馬 峰

(河南省水利工程二局信陽江河公司，河南信陽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)實時進行定位、導航的系統(tǒng)，稱為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，簡稱GPS。經(jīng)過快速發(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地區(qū)，由于地形限制，高等級測量控制點布設(shè)困難，給水利工程施工測量帶來很大困難，而且大部分水利工程都有縱向跨度很長但橫向?qū)挾容^窄的特點，用傳統(tǒng)的控制網(wǎng)布設(shè)方法會大大增加工作量，而GPS靜態(tài)定位選點靈活、不要求測站間相互通視，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)費用。

一、靜態(tài)定位:

GPS靜態(tài)相對定位也稱為差分GPS，是采用載波相對定位觀測以及相位觀測的線性組合技術(shù)，減少各類誤差。主要用于測區(qū)平面控制網(wǎng)布設(shè)及復核。［1］

作業(yè)方法:采用兩臺(或兩臺以上)接收設(shè)備，分別安置在一條或數(shù)條基線的兩個端點，同步觀測4顆以上衛(wèi)星，每時段長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)主要分測前、測中和測后三個階段。在具體施測前要系統(tǒng)的了解測區(qū)位置及其范圍、控制網(wǎng)的控制面積、用途和精度等級、點位分布及點的數(shù)量、需要提交的成果內(nèi)容、時限要求、投入經(jīng)費、技術(shù)設(shè)計方案、測繪資料的搜集、踏勘、選點埋石與整理及儀器的校檢。

圖1

二、工程實例

南水北調(diào)中線工程鄭州2段3標位于鄭州二七區(qū)，起于鄭州賈寨，終于鄭州黃岡寺，設(shè)計樁號為SH(3)190+688.1 ～ SH(3)197+408.1，本段渠道全長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。測區(qū)地形復雜，地質(zhì)條件良好，交通不便，多為施工場地。

(一)測區(qū)平面控制點資料

測區(qū)有C等控制點兩個、D等控制點三個，其中點JSH2位于道路附近，有被車輛碾壓現(xiàn)象，其余四點標石均為不銹鋼標，標點清晰，外觀完好。點位之間植被及民房較多，互不通視。有1954年北京坐標系的成果資料，可作為渠道測區(qū)GPS控制網(wǎng)的平面坐標起算數(shù)據(jù)。

(二)平面坐標系統(tǒng)的選擇

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

表1 已有測量控制點一覽表

表2

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

坐標的轉(zhuǎn)換:由WGS-84的大地坐標轉(zhuǎn)換為WGS-84的空間直角坐標，再轉(zhuǎn)換為1954年北京空間直角坐標，最后轉(zhuǎn)換為1954年北京大地坐標系見表2。整個系統(tǒng)采用高斯投影，采用七參數(shù)法計算兩個坐標系的坐標，七參數(shù)法由三個坐標增量，三個坐標系旋轉(zhuǎn)元素，一個尺度因子構(gòu)成。七參數(shù)沒有已知，則需要知道三個點在兩個坐標系的坐標。

(三)控制網(wǎng)的設(shè)計方案

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

邊連式是通過一條公共邊將兩個同步圖形之間連接起來。邊連式布網(wǎng)有較多的重復基線和獨立環(huán)，有較好的幾何強度，平均邊長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接收機二臺，靜態(tài)平面精度5mm+0.5PPm，儀器均經(jīng)國家授權(quán)鑒定單位檢定合格。

圖2

2.測量布網(wǎng):利用兩臺接收機為一組進行同步觀測，以邊連式組網(wǎng)。觀測時段為二時段，每時段45-50min。觀測期間接收機能觀測到6顆以上有效衛(wèi)星，GPS接收機觀測數(shù)據(jù)接收及處理時衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為20°。

3.外業(yè)觀測:嚴格按照《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程》進行測量作業(yè)。每日觀測結(jié)束后，及時將觀測手薄數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到計算機上，同時應(yīng)進行當天的基線解算。觀測手薄格式如表3所示。

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

表3 觀測手薄格式

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→重測與補測→WGS-84中經(jīng)典自由網(wǎng)平差→網(wǎng)精度分析→北京54/80/地方獨立中三維無約束平差→三維約束平差→二維平差。

1.基線解算:

XCQ12975-YCQ52974觀測量L1同步時長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)為相鄰點間的距離。根據(jù)上述公式計算出本次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:

閉合環(huán)最大節(jié)點數(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)情況見表6。

表6

環(huán)中的點:CQ12 YCQ5 XCQ1

異步環(huán)情況見表7。

表7

環(huán)中的點:SSL2 SSL4 YCQ5

由同步環(huán)及異步環(huán)檢驗可知基線相對誤差符合精度標準。

3.重復基線檢驗:

采取重復基線檢驗剔除誤差超限、不合格的基線，剔除后獨立環(huán)所含基線數(shù)仍能滿足GB-T8314-2009全球定位系統(tǒng)測量規(guī)范要求，不需要重測或者補測，見表8。

表8

4.WGS84-坐標系下經(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基線及其改正見表9。

表9

平差后WGS84坐標和點位精度見表10。

表10

5.網(wǎng)精度分析

當前坐標系統(tǒng):114

橢球長半徑:6378245.000000

橢球扁率:1/298.3

控制等級E級-2009

投影比率M0=1.000000

投影高H=0.000

原點維度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)配合法進行轉(zhuǎn)換見表11。

表11

二維平差

單位權(quán)中誤差0.004780 m

平差后坐標和點位精度見表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個控制點的Rms最大值為1.8243，可見本次GPS靜態(tài)平面控制網(wǎng)成果符合精度要求。

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

(六)誤差分析

1.GPS的誤差來源一般分為四類:

(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)星信號發(fā)射時的天線相位中心變化以及美國采用的SA技術(shù)。

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

(3)與接收機相關(guān)的誤差:主要有接收機鐘誤差、接收機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算機處理過程中產(chǎn)生的誤差。

本次測量過程中天氣晴朗，有微風，地形開闊少行人干擾，誤差較小。

2.針對GPS誤差來源，可以采取以下幾種方法減少誤差:

(1)已知點檢核比較法。在布設(shè)GPS靜態(tài)控制網(wǎng)之前，用RTK抽取較多的點進行觀測，把觀測結(jié)果與抽測點的已知坐標或用全站儀測得的抽測點坐標進行對比，發(fā)現(xiàn)問題則立即改正。

(2)站址的選擇上一是要選擇在地理位置良好、通視良好、交通便利且控制點易于長期保存的地點來埋及安置儀器。二是測站要視野開闊、無障礙物以減少對衛(wèi)星信號傳播產(chǎn)生的干擾。三是要遠離大功率無線電發(fā)射源。四是選擇站點時要遠離大面積水域、建筑物等信號反射物，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標石，有利于在數(shù)據(jù)處理時選取多個已知點結(jié)算出兩個以上的平差成果進行對比以選取最佳成果。

［1］李秀海，尚國學，杜國明.GPS工程控制網(wǎng)坐標系的選擇和短邊GPS高程精度分析［J］.測繪工程，2003(2).

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