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        GPS工程控制網(wǎng)在水利工程中的應(yīng)用

        2013-11-13 08:50:28
        中州大學(xué)學(xué)報(bào) 2013年4期
        關(guān)鍵詞:測(cè)區(qū)接收機(jī)控制點(diǎn)

        馬 峰

        (河南省水利工程二局信陽(yáng)江河公司,河南信陽(yáng)464000)

        全球定位系統(tǒng)(Global Positioning SystDm -GPS):利用GPS定位衛(wèi)星,在全球范圍內(nèi)實(shí)時(shí)進(jìn)行定位、導(dǎo)航的系統(tǒng),稱(chēng)為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),簡(jiǎn)稱(chēng)GPS。經(jīng)過(guò)快速發(fā)展,目前GPS在水利工程中的應(yīng)用優(yōu)為廣泛。大多數(shù)水利工程都位于偏遠(yuǎn)地區(qū),由于地形限制,高等級(jí)測(cè)量控制點(diǎn)布設(shè)困難,給水利工程施工測(cè)量帶來(lái)很大困難,而且大部分水利工程都有縱向跨度很長(zhǎng)但橫向?qū)挾容^窄的特點(diǎn),用傳統(tǒng)的控制網(wǎng)布設(shè)方法會(huì)大大增加工作量,而GPS靜態(tài)定位選點(diǎn)靈活、不要求測(cè)站間相互通視,全天候作業(yè)、作業(yè)效率高且作業(yè)成本低,大大降低了布網(wǎng)費(fèi)用。

        一、靜態(tài)定位:

        GPS靜態(tài)相對(duì)定位也稱(chēng)為差分GPS,是采用載波相對(duì)定位觀測(cè)以及相位觀測(cè)的線性組合技術(shù),減少各類(lèi)誤差。主要用于測(cè)區(qū)平面控制網(wǎng)布設(shè)及復(fù)核。[1]

        作業(yè)方法:采用兩臺(tái)(或兩臺(tái)以上)接收設(shè)備,分別安置在一條或數(shù)條基線的兩個(gè)端點(diǎn),同步觀測(cè)4顆以上衛(wèi)星,每時(shí)段長(zhǎng)45 min至2 h或更多。作業(yè)布置如圖1所示。

        布設(shè)GPS工程控制網(wǎng)主要分測(cè)前、測(cè)中和測(cè)后三個(gè)階段。在具體施測(cè)前要系統(tǒng)的了解測(cè)區(qū)位置及其范圍、控制網(wǎng)的控制面積、用途和精度等級(jí)、點(diǎn)位分布及點(diǎn)的數(shù)量、需要提交的成果內(nèi)容、時(shí)限要求、投入經(jīng)費(fèi)、技術(shù)設(shè)計(jì)方案、測(cè)繪資料的搜集、踏勘、選點(diǎn)埋石與整理及儀器的校檢。

        圖1

        二、工程實(shí)例

        南水北調(diào)中線工程鄭州2段3標(biāo)位于鄭州二七區(qū),起于鄭州賈寨,終于鄭州黃岡寺,設(shè)計(jì)樁號(hào)為SH(3)190+688.1 ~ SH(3)197+408.1,本段渠道全長(zhǎng)6.72 km。其中多分布城中村,該區(qū)多為務(wù)工人員。氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶詺夂騾^(qū),氣候溫和,四季分明,光照充足。年平均氣溫14.3℃,降雨量640毫米。夏季七月份最熱,月平均氣溫27.3℃。冬季一月份最冷,月平均氣溫為-0.2℃。冬季寒冷而干燥,春秋季節(jié),冷暖適中。測(cè)區(qū)地形復(fù)雜,地質(zhì)條件良好,交通不便,多為施工場(chǎng)地。

        (一)測(cè)區(qū)平面控制點(diǎn)資料

        測(cè)區(qū)有C等控制點(diǎn)兩個(gè)、D等控制點(diǎn)三個(gè),其中點(diǎn)JSH2位于道路附近,有被車(chē)輛碾壓現(xiàn)象,其余四點(diǎn)標(biāo)石均為不銹鋼標(biāo),標(biāo)點(diǎn)清晰,外觀完好。點(diǎn)位之間植被及民房較多,互不通視。有1954年北京坐標(biāo)系的成果資料,可作為渠道測(cè)區(qū)GPS控制網(wǎng)的平面坐標(biāo)起算數(shù)據(jù)。

        (二)平面坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇

        由于使用的是1954年北京坐標(biāo)系3度帶第38帶。在本測(cè)區(qū)的長(zhǎng)度投影變形值經(jīng)計(jì)算已經(jīng)超過(guò)了規(guī)范規(guī)定的2.5 cm/Km,故本次測(cè)量的平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用經(jīng)改算的1954年北京坐標(biāo)系,可以滿足本次控制網(wǎng)布設(shè)的需求,其基準(zhǔn)參數(shù)如表1所示。

