GPS跨河水准在南水北调穿黄工程中的应用研究

2011-06-01赵风雷杨林松薛文平

长江工程职业技术学院学报 2011年3期

赵风雷，张潇，杨林松，薛文平

（长江勘测规划设计研究院长江空间信息技术工程有限公司，武汉 430010）

1 引言

在国家特大型工程中需要布设高精度的施工控制网，首级高程控制作为其重要组成部分，通常采用国家一、二等水准要求布设。

由于大型工程往往涉及的区域广泛，或跨度大、线路长，需要经过大江大河，因此，要保证精密高程网的精度满足要求，成功地实施长距离跨河水准测量是直接影响一、二等水准测量精度的关键，从场地选择、测站布置、观测、到数据处理均有一定的技术难度，需要经验丰富的观测人员和数据处理人员。

传统的高精度跨河水准测量方法一般采用T3经纬仪倾斜螺旋法、经纬仪倾角法、测距三角高程法等方式进行。这样做对于跨河水准测量的场地要求较高，较适宜于高山峡谷地带。在河滩广阔平坦的河面上，由于需要解决视线离开水面4m以上的问题，往往需要进行专门的设施安装，较为费工、费时。

通过GPS跨河水准测量技术的应用，对如何通过精密星历解算GPS高程以及GPS跨河水准能否达到传统跨河水准的精度，满足长距离高精度高程控制网的要求等进行了研究，系统解决和总结了GPS跨河水准的关键技术及作业技术要点，提高了外业工作效率和成果的可靠性。

2 GPS高程测量原理

由于我国采用的高程系统为正常高系统，利用GPS技术所测定的大地高，无法满足用户所需求的正常高（或海拔高）。大地高H与正高Hg、正常高Hγ之间的关系如图1。

大地高H与正高Hg、正常高Hγ之间的关系可表示为

式中：hg为大地水准面差距，即大地水准面到地球椭球面的距离；ζ为高程异常，即似大地水准面到椭球面的距离。

图1 各高程系统之间的关系

大地高H可由GPS测出，正常高Hγ可用水准测量结合重力测量得出，高程异常ζ利用由GPS测量与重力观测网和地球重力模型求得。

大地高H与正常高Hγ两方向存在偏差△h（垂线偏差），相应的式（2）变为：

一般情况下，△h很小，可以忽略不计。

3 研究内容和关键技术

3．1 跨河场地的要求

根据实地地形条件，在工程实践应用中采用图2［1］形式布置进行GPS跨河水准测量，需满足下列要求：

图2 GPS跨河水准布置例图

当A1、A2与D1、D2分别与跨河轴线的对称条件不完全满足时，观测结果的区别及进度适应程度。或在假设点位布置不完全满足公式（4）、（5）、（6）的要求时，对跨河精度及方案的影响程度。

3．2 高精度跨河水准测量对GPS基线的要求

基线观测及基线解算直接关系GPS跨河水准测量的精度。

GPS观测采用不少于4台双频GPS接收机同步进行，其标称精度不得低于5mm＋1×10－6×d；每时段连续观测2h，观测时段数取决于跨河水准等级及跨河视线长度。实践中一般比规范要求多观测1～2个时段，以防其中有的时段存在粗差。

基线解算采用双差相位观测值，采用GPS连续运行跟踪站坐标作为基线结算的起算坐标，采用星历误差小于2m的精密星历。目前，IGS（国际GNSS服务组织）提供的24h精密星历精度已经能够达到GPS跨河水准测量基线结算的要求，可在其网站免费下载。

3．3 高程异常值解算

GPS测得的是跨河点的大地高，其高差为大地高差；水准测量需要得到的是一对跨河点间的正常高差。两者之前存在高程异常的因素，其相互关系由公式（3）可以得出：式中，△Hγ为跨河点间正常高差，△H为跨河点间大地高差，△ζ跨河点间高程异常差。

从公式（7）可以看出，GPS跨河水准测量的关键在于求解跨河点之间的高程异常差。由于高程异常的变化是光滑的，可以采用两岸陆上高程异常变化率的平均值作为跨河点间高程异常变化率，得出跨河点间的高程异常差。如图2所示情况，则跨河点B、C间的高程异常差为：

式中，△ζBC为跨河点间高程异常差，SBC跨河点间平距（单位：km），常高差，αAB、αCD两岸高程异常变化率，可按下式求得：

3．4 作业要点

跨河点选点及点位布置具有定量要求，因此，需要进行初步放样来实现。

弄清GPS高精度跨河水准测量的主要影响因素，针对外业作业各环节特点，研究实施过程中需要解决或特别注意的关键点，并进行必要的验证。

4 工程应用

4．1 场地特点

南水北调中线工程穿黄工程处的跨河条件十分特殊，具有以下特点：

①河滩宽阔且平坦，河流边线离大堤距离及两岸河堤相距均达5km。

②水位变化较大，尤其是汛期河流湍急。短时间内出现河水暴涨，时常将跨河处淹没。

③由于该处黄河河段处于弯道处，河道变化较频繁。跨河水准点容易经河道变化后毁坏，难于重复利用已经布埋的跨河水准点。

④汛期水面宽广，滩涂及岸边地势较低，河面离岸边视线高度不足两米，较难满足视线高。

鉴于以上地形条件，应用传统的跨河方法布点难，视线高度离河面近，且需经过长距离河滩的直接水准测量，在汛期时实施需要大量的辅助布点及特制设备，不利于提高整个高程施工控制网的精度。

4．2 场地布置

场地布置见图3，其中跨河点、非跨河点的位置同时满足一元线性方程。

图3 穿黄工程GPS跨河布置示意图

4．3 技术要点

（1）仪器安置及复位。

GPS接收机天线安置的稳定及对中整平的精确，以及不同时段天线安置复位的准确性，是GPS跨河高差误差来源的一个重要因素。尤其是不同天线在观测过程中的不均匀沉降直接影响跨河高差的精度。本项目是采用脚架安置的接收机天线，在作业前严格检校了基座和量高尺。

（2）天线高的量测。

接收机天线高的量测误差直接带入正常高差。通常采用专用量高尺来测量天线高，量高尺使用前必须通过鉴定合格。每时段观测前后应按规范要求准确量测。由于此项误差影响直接，本项目中以高于规范要求的量测限差和观测次数量测的天线高，尽量提高天线高的量测精度。

（3）观测时段长及时段数。

本项目按规范要求观测时段长度为2h，观测6个时段。实践中采用的是内业截断时段的方式，外业连续观测16h，减少时段间的操作，以防人为因素影响天线安置的稳定。

（4）基线解算及网平差。

基线结算采用的是GPS随机软件、IGS精密星历并采用了IGS跟踪站的联测数据作为基线解算的起算坐标。

图4 作业流程图

4．4 GPS跨河水准测量作业流程

穿黄工程段的水准观测考虑将渠线二等水准与穿黄工程施工控制网二等水准一并观测。跨河水准采用双过江组成闭合路线，在原常规跨河水准测量位置进行GPS跨河水准测量，跨河设置测量的主要技术要求按《国家一、二等水准测量规范》执行，实践中穿黄工程GPS跨河布置示意图如图3。

根据穿黄工程高程控制网复测要求，分别于2008、2009、2010年在黄河上进行了跨河水准测量。工程实践表明，2008～2010年应用GPS测量法实现高精度跨河水准测量，无论从场地布置、外业观测，还是内业数据平差处理，都具有自身显著的特点和鲜明的特色。严格按照操作规程进行，是成功实施GPS跨河水准测量的关键。现将其作业流程总结如图4。