熊 別,張清明,汪小雷

(中國水利水電第五工程局有限公司第五分局,成都,610225)

1 GPS測量技術(shù)的發(fā)展

1.1 GPS系統(tǒng)的建立

1973年12月,美國國防部批準陸、海、空三軍聯(lián)合研制新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)NAVSTAR/GPS,全稱“NavigationSatelliteTimingandRaning/GlobalPositioningSystem”,其意為“衛(wèi)星測時測距導(dǎo)航/全球定位系統(tǒng)”,簡稱GPS系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng),具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實時性的導(dǎo)航、定位和定時的功能,能為用戶提供精密的三維坐標、速度和時間。自1974年以來,GPS計劃經(jīng)歷了方案論證(1974～1978年),系統(tǒng)論證(1979～1987年),生產(chǎn)實驗(1988～1993年)三個階段。整個系統(tǒng)分為衛(wèi)星星座、地面控制和監(jiān)測站、用戶設(shè)備三大部分,GPS系統(tǒng)由此為基礎(chǔ)改建而成。

1.2 GPS系統(tǒng)的組成

GPS系統(tǒng)包括空間部分(GPS衛(wèi)星星座)、地面控制部分(地面監(jiān)控系統(tǒng))和用戶部分(GPS信號接收機)。

1.2.1 空間部分。由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成,分布在6個傾角為55°的軌道上繞地球運行,能使全球任何地方、任何時間都可以觀測到四顆以上的衛(wèi)星,并能保持良好定位解算精度的幾何圖形(DOP),從而提供了在時間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰Α?/p>

1.2.2 地面控制部分。由分布在全球的若干個跟蹤站所組成的監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成,包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站。主控站對地面監(jiān)控部分實行全面控制,收集各監(jiān)控站對GPS衛(wèi)星的全部觀測數(shù)據(jù),利用這些數(shù)據(jù)計算每顆GPS衛(wèi)星的軌道和衛(wèi)星鐘改正值。注入站是在每顆衛(wèi)星運行至上空時,把導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入到衛(wèi)星。監(jiān)控站設(shè)有GPS用戶接收機、原子鐘、收集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的傳感器和進行數(shù)據(jù)初步處理的計算機,能取得衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送至主控站。

1.2.3 用戶部分。由GPS接收機、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備組成,作用是接收GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號,利用這些信號進行導(dǎo)航定位等工作。

1.3 GPS系統(tǒng)的特點

1.3.1 定位精確高。一般雙頻GPS接收機基線解算精度為5mm+1ppm,而紅外儀標稱精度為5mm+5ppm,GPS測量精度與紅外儀相當(dāng)。經(jīng)應(yīng)用實踐證明,GPS相對定位精度在50km內(nèi)可達10-6,100km～500km可達10-7,1000km以上可達10-9,隨著距離的增長,GPS測量優(yōu)越性愈加突出。

1.3.2 觀測時間短。目前,20km以內(nèi)相對靜態(tài)定位,僅需15min?？焖凫o態(tài)相對定位測量時,當(dāng)每個流動站與基準站相距在15km以內(nèi)時,流動站觀測時間只需1min～2m in;動態(tài)相對定位時,流動站發(fā)出觀測1min～2m in,然后可隨時定位,每站觀測僅需幾秒。

1.3.3 測站間無需通視。GPS測量不要求測站之間互相通視,只需測站上空開闊即可,因此可節(jié)省大量的造標費用。由于無需點間通視,點位位置根據(jù)需要可稀可密,使選點工作甚為靈活,也可省去經(jīng)典大地網(wǎng)中的傳算點、過渡點的測量工作。

1.3.4 可提供三維坐標。經(jīng)典大地測量將平面與高程采用不同的方法分別施測,GPS可同時精確測定測站點的三維坐標。目前GPS水準可滿足四等水準測量的精度。

1.3.5 操作簡便。隨著GPS接收機的不斷改進,自動化程度越來越高,接收機體積越來越小,重量越來越輕,極大地減輕測量工作人員的工作緊張程度和勞動強度,使野外工作變得輕松愉快。

1.3.6 全天候作業(yè)。GPS觀測可以在一天的任何時間連續(xù)進行,不受氣候的影響。

1.3.7 功能多,應(yīng)用廣。GPS系統(tǒng)不僅可用于測量、導(dǎo)航,還可用于測速、測時。測速的精度可達0.1m/s,測時的精度可達幾十毫微秒,其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。

