GPS技术在水利水电工程测绘中的应用

2018-10-12帕尔哈提艾则孜

水利科学与寒区工程 2018年9期

帕尔哈提·艾则孜

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000)

1 GPS技术的内涵

GPS技术由多个卫星协同作业实现，目前GPS技术中应用的卫星有24颗，这些卫星平均分布在各个太空运行轨道上，形成了一张完整的监控与探测网络。这个网络能够对无数个终端提供数据与定位服务，最直观应用就是日常生活中常使用的汽车导航系统。GPS技术通过反馈的载波进行比对分析，实现最终定位。GPS定位结果并不是轻易得到的，多个卫星所采集的定位数据需要传输到流动站，流动站再根据基准站所提供的坐标信息，进行相位差比较，而后确定准确定位坐标。GPS技术包含的内容十分广泛，可分为修改矫正法与相位差分法两大类进行分析，修改矫正法具有一定的实时性，修正值会随着具体情况的改变而发生变化[1]。基准站将实时修正值传送给流动站，在这一基础上进行坐标确定更加准确，定位效率也能够有所提高。相位差分法是GPS技术中较为主要的一部分，通过卫星接收的载波来确定相位差。GPS系统除卫星、流动站、基准站外，还包括配套地面信息接收与监控系统，即控制站与监测站。我国GPS技术相对于许多发达国家，在应用程度上还存在一些差异。美国以其先进的科学技术在GPS的应用过程中，在原有定位基础上进一步延伸，实现了精密度更高的定位服务：普通定位与高端定位。针对不同的用户，普通定位通常采用粗测码面向普通用户，而高端定位测距码更加精确，面向美国军方以及特殊作业部门。早在21世纪初期，美国政府就已经将GPS技术中的可用性政策废除，加强GPS用户体验。对从卫星到流动站再到GPS用户数据传递的时间进行计算测量，从而得到估算定位坐标，时间估算法是一种较为精确的预测方法。GPS技术中需要通过载波来进行信息传递，目前常用载波可分为两种，即L1与L2，两者不同之处在于L1载波中附加了伪随机码与精密码，而L2载波只附加了伪随机码。在实际应用过程中，这两种载波均可进行定位工作，在水利水电工程的测绘工作中都起到一定作用。

2 探究 GPS技术在水利水电工程中的应用方法及精度

2.1 水利工程测量流程

GPS技术在水利水电工程中起到至关重要的作用，使测绘工作更加具体精确[2]。GPS技术在测绘工作中的应用有明确规范，该规章制度通过多年修改与完善于2013年正式实施。规范中根据水利水电工程GPS技术测绘的精确度进行分级，大致可分为五个等级。不同规模的水利水电工程所选用的GPS测绘等级也存在一些差异。对于中小型水利水电工程，第四等级或第四等级以下均可使用。测绘工作中GPS定位点分布需注意距离适中，不可小于平均间距的三分之一，不可大于平均间距的三倍。水利水电工程中应用到的GPS技术具体指标如表1所示。

表1 应用于水利水电工程测绘中的GPS技术指标

2.2 水利工程的平面控制与质量检查

GPS技术在静止环境下仍能进行测绘，从而实现对水利水电工程的平面控制，在具体测绘工作中，以施工区域大地作为坐标，并对坐标中的向量进行测绘。根据基准向量与测绘向量的对比值来确定具体坐标方位，从而实现对水利水电工程的平面控制。GPS技术在平面控制与质量检查中需要用到数据分析处理系统，这一系统可分为以下几个步骤[3]。首先，要确立水利水电工程的测绘目标，其次，将测绘数据输入分析处理系统，最后，根据基准向量对测绘数据进行检查与评定。测绘工作中存在一定误差，基准向量是检测误差的重要方式，可以用下列公式表示。

(1)

式中：β为基准向量中长度误差；a为原有的存在误差；h为相对误差系数；R为基准长度的平均边长，m。

GPS技术中存在许多规范，使固定误差与相对误差出现较大差异。在实际应用过程中，两种误差值通常选取与基准向量相近的数值。

2.3 拟合精度并多次检验

从水利水电工程的平面定位分布情况既可确定精确度，利用规定区域内的几何相关性对精度进行初步测绘。选取平面中规定区域内的E001、E002、E021、E022四个点位进行拟合精度检验，找出拟合高程与检验高程所存在的差距，由于点位不同，差值也出现微小差异，但差值仍在0.02～0.06之间。

3 实验结果与分析

GPS技术在水利水电工程测绘中的应用对精度要求较高，影响测绘精度的因素很多，例如地表高度与海拔高度[4]。通常GPS技术对于地表高度拥有较强的测绘能力，误差率最低值在3%左右，因此对测绘工作造成影响的更多是海拔高度测绘中存在的异常。实验中出现的误差多为基准误差与拟合误差两种。基准误差在测绘过程中易发现，能够避免。而导致拟合误差因素较多，需要重点进行研究与分析[5]。将GPS技术与传统测绘技术进行误差比较，实验中大约观测690个历元。采用GPS定位坐标，模拟水利水电工程的信号接收系统作为坐标原点，其中GPS卫星与流动站均通过拟合精度确定，实验坐标分布如图1所示。

图1 系统坐标建立

实验坐标方向分为东、北、上，定位误差如图2所示。

将纵向方向与横向方向检测到的测绘数据进行统计分析，具体参数如表2所示。

表2 测绘数据统计

图2 传统测绘法与GPS测绘误差结果图

根据实验数据可见，在拟合误差方面，GPS技术下的水利水电工程测绘工作能够达到较高的精确度，在东、北两个方向上GPS技术优势没有充分凸显出来，但在横向与纵向坐标的确定方面，GPS技术相对传统测绘技术有着绝对优势，使水利水电工程测绘工作发生实质性改变[6]。GPS技术在水利水电工程测绘中的应用还存在精度不高的问题，在实验中将伪卫星相位差分进行完善，能够有效提高东、北两个坐标方向的测绘精度，减少误差，使GPS技术应用更加完善[7]。GPS技术在水利水电工程测绘中的应用与传统测绘方式相比，操作更加简单便捷，最大程度上减少了人工作业出现的误差，使测绘效率与准确度得到一定提高。我国目前应用的GPS技术多为平面控制系统，相关技术人员需要不断研发与创新，向三维GPS技术方向发展。工程需为GPS技术的使用提供更加有利的条件，测绘数据实时记录，进行验证后方可投入工程中使用，尽量避免测绘工作中存在的误差[8]。