GPS测量在南水北调线性工程中的应用

2011-06-28张清明汪小雷

四川水利 2011年5期

熊别,张清明,汪小雷

(中国水利水电第五工程局有限公司第五分局,成都,610225)

1 GPS测量技术的发展

1.1 GPS系统的建立

1973年12月,美国国防部批准陆、海、空三军联合研制新的卫星导航系统NAVSTAR/GPS,全称“NavigationSatelliteTimingandRaning/GlobalPositioningSystem”,其意为“卫星测时测距导航/全球定位系统”,简称GPS系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统,具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能,能为用户提供精密的三维坐标、速度和时间。自1974年以来,GPS计划经历了方案论证(1974～1978年),系统论证(1979～1987年),生产实验(1988～1993年)三个阶段。整个系统分为卫星星座、地面控制和监测站、用户设备三大部分,GPS系统由此为基础改建而成。

1.2 GPS系统的组成

GPS系统包括空间部分(GPS卫星星座)、地面控制部分(地面监控系统)和用户部分(GPS信号接收机)。

1.2.1 空间部分。由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成,分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行,能使全球任何地方、任何时间都可以观测到四颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图形(DOP),从而提供了在时间上连续的全球导航能力。

1.2.2 地面控制部分。由分布在全球的若干个跟踪站所组成的监控系统构成,包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。主控站对地面监控部分实行全面控制,收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据,利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。注入站是在每颗卫星运行至上空时,把导航数据及主控站的指令注入到卫星。监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机,能取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。

1.2.3 用户部分。由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备组成,作用是接收GPS卫星发出的信号,利用这些信号进行导航定位等工作。

1.3 GPS系统的特点

1.3.1 定位精确高。一般双频GPS接收机基线解算精度为5mm+1ppm,而红外仪标称精度为5mm+5ppm,GPS测量精度与红外仪相当。经应用实践证明,GPS相对定位精度在50km内可达10-6,100km～500km可达10-7,1000km以上可达10-9,随着距离的增长,GPS测量优越性愈加突出。

1.3.2 观测时间短。目前,20km以内相对静态定位,仅需15min。快速静态相对定位测量时,当每个流动站与基准站相距在15km以内时,流动站观测时间只需1min～2m in;动态相对定位时,流动站发出观测1min～2m in,然后可随时定位,每站观测仅需几秒。

1.3.3 测站间无需通视。GPS测量不要求测站之间互相通视,只需测站上空开阔即可,因此可节省大量的造标费用。由于无需点间通视,点位位置根据需要可稀可密,使选点工作甚为灵活,也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。

1.3.4 可提供三维坐标。经典大地测量将平面与高程采用不同的方法分别施测,GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。

1.3.5 操作简便。随着GPS接收机的不断改进,自动化程度越来越高,接收机体积越来越小,重量越来越轻,极大地减轻测量工作人员的工作紧张程度和劳动强度,使野外工作变得轻松愉快。

1.3.6 全天候作业。GPS观测可以在一天的任何时间连续进行,不受气候的影响。

1.3.7 功能多,应用广。GPS系统不仅可用于测量、导航,还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1m/s,测时的精度可达几十毫微秒,其应用领域不断扩大。

2 GPS测量在南水北调工程中的应用

南水北调中线一期总干渠漳河北至古运河南段中线工程元氏段,位于元氏县境内,起点在龙正村西,桩号为196+997.10m,终点位于元氏县与鹿泉市交界处,桩号为212+180.00m,标段长度15.1829km,内有交叉建筑物28座。

本次测量采用6台科力达风云K 9 GPS双频接收机,进行GPS静态施工控制测量作业。

2.1 布网方案

GPS控制网是实施GPS测量的基础性工作,它应在精确性、可靠性和经济性方面寻求GPS控制网的最佳方案。根据GPS测量特点分析可知,GPS网需要以一个点的坐标为定位基准,而此点的精度高低直接影响到网中各基线向量的精度和网的最终精度。同时,由于GPS网的精度与网的几何图形结构无关,且与观测权相关甚小,而影响精度的主要因素是网中各点发出基线的数目及基线的权阵。因此,GPS网的优化主要归结为两方面:GPS网基准化的优化;GPS网图形结构强度的优化。加密前的首级控制点分布见图1。

图1 南水北调元氏段首级控制点分布图

由图1和线性工程本身情况,本次GPS加密网应采用独立观测边构成闭合图形,如三角形、多边形或附合线路,以增加检核条件,提高网的可靠性。GPS网作为测量控制网,其相邻点间基线向量的精度,应分布均匀,并尽量与原有地面控制点相结合,重合点一般不少于3个(不足时应联测),且在网中分布均匀,以可靠地确定GPS网与地面之间的转换参数。为了便于GPS的测量观测和水准联测,减少多路径影响,GPS网点设在视野开阔和交通便利的地方。同时为了便于用经典方法联测或扩展,GPS网点布设通视条件要好。GPS网还必须由非同步独立观测边构成若干个闭合环或附和线路。