2 GPS測量在南水北調(diào)工程中的應(yīng)用

南水北調(diào)中線一期總干渠漳河北至古運河南段中線工程元氏段,位于元氏縣境內(nèi),起點在龍正村西,樁號為196+997.10m,終點位于元氏縣與鹿泉市交界處,樁號為212+180.00m,標段長度15.1829km,內(nèi)有交叉建筑物28座。

本次測量采用6臺科力達風(fēng)云K 9 GPS雙頻接收機,進行GPS靜態(tài)施工控制測量作業(yè)。

2.1 布網(wǎng)方案

GPS控制網(wǎng)是實施GPS測量的基礎(chǔ)性工作,它應(yīng)在精確性、可靠性和經(jīng)濟性方面尋求GPS控制網(wǎng)的最佳方案。根據(jù)GPS測量特點分析可知,GPS網(wǎng)需要以一個點的坐標為定位基準,而此點的精度高低直接影響到網(wǎng)中各基線向量的精度和網(wǎng)的最終精度。同時,由于GPS網(wǎng)的精度與網(wǎng)的幾何圖形結(jié)構(gòu)無關(guān),且與觀測權(quán)相關(guān)甚小,而影響精度的主要因素是網(wǎng)中各點發(fā)出基線的數(shù)目及基線的權(quán)陣。因此,GPS網(wǎng)的優(yōu)化主要歸結(jié)為兩方面:GPS網(wǎng)基準化的優(yōu)化;GPS網(wǎng)圖形結(jié)構(gòu)強度的優(yōu)化。加密前的首級控制點分布見圖1。

圖1 南水北調(diào)元氏段首級控制點分布圖

由圖1和線性工程本身情況,本次GPS加密網(wǎng)應(yīng)采用獨立觀測邊構(gòu)成閉合圖形,如三角形、多邊形或附合線路,以增加檢核條件,提高網(wǎng)的可靠性。GPS網(wǎng)作為測量控制網(wǎng),其相鄰點間基線向量的精度,應(yīng)分布均勻,并盡量與原有地面控制點相結(jié)合,重合點一般不少于3個(不足時應(yīng)聯(lián)測),且在網(wǎng)中分布均勻,以可靠地確定GPS網(wǎng)與地面之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。為了便于GPS的測量觀測和水準聯(lián)測,減少多路徑影響,GPS網(wǎng)點設(shè)在視野開闊和交通便利的地方。同時為了便于用經(jīng)典方法聯(lián)測或擴展,GPS網(wǎng)點布設(shè)通視條件要好。GPS網(wǎng)還必須由非同步獨立觀測邊構(gòu)成若干個閉合環(huán)或附和線路。

根據(jù)本次施工要求,需對標段內(nèi)15個控制點進行加密,以滿足施工測量、放樣的需要。本次加密點間距300m左右,相鄰點要求相互通視,沿渠道方向交替布設(shè),加密點距渠道中心線120m左右。本次布置要求充分考慮到后期防止控制點被破壞和全站儀施工的方便。

GPS測量的基本方法有點連式、邊連式和網(wǎng)連式三種,點連式所構(gòu)成的圖形幾何強度太弱;網(wǎng)連式布網(wǎng)冗贅,工作量太大;邊連式布網(wǎng)有太多的非同步閉合條件,工作量適中。根據(jù)D級GPS網(wǎng)的要求,我們采用同步擴展邊連式布網(wǎng)方法,構(gòu)成異步環(huán)和復(fù)測邊。異步環(huán)具有良好的自檢能力,能有效地發(fā)現(xiàn)觀測成果的粗差,確保網(wǎng)的可靠性;復(fù)測邊連接時幾何強度較高。同時在滿足精度的基礎(chǔ)上,盡量減少人力、物力、財力。加密后的施工控制網(wǎng)布置見圖2。

圖2 南水北調(diào)元氏段加密控制點分布圖

2.2 選點與埋標

由于GPS測量觀測站之間不一定要求相互通視,而且網(wǎng)的圖形結(jié)構(gòu)也比較靈活,所以選點工作比常規(guī)控制測量簡便。但由于點位的選擇對于保證觀測工作的順利進行和保證測量結(jié)果的可靠性有著重要意義,所以在選點工作開始前,除收集和了解有關(guān)測區(qū)地理情況,決定其適宜的點位外,還應(yīng)遵守以下原則:(1)點位應(yīng)設(shè)在易于安裝接收設(shè)備、視野開闊的較高點上;(2)點位目標要顯著,視場周圍15°以上不應(yīng)有障礙物,以減小GPS信號被遮擋或被障礙物吸收;(3)點位應(yīng)遠離大功率無線電發(fā)射源(如電臺、微波站等),其距離不小于200m;遠離高壓輸電線和微波無線電信號傳送通道,其距離不得小于50m。以避免電磁場對GPS信號的干擾;(4)點位附近不應(yīng)有大面積水域或強烈干擾衛(wèi)星信號接收的物體,以減弱多路徑效應(yīng)的影響;(5)點位應(yīng)選在交通方便,有利于其他觀測手段擴展與聯(lián)測的地方;(6)地面基礎(chǔ)穩(wěn)定,易于點的保存。

