賈曉堂

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

1 概述

隨著現(xiàn)代測(cè)繪科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS定位技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代工程勘測(cè)設(shè)計(jì)中的一種重要手段。較之常規(guī)測(cè)量方法，GPS不受通視和天氣狀況的影響，勞動(dòng)強(qiáng)度低，數(shù)據(jù)精度高，并且大大縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本，在高等級(jí)施工控制網(wǎng)測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用。

遼寧省大伙房水庫(kù)輸水應(yīng)急入連工程以碧流河水庫(kù)為界，分為碧流河水庫(kù)北段工程和碧流河水庫(kù)南段工程。碧流河水庫(kù)北段工程輸水線(xiàn)路全長(zhǎng)165.07km，包括輸水管線(xiàn)150.96km、輸水隧洞14.11km，線(xiàn)路主要途經(jīng)遼陽(yáng)（遼陽(yáng)縣）、鞍山市（千山區(qū)和海城市）、營(yíng)口市（老邊區(qū)、大石橋和蓋州市）。

按照業(yè)主要求，平面控制測(cè)量以D級(jí)GPS網(wǎng)為首級(jí)控制網(wǎng)，坐標(biāo)系統(tǒng)采用1954年北京坐標(biāo)系，中央子午線(xiàn)123°。

2 測(cè)量方案

為滿(mǎn)足管線(xiàn)施工放樣的需要，保障施工順利進(jìn)行，根據(jù)工程建筑總體布局和地形情況，沿管線(xiàn)走向，間距3km左右布設(shè)兩個(gè)控制點(diǎn)，此兩點(diǎn)間距離控制在500m以上，并能夠通視。

以隧洞為分界，沿線(xiàn)路走向布設(shè)兩個(gè)GPS網(wǎng)，管線(xiàn)頭部至隧洞進(jìn)口段布設(shè)一個(gè)D級(jí)GPS網(wǎng)，網(wǎng)中點(diǎn)數(shù)為91，聯(lián)測(cè)國(guó)家已知三角點(diǎn)4個(gè)；隧洞出口至管線(xiàn)尾部段再布設(shè)一個(gè)D級(jí)GPS網(wǎng)，網(wǎng)中點(diǎn)數(shù)為29，聯(lián)測(cè)國(guó)家已知三角點(diǎn)3個(gè)。

本次外業(yè)工作對(duì)在本項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)階段布置的部分控制網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行了連測(cè)，管線(xiàn)頭部至隧洞進(jìn)口段連測(cè)了GCZQ，D6，DGH，LYD，D15；隧洞出口至管線(xiàn)尾部段連測(cè)了QJNS，G14，G17，G20，XS，QGS，為控制網(wǎng)間的銜接和統(tǒng)一提供數(shù)據(jù)支持。

3 GPS點(diǎn)位的埋設(shè)

所有控制點(diǎn)均埋設(shè)鋼筋混凝土標(biāo)石，該地區(qū)多年最大凍土深度不超過(guò)1.2m，故選用標(biāo)石規(guī)格為15cm×15cm×150cm，保證埋設(shè)深度均不小于凍土層以下0.1m，地面露出0.1m，以便于現(xiàn)場(chǎng)查找。位于標(biāo)石頂部的鋼筋十字中心即為標(biāo)心。

4 觀測(cè)方法

此次布設(shè)的GPS網(wǎng)采用4臺(tái)Leica SR530雙頻GPS衛(wèi)星接收機(jī)和4臺(tái)Trimble R7雙頻GPS衛(wèi)星接收機(jī)同時(shí)進(jìn)行靜態(tài)作業(yè)。GPS作業(yè)的基本技術(shù)要求見(jiàn)表1。

表1 GPS作業(yè)的基本技術(shù)要求

在GPS觀測(cè)前，首先根據(jù)測(cè)區(qū)中心的概略經(jīng)緯度和高程以及較新的星歷進(jìn)行預(yù)報(bào)，根據(jù)預(yù)報(bào)選擇最有利的觀測(cè)時(shí)間，提高作業(yè)效率。野外作業(yè)時(shí)，根據(jù)接收機(jī)的臺(tái)數(shù)，還有天氣、交通車(chē)輛和GPS圖形編制每天的觀測(cè)計(jì)劃，并依照實(shí)際作業(yè)的進(jìn)展情況對(duì)觀測(cè)計(jì)劃進(jìn)行必要的調(diào)整。