根据本次施工要求,需对标段内15个控制点进行加密,以满足施工测量、放样的需要。本次加密点间距300m左右,相邻点要求相互通视,沿渠道方向交替布设,加密点距渠道中心线120m左右。本次布置要求充分考虑到后期防止控制点被破坏和全站仪施工的方便。

GPS测量的基本方法有点连式、边连式和网连式三种,点连式所构成的图形几何强度太弱;网连式布网冗赘,工作量太大;边连式布网有太多的非同步闭合条件,工作量适中。根据D级GPS网的要求,我们采用同步扩展边连式布网方法,构成异步环和复测边。异步环具有良好的自检能力,能有效地发现观测成果的粗差,确保网的可靠性;复测边连接时几何强度较高。同时在满足精度的基础上,尽量减少人力、物力、财力。加密后的施工控制网布置见图2。

图2 南水北调元氏段加密控制点分布图

2.2 选点与埋标

由于GPS测量观测站之间不一定要求相互通视,而且网的图形结构也比较灵活,所以选点工作比常规控制测量简便。但由于点位的选择对于保证观测工作的顺利进行和保证测量结果的可靠性有着重要意义,所以在选点工作开始前,除收集和了解有关测区地理情况,决定其适宜的点位外,还应遵守以下原则:(1)点位应设在易于安装接收设备、视野开阔的较高点上;(2)点位目标要显著,视场周围15°以上不应有障碍物,以减小GPS信号被遮挡或被障碍物吸收;(3)点位应远离大功率无线电发射源(如电台、微波站等),其距离不小于200m;远离高压输电线和微波无线电信号传送通道,其距离不得小于50m。以避免电磁场对GPS信号的干扰;(4)点位附近不应有大面积水域或强烈干扰卫星信号接收的物体,以减弱多路径效应的影响;(5)点位应选在交通方便,有利于其他观测手段扩展与联测的地方;(6)地面基础稳定,易于点的保存。

2.3 野外作业

进行GPS测量作业时,一方面要考虑经济问题,目的在于缩短野外作业时间,节约资金,使测量费用指标达到最优;另一方面,要有较多的多余观测,以提高观测成果的精度和可靠性。同时,还必须考虑各待测点点位精度的均匀性和各观测时段的独立性。

本次观测,使用6台GPS接收机同时在6个GPS点上进行,保证同步观测时间为45m in以上,测量精度为3mm+1ppm,数据采样间隔为15s。测量时间达到要求后,2台GPS接收机位置不动,移动其它4台GPS接收机到前进方向的4个GPS控制点进行下一轮测量,依次类推完成测量任务。

2.4 平差处理

在外业测量完毕后,将测量数据输入计算机进行网平差计算。测区的投影带与上级控制网一致,即1954年北京坐标系1°分带,中央子午线为114°,X加常数=0km,Y加常数=500km。

首先对观测基线进行处理,当基线满足限差要求时,说明组成基线向量网的所有基线解算质量合格、成果可靠。否则,需删除不好的卫星、时间段,并剔除含有粗差的基线边,不让其参与平差。控制网取独立基线后共构成427个闭合环,其中同步环290个,异步环137个,闭合环相对误差最大的是JM 36-JM 38-JM 39,且为13.7ppm。本段控制网基线解算均满足限差要求,所有基线质量合格。同一边不同观测时段基线较差满足规范要求,本段控制网取独立基线后共32条重复基线,重复观测基线较差均满足规范限差要求,基线解算成果可靠。

基线解算满足要求后,进行GPS三维向量网的无约束平差,作用是在WGS-84空间直角坐标系中进行三维向量网平差。平差时首先需要输入一个点的三维坐标,并生成基线向量。对于本段控制网,选取218-1作为已知起算点进行三维约束平差。

经三维无约束平差计算后,精度满足规范要求,加密控制网的基线向量网自身的内符合精度高,基线向量没有明显系统误差和粗差,基线向量网的质量是可靠的,在此基础上可以进行二维约束平差。

三维无约束平差计算完成后,选择218-1、219-1、230-1、231-1四个复测控制点为已知点进行约束平差;按与上级控制网相同的分带投影的独立工程坐标系,对基线网进行约束转换,得到加密控制网中各点的工程独立坐标成果。本段二维约束平差计算后最弱边JM 06-JM 07,相对误差为1∶152852,最弱点为228-1,点位精度为1.692mm,精度均满足要求。

通过上述控制网平差精度分析,可得出以下结论:控制网达到D级GPS网的精度。