2.3 野外作業(yè)

進行GPS測量作業(yè)時,一方面要考慮經(jīng)濟問題,目的在于縮短野外作業(yè)時間,節(jié)約資金,使測量費用指標達到最優(yōu);另一方面,要有較多的多余觀測,以提高觀測成果的精度和可靠性。同時,還必須考慮各待測點點位精度的均勻性和各觀測時段的獨立性。

本次觀測,使用6臺GPS接收機同時在6個GPS點上進行,保證同步觀測時間為45m in以上,測量精度為3mm+1ppm,數(shù)據(jù)采樣間隔為15s。測量時間達到要求后,2臺GPS接收機位置不動,移動其它4臺GPS接收機到前進方向的4個GPS控制點進行下一輪測量,依次類推完成測量任務(wù)。

2.4 平差處理

在外業(yè)測量完畢后,將測量數(shù)據(jù)輸入計算機進行網(wǎng)平差計算。測區(qū)的投影帶與上級控制網(wǎng)一致,即1954年北京坐標系1°分帶,中央子午線為114°,X加常數(shù)=0km,Y加常數(shù)=500km。

首先對觀測基線進行處理,當(dāng)基線滿足限差要求時,說明組成基線向量網(wǎng)的所有基線解算質(zhì)量合格、成果可靠。否則,需刪除不好的衛(wèi)星、時間段,并剔除含有粗差的基線邊,不讓其參與平差?？刂凭W(wǎng)取獨立基線后共構(gòu)成427個閉合環(huán),其中同步環(huán)290個,異步環(huán)137個,閉合環(huán)相對誤差最大的是JM 36-JM 38-JM 39,且為13.7ppm。本段控制網(wǎng)基線解算均滿足限差要求,所有基線質(zhì)量合格。同一邊不同觀測時段基線較差滿足規(guī)范要求,本段控制網(wǎng)取獨立基線后共32條重復(fù)基線,重復(fù)觀測基線較差均滿足規(guī)范限差要求,基線解算成果可靠。

基線解算滿足要求后,進行GPS三維向量網(wǎng)的無約束平差,作用是在WGS-84空間直角坐標系中進行三維向量網(wǎng)平差。平差時首先需要輸入一個點的三維坐標,并生成基線向量。對于本段控制網(wǎng),選取218-1作為已知起算點進行三維約束平差。

經(jīng)三維無約束平差計算后,精度滿足規(guī)范要求,加密控制網(wǎng)的基線向量網(wǎng)自身的內(nèi)符合精度高,基線向量沒有明顯系統(tǒng)誤差和粗差,基線向量網(wǎng)的質(zhì)量是可靠的,在此基礎(chǔ)上可以進行二維約束平差。

三維無約束平差計算完成后,選擇218-1、219-1、230-1、231-1四個復(fù)測控制點為已知點進行約束平差;按與上級控制網(wǎng)相同的分帶投影的獨立工程坐標系,對基線網(wǎng)進行約束轉(zhuǎn)換,得到加密控制網(wǎng)中各點的工程獨立坐標成果。本段二維約束平差計算后最弱邊JM 06-JM 07,相對誤差為1∶152852,最弱點為228-1,點位精度為1.692mm,精度均滿足要求。

通過上述控制網(wǎng)平差精度分析,可得出以下結(jié)論:控制網(wǎng)達到D級GPS網(wǎng)的精度。

3 結(jié)語

3.1 GPS技術(shù)用于線性工程控制網(wǎng)的建立,具有周期短、精度高、觀測費用低、可靠性強的優(yōu)點。

3.2 利用GPS技術(shù)可以一次性布網(wǎng),整體平差,便于整個坐標系的統(tǒng)一。

3.3 GPS測量可以大大提高工作效率及成果質(zhì)量,不受人為因素的影響,整個作業(yè)過程全部實現(xiàn)自動化。

3.4 GPS測量可以極大地降低勞動作業(yè)強度,減少野外砍伐工作量,提高作業(yè)效率。一般GPS測量作業(yè)效率為常規(guī)測量方法的三倍以上。