按照觀測(cè)計(jì)劃各組人員需按時(shí)到達(dá)指定的點(diǎn)位，并做好儀器安置和開(kāi)機(jī)的準(zhǔn)備工作，開(kāi)機(jī)后應(yīng)認(rèn)真量取記錄儀器高，GPS接收機(jī)開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)后應(yīng)時(shí)刻注意接收機(jī)的工作狀態(tài)，包括PDOP、信噪比、接收信號(hào)的類(lèi)型和數(shù)量、存儲(chǔ)容量、電池余量等，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理。在觀測(cè)過(guò)程中，觀測(cè)者不得離開(kāi)測(cè)站，應(yīng)防止人和其它物體震動(dòng)或碰動(dòng)天線(xiàn)以及遮擋衛(wèi)星信號(hào)。儀器工作正常后，應(yīng)及時(shí)填寫(xiě)GPS測(cè)量手簿中各項(xiàng)內(nèi)容，觀測(cè)結(jié)束后再量取記錄一次儀器高。每日觀測(cè)結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存或備份，確保觀測(cè)數(shù)據(jù)不丟失。GPS外業(yè)觀測(cè)采用靜態(tài)相對(duì)定位的方式。

5 數(shù)據(jù)處理

5.1 基線(xiàn)解算

在解算基線(xiàn)之前，對(duì)外業(yè)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面檢查，包括測(cè)站名、天線(xiàn)高輸入是否正確、衛(wèi)星信號(hào)是否正常、有效觀測(cè)時(shí)段是否滿(mǎn)足等。

解算軟件采用LeicaSR530GPS接收機(jī)的隨機(jī)解算軟件LEICA Geo Office Combined6.0，并采用廣播星歷，雙頻相位觀測(cè)值L1，L2，雙差組合觀測(cè)量，GPS網(wǎng)的基線(xiàn)結(jié)果采用雙差固定解?；€(xiàn)向量解算采取軟件自動(dòng)處理的方法進(jìn)行，適當(dāng)輔以人工干預(yù)模式。手工處理模式時(shí)，通過(guò)對(duì)基線(xiàn)殘差的分析，采用數(shù)據(jù)的開(kāi)窗處理技術(shù)，截取合適的時(shí)間段，刪除亞健康狀態(tài)的衛(wèi)星。解算后得到各基線(xiàn)向量值及其方差陣后，進(jìn)行同步環(huán)、重復(fù)觀測(cè)邊以及異步觀測(cè)環(huán)的檢核，對(duì)超限基線(xiàn)予以刪除或進(jìn)行野外返工。在刪除含有較大誤差的多余基線(xiàn)向量后，管線(xiàn)頭部至隧洞進(jìn)口段平面網(wǎng)共獲得符合相對(duì)質(zhì)量指標(biāo)的基線(xiàn)493條，隧洞出口至管線(xiàn)尾部段平面網(wǎng)共獲得符合相對(duì)質(zhì)量指標(biāo)的基線(xiàn)175條。

5.2 基線(xiàn)質(zhì)量分析

GPS相鄰點(diǎn)間弦長(zhǎng)精度用下式表示：

式中 σ—GPS基線(xiàn)向量的弦長(zhǎng)中誤差，mm；a—GPS接收機(jī)標(biāo)稱(chēng)精度中的固定誤差，mm；b—GPS接收機(jī)標(biāo)稱(chēng)精度中的比例誤差系數(shù)，mm/km；d—GPS網(wǎng)中相鄰點(diǎn)間的空間距離，km。

對(duì)于管線(xiàn)頭部至隧洞進(jìn)口段，σ=23.2mm；對(duì)于隧洞出口至管線(xiàn)尾部段，σ=19.3mm。

（1）重復(fù)觀測(cè)邊的檢核

對(duì)于重復(fù)觀測(cè)邊任意兩個(gè)時(shí)段的成果互差，均應(yīng)小于相應(yīng)等級(jí)規(guī)定精度，即ds≤2σ。

對(duì)于管線(xiàn)頭部至隧洞進(jìn)口段，ds≤2σ=65.6mm，網(wǎng)中ds最大值為20mm，滿(mǎn)足限差要求。

對(duì)于隧洞出口至管線(xiàn)尾部段，ds≤2σ=54.6mm，網(wǎng)中ds最大值為19mm，滿(mǎn)足限差要求。

（2）環(huán)閉合差的檢核

對(duì)于管線(xiàn)頭部至隧洞進(jìn)口段：

W（x，y，z）≤3·σ=120.6mm，網(wǎng)中W（x，y，z）max=55mm，滿(mǎn)足限差要求。

對(duì)于隧洞出口至管線(xiàn)尾部段:

W（x，y，z）≤3·σ=100.3mm，網(wǎng)中W（x，y，z）max=39mm，滿(mǎn)足限差要求。

6 GPS網(wǎng)平差

6.1 WGS84坐標(biāo)系下三維無(wú)約束平差

GPS網(wǎng)的三維無(wú)約束平差是在地心坐標(biāo)系WGS84坐標(biāo)下進(jìn)行的，其目的：（1）提供全網(wǎng)平差后的WGS84系的三維空間坐標(biāo)；（2）考察GPS網(wǎng)有無(wú)殘缺的粗差基線(xiàn)向量，即網(wǎng)的內(nèi)符合精度。無(wú)約束平差的觀測(cè)值均為GPS觀測(cè)值，通過(guò)多次試探分析，刪除網(wǎng)內(nèi)含有較大誤差的基線(xiàn)，把剩下的基線(xiàn)全部參與三維無(wú)約束平差，得到三維無(wú)約束平差成果。成果精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 三維無(wú)約束平差邊長(zhǎng)相對(duì)精度統(tǒng)計(jì)

由以上分析可知，兩個(gè)GPS網(wǎng)的內(nèi)符合精度完全達(dá)到D級(jí)GPS網(wǎng)的精度要求。

6.2 1954年北京坐標(biāo)系二維約束平差

首先對(duì)已連測(cè)的國(guó)家三角點(diǎn)的1954年北京坐標(biāo)系坐標(biāo)兼容性進(jìn)行檢核。若兩點(diǎn)之間的邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差小于1/15萬(wàn)，可認(rèn)為兼容，即可利用其進(jìn)行1954年北京坐標(biāo)系二維約束平差，否則，應(yīng)考慮采用 “一點(diǎn)一方位”的方式進(jìn)行二維約束平差。經(jīng)計(jì)算得知，對(duì)于管線(xiàn)頭部至隧洞進(jìn)口段，東堡東（DBD，國(guó)家Ⅲ等三角點(diǎn)）至連云島（LYD，國(guó)家Ⅰ等三角點(diǎn)）的邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1/37.1萬(wàn)，所以利用這兩個(gè)點(diǎn)的北京54坐標(biāo)進(jìn)行二維約束平差；而對(duì)于隧洞出口至管線(xiàn)尾部段，曲家屯南山（QJNS，國(guó)家Ⅰ等三角點(diǎn)）至杏山（XS，國(guó)家Ⅰ等三角點(diǎn)）的邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1/15.7萬(wàn)，利用這兩個(gè)點(diǎn)的北京54坐標(biāo)進(jìn)行二維約束平差。二維約束平差成果精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 二維約束平差邊長(zhǎng)相對(duì)精度統(tǒng)計(jì)

對(duì)于管線(xiàn)頭部至隧洞進(jìn)口段，最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差4.3mm（PDL）；對(duì)于隧洞出口至管線(xiàn)尾部段，最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差5.6mm（L83，L84）。從表2可以看出，兩個(gè)GPS網(wǎng)的二維約束平差成果精度完全達(dá)到D級(jí)GPS網(wǎng)的精度要求。

7 工程坐標(biāo)計(jì)算

由長(zhǎng)度歸算至參考橢球面和投影至高斯平面改正公式，得長(zhǎng)度相對(duì)誤差公式

根據(jù)上述公式計(jì)算管線(xiàn)沿途的變形量，以使管線(xiàn)各處施工放樣時(shí)的變形量最小為基本原則，確定兩個(gè)網(wǎng)工程坐標(biāo)的中央子午線(xiàn)。同時(shí)，根據(jù)聯(lián)系測(cè)量的結(jié)果，計(jì)算本控制網(wǎng)的工程坐標(biāo)與可研、設(shè)計(jì)階段的控制網(wǎng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，對(duì)全部管線(xiàn)拐點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算。

