重新安置仪器，以更好地消除各种人为操作误差和错误。

3）在布网时要使网中所有异步环的边数不大于6条，在布设GPS网时，检查GPS观测值（基线向量）质量的最佳方法是异步环闭合差，而随着组成异步环的基线向量数的增加，其检验质量的能力将逐渐下降。

4）为保证GPS网中各相邻点具有较高的相对精度，对网中距离较近的点要进行同步观测，以获得它们间的直接观测基线。

5）采用分区平差及统一平差对于大型GPS网从质量、投资、进度方面为较为优化的方案。

［1］黄丁发，熊永良，等．全球定位系统（GPS）—理论与实践［M］．西安：西南交通大学出版社，2005．

［2］徐绍铨，张华海，杨志强，等．GPS测量原理及应用［M］．武汉：武汉大学出版社，2003：155-176．

［3］刘基余．GPS卫星导航定位原理与方法［M］．北京：科学出版社，2006．

［4］黄鹤年，庄震坤．GPS定位技术［M］．南京：河海大学出版社，1994．