        表1 已有測(cè)量控制點(diǎn)一覽表

        表2

        中央子午線經(jīng)度為東經(jīng)114°,邊長(zhǎng)的高程歸化面為±0 m,坐標(biāo)值采用通用值。

        坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換:由WGS-84的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為WGS-84的空間直角坐標(biāo),再轉(zhuǎn)換為1954年北京空間直角坐標(biāo),最后轉(zhuǎn)換為1954年北京大地坐標(biāo)系見(jiàn)表2。整個(gè)系統(tǒng)采用高斯投影,采用七參數(shù)法計(jì)算兩個(gè)坐標(biāo)系的坐標(biāo),七參數(shù)法由三個(gè)坐標(biāo)增量,三個(gè)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)元素,一個(gè)尺度因子構(gòu)成。七參數(shù)沒(méi)有已知,則需要知道三個(gè)點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

        (三)控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案

        以D等點(diǎn)LXCQ1作為GPS控制網(wǎng)平面起算數(shù)據(jù),以同等級(jí)擴(kuò)展D等 GPS控制網(wǎng),采用中點(diǎn)多邊形的圖形結(jié)構(gòu),用邊連式的方法進(jìn)行施測(cè)。[2]

        邊連式是通過(guò)一條公共邊將兩個(gè)同步圖形之間連接起來(lái)。邊連式布網(wǎng)有較多的重復(fù)基線和獨(dú)立環(huán),有較好的幾何強(qiáng)度,平均邊長(zhǎng)2 Km。布設(shè)方案如圖2所示。

        (四)E等GPS平面控制網(wǎng)的布設(shè)方案

        1.儀器設(shè)備:采用南方R70與南方S66接收機(jī)二臺(tái),靜態(tài)平面精度5mm+0.5PPm,儀器均經(jīng)國(guó)家授權(quán)鑒定單位檢定合格。

        圖2

        2.測(cè)量布網(wǎng):利用兩臺(tái)接收機(jī)為一組進(jìn)行同步觀測(cè),以邊連式組網(wǎng)。觀測(cè)時(shí)段為二時(shí)段,每時(shí)段45-50min。觀測(cè)期間接收機(jī)能觀測(cè)到6顆以上有效衛(wèi)星,GPS接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)接收及處理時(shí)衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為20°。

        3.外業(yè)觀測(cè):嚴(yán)格按照《全球定位系統(tǒng)城市測(cè)量技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)量作業(yè)。每日觀測(cè)結(jié)束后,及時(shí)將觀測(cè)手薄數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到計(jì)算機(jī)上,同時(shí)應(yīng)進(jìn)行當(dāng)天的基線解算。觀測(cè)手薄格式如表3所示。

        GPS-E級(jí)網(wǎng)的主要技術(shù)要求應(yīng)符合表4規(guī)定。

        表3 觀測(cè)手薄格式

        表4 GPS網(wǎng)的主要技術(shù)要求①

        (五)內(nèi)業(yè)處理

        內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程:

        數(shù)據(jù)傳輸→手簿輸入→資料加工→資料預(yù)處理→基線解算→基線成果檢驗(yàn)→重測(cè)與補(bǔ)測(cè)→WGS-84中經(jīng)典自由網(wǎng)平差→網(wǎng)精度分析→北京54/80/地方獨(dú)立中三維無(wú)約束平差→三維約束平差→二維平差。

        1.基線解算:

        XCQ12975-YCQ52974觀測(cè)量L1同步時(shí)長(zhǎng)55,歷元間隔:30高度截止角:20.0

        解算設(shè)置雙差固定解為合格解。

        成果表見(jiàn)表5。

        表5

        式中a(mm)為固定誤差;b(ppm)為比例誤差系數(shù);d(km)為相鄰點(diǎn)間的距離。根據(jù)上述公式計(jì)算出本次GPS網(wǎng)相鄰基線中誤差限差為σ=5.831mm。

        2.同步環(huán)、異步環(huán)檢驗(yàn):

        閉合環(huán)最大節(jié)點(diǎn)數(shù):3

        閉合環(huán)總數(shù):118

        同步環(huán)總數(shù):92

        異步環(huán)總數(shù):26

        同步環(huán)情況見(jiàn)表6。

        表6

        環(huán)中的點(diǎn):CQ12 YCQ5 XCQ1

        異步環(huán)情況見(jiàn)表7。

        表7

        環(huán)中的點(diǎn):SSL2 SSL4 YCQ5

        由同步環(huán)及異步環(huán)檢驗(yàn)可知基線相對(duì)誤差符合精度標(biāo)準(zhǔn)。

        3.重復(fù)基線檢驗(yàn):