對(duì)于管線(xiàn)頭部至隧洞進(jìn)口段，測(cè)區(qū)邊界部位（L56）長(zhǎng)度投影變形達(dá)到4.7cm/km，可見(jiàn)采用高斯投影3°帶坐標(biāo)，測(cè)區(qū)邊界部位高斯投影改正過(guò)大，不能滿(mǎn)足施工放樣的需要。為了與已建立的隧洞段施工控制網(wǎng)銜接，將管線(xiàn)頭部至隧洞進(jìn)口段平面控制網(wǎng)北京54（123°帶）坐標(biāo)以隧洞進(jìn)口觀測(cè)墩J(rèn)1為基點(diǎn)進(jìn)行平移，平移值△X=-0.060m，△Y=-0.046m然后再將所有的1954年北京坐標(biāo)系坐標(biāo)換帶由123°帶換算到122°23′，由此得到管線(xiàn)頭部至隧洞進(jìn)口段控制點(diǎn)的工程坐標(biāo)。經(jīng)過(guò)換帶后，測(cè)區(qū)邊界部位長(zhǎng)度投影變形值不到2.0cm/km，滿(mǎn)足《工程測(cè)量規(guī)范》中測(cè)區(qū)內(nèi)長(zhǎng)度投影變形不大于2.5cm/km的要求。

對(duì)于隧洞出口至管線(xiàn)尾部段，該測(cè)區(qū)邊界部位長(zhǎng)度投影變形值小于1cm/km，滿(mǎn)足要求。為了與已建立的隧洞段施工控制網(wǎng)銜接，將隧洞出口至管線(xiàn)尾部段平面控制網(wǎng)北京54（123°帶）坐標(biāo)以隧洞出口觀測(cè)墩C-1為基點(diǎn)平移，平移值△X=-0.221m，△Y=-0.142m，由此得到隧洞出口至管線(xiàn)尾部段的工程坐標(biāo)。

8 結(jié)語(yǔ)

（1）大伙房水庫(kù)輸水應(yīng)急入連工程管線(xiàn)施工控制網(wǎng)測(cè)量的順利完成，是采用GPS靜態(tài)定位技術(shù)建立特長(zhǎng)帶狀平面控制網(wǎng)的成功嘗試，該網(wǎng)觀測(cè)方案合理，觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠，數(shù)據(jù)處理正確合理。證明了應(yīng)用GPS技術(shù)施測(cè)特長(zhǎng)帶狀平面控制網(wǎng)效率高、精度好。

（2）雙頻GPS接收機(jī)可以有效削弱電離層折射影響，同時(shí)能有效探測(cè)和修復(fù)整周跳變。

（3）由于外業(yè)觀測(cè)儀器較多，控制網(wǎng)點(diǎn)也較多，所以在出測(cè)前應(yīng)進(jìn)行衛(wèi)星可見(jiàn)預(yù)報(bào)分析，做好GPS網(wǎng)型設(shè)計(jì)及外業(yè)觀測(cè)調(diào)度工作。避免出現(xiàn)長(zhǎng)短邊、無(wú)檢核條件點(diǎn)連式網(wǎng)型等現(xiàn)象發(fā)生。

（4）在進(jìn)行基線(xiàn)解算時(shí)要進(jìn)行人為干預(yù)處理掉基線(xiàn)中的殘余粗差，剔除掉超限基線(xiàn)，然后才能進(jìn)行整網(wǎng)平差計(jì)算。

（5）在進(jìn)行二維約束平差時(shí)，常會(huì)遇到所連測(cè)已知點(diǎn)之間不兼容的情況，在平差前應(yīng)該對(duì)起算點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行兼容性分析，避免因?yàn)槠鹚泓c(diǎn)不兼容而引起GPS網(wǎng)變形，降低GPS網(wǎng)的內(nèi)符合精度和GPS網(wǎng)平差成果精度。

（6）在工程坐標(biāo)計(jì)算問(wèn)題上應(yīng)該具體問(wèn)題具體分析，為了使整個(gè)引水工程各個(gè)設(shè)計(jì)階段的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和諧統(tǒng)一，有必要將本施工控制網(wǎng)與原有初設(shè)、可研階段控制網(wǎng)相銜接，做法是將坐標(biāo)進(jìn)行平移，然后進(jìn)行換帶計(jì)算，從而得到施工控制網(wǎng)工程坐標(biāo)。

［1］李征航，黃勁松.GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.

［2］張勤，李家權(quán)等.GPS測(cè)量原理及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［3］張正祿，等.工程測(cè)量學(xué)［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2006.