        采取重復(fù)基線檢驗(yàn)剔除誤差超限、不合格的基線,剔除后獨(dú)立環(huán)所含基線數(shù)仍能滿足GB-T8314-2009全球定位系統(tǒng)測(cè)量規(guī)范要求,不需要重測(cè)或者補(bǔ)測(cè),見(jiàn)表8。

        表8

        4.WGS84-坐標(biāo)系下經(jīng)典自由網(wǎng)平差平差結(jié)果三維自由網(wǎng)平差單位權(quán)中誤差:0.020160 m基線及其改正見(jiàn)表9。

        表9

        平差后WGS84坐標(biāo)和點(diǎn)位精度見(jiàn)表10。

        表10

        5.網(wǎng)精度分析

        當(dāng)前坐標(biāo)系統(tǒng):114

        橢球長(zhǎng)半徑:6378245.000000

        橢球扁率:1/298.3

        控制等級(jí)E級(jí)-2009

        投影比率M0=1.000000

        投影高H=0.000

        原點(diǎn)維度B0=0.000000000N

        中央子午線L0=114.000000000E

        北向加N0=0.000000

        東向加E0=500000.000

        采用網(wǎng)配合法進(jìn)行轉(zhuǎn)換見(jiàn)表11。

        表11

        二維平差

        單位權(quán)中誤差0.004780 m

        平差后坐標(biāo)和點(diǎn)位精度見(jiàn)表12。

        表12

        此次基線解算以雙差固定解作為最終結(jié)果,雙差固定解的可靠性由固定解的單位權(quán)中誤差(Rms)做參考。由二維平差成果可知本次平差成果47個(gè)控制點(diǎn)的Rms最大值為1.8243,可見(jiàn)本次GPS靜態(tài)平面控制網(wǎng)成果符合精度要求。

        由于GPS測(cè)得的高程精度與水準(zhǔn)測(cè)量的成果相比精度較低,且目前并沒(méi)有規(guī)范明確規(guī)定GPS高程可代替水準(zhǔn)測(cè)量高程,故本次測(cè)量不采用高程成果。

        (六)誤差分析

        1.GPS的誤差來(lái)源一般分為四類(lèi):

        (1)與GPS衛(wèi)星相關(guān)的誤差:主要有鐘誤差、GPS衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)的天線相位中心變化以及美國(guó)采用的SA技術(shù)。

        (2)與信號(hào)傳播相關(guān)誤差:主要是電離層、對(duì)流層延遲,多路徑效應(yīng)。

        (3)與接收機(jī)相關(guān)的誤差:主要有接收機(jī)鐘誤差、接收機(jī)天線相位中線變化以及GPS儀器硬件和軟件造成的影響。

        (4)其他誤差:主要是人為操作以及計(jì)算機(jī)處理過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。

        本次測(cè)量過(guò)程中天氣晴朗,有微風(fēng),地形開(kāi)闊少行人干擾,誤差較小。

        2.針對(duì)GPS誤差來(lái)源,可以采取以下幾種方法減少誤差:

        (1)已知點(diǎn)檢核比較法。在布設(shè)GPS靜態(tài)控制網(wǎng)之前,用RTK抽取較多的點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè),把觀測(cè)結(jié)果與抽測(cè)點(diǎn)的已知坐標(biāo)或用全站儀測(cè)得的抽測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題則立即改正。

        (2)站址的選擇上一是要選擇在地理位置良好、通視良好、交通便利且控制點(diǎn)易于長(zhǎng)期保存的地點(diǎn)來(lái)埋及安置儀器。二是測(cè)站要視野開(kāi)闊、無(wú)障礙物以減少對(duì)衛(wèi)星信號(hào)傳播產(chǎn)生的干擾。三是要遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源。四是選擇站點(diǎn)時(shí)要遠(yuǎn)離大面積水域、建筑物等信號(hào)反射物,以避免產(chǎn)生多路徑效應(yīng)。(3)利用未產(chǎn)生偏移的原有控制點(diǎn)標(biāo)石,有利于在數(shù)據(jù)處理時(shí)選取多個(gè)已知點(diǎn)結(jié)算出兩個(gè)以上的平差成果進(jìn)行對(duì)比以選取最佳成果。

        [1]李秀海,尚國(guó)學(xué),杜國(guó)明.GPS工程控制網(wǎng)坐標(biāo)系的選擇和短邊GPS高程精度分析[J].測(cè)繪工程,2003(2).

        [2]龐瑞炎,嚴(yán)桂強(qiáng).河道GPS平面控制網(wǎng)網(wǎng)形設(shè)計(jì)[J].珠江水運(yùn),2009(4).

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