GPS在特长线引水施工控制网测量中的应用

2010-12-31贾晓堂

东北水利水电 2010年3期

贾晓堂

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳 110006）

1 概述

随着现代测绘科学技术的不断发展，GPS定位技术已经成为现代工程勘测设计中的一种重要手段。较之常规测量方法，GPS不受通视和天气状况的影响，劳动强度低，数据精度高，并且大大缩短了设计周期，降低了设计成本，在高等级施工控制网测量中得到了广泛应用。

辽宁省大伙房水库输水应急入连工程以碧流河水库为界，分为碧流河水库北段工程和碧流河水库南段工程。碧流河水库北段工程输水线路全长165.07km，包括输水管线150.96km、输水隧洞14.11km，线路主要途经辽阳（辽阳县）、鞍山市（千山区和海城市）、营口市（老边区、大石桥和盖州市）。

按照业主要求，平面控制测量以D级GPS网为首级控制网，坐标系统采用1954年北京坐标系，中央子午线123°。

2 测量方案

为满足管线施工放样的需要，保障施工顺利进行，根据工程建筑总体布局和地形情况，沿管线走向，间距3km左右布设两个控制点，此两点间距离控制在500m以上，并能够通视。

以隧洞为分界，沿线路走向布设两个GPS网，管线头部至隧洞进口段布设一个D级GPS网，网中点数为91，联测国家已知三角点4个；隧洞出口至管线尾部段再布设一个D级GPS网，网中点数为29，联测国家已知三角点3个。

本次外业工作对在本项目初步设计阶段布置的部分控制网点进行了连测，管线头部至隧洞进口段连测了GCZQ，D6，DGH，LYD，D15；隧洞出口至管线尾部段连测了QJNS，G14，G17，G20，XS，QGS，为控制网间的衔接和统一提供数据支持。

3 GPS点位的埋设

所有控制点均埋设钢筋混凝土标石，该地区多年最大冻土深度不超过1.2m，故选用标石规格为15cm×15cm×150cm，保证埋设深度均不小于冻土层以下0.1m，地面露出0.1m，以便于现场查找。位于标石顶部的钢筋十字中心即为标心。

4 观测方法

此次布设的GPS网采用4台Leica SR530双频GPS卫星接收机和4台Trimble R7双频GPS卫星接收机同时进行静态作业。GPS作业的基本技术要求见表1。

表1 GPS作业的基本技术要求

在GPS观测前，首先根据测区中心的概略经纬度和高程以及较新的星历进行预报，根据预报选择最有利的观测时间，提高作业效率。野外作业时，根据接收机的台数，还有天气、交通车辆和GPS图形编制每天的观测计划，并依照实际作业的进展情况对观测计划进行必要的调整。

按照观测计划各组人员需按时到达指定的点位，并做好仪器安置和开机的准备工作，开机后应认真量取记录仪器高，GPS接收机开始记录数据后应时刻注意接收机的工作状态，包括PDOP、信噪比、接收信号的类型和数量、存储容量、电池余量等，发现异常及时处理。在观测过程中，观测者不得离开测站，应防止人和其它物体震动或碰动天线以及遮挡卫星信号。仪器工作正常后，应及时填写GPS测量手簿中各项内容，观测结束后再量取记录一次仪器高。每日观测结束后，应及时将数据转存或备份，确保观测数据不丢失。GPS外业观测采用静态相对定位的方式。

5 数据处理

5.1 基线解算

在解算基线之前，对外业采集的数据进行全面检查，包括测站名、天线高输入是否正确、卫星信号是否正常、有效观测时段是否满足等。

解算软件采用LeicaSR530GPS接收机的随机解算软件LEICA Geo Office Combined6.0，并采用广播星历，双频相位观测值L1，L2，双差组合观测量，GPS网的基线结果采用双差固定解。基线向量解算采取软件自动处理的方法进行，适当辅以人工干预模式。手工处理模式时，通过对基线残差的分析，采用数据的开窗处理技术，截取合适的时间段，删除亚健康状态的卫星。解算后得到各基线向量值及其方差阵后，进行同步环、重复观测边以及异步观测环的检核，对超限基线予以删除或进行野外返工。在删除含有较大误差的多余基线向量后，管线头部至隧洞进口段平面网共获得符合相对质量指标的基线493条，隧洞出口至管线尾部段平面网共获得符合相对质量指标的基线175条。

5.2 基线质量分析

GPS相邻点间弦长精度用下式表示：

式中 σ—GPS基线向量的弦长中误差，mm；a—GPS接收机标称精度中的固定误差，mm；b—GPS接收机标称精度中的比例误差系数，mm/km；d—GPS网中相邻点间的空间距离，km。

对于管线头部至隧洞进口段，σ=23.2mm；对于隧洞出口至管线尾部段，σ=19.3mm。

（1）重复观测边的检核

对于重复观测边任意两个时段的成果互差，均应小于相应等级规定精度，即ds≤2σ。

对于管线头部至隧洞进口段，ds≤2σ=65.6mm，网中ds最大值为20mm，满足限差要求。

对于隧洞出口至管线尾部段，ds≤2σ=54.6mm，网中ds最大值为19mm，满足限差要求。

（2）环闭合差的检核

对于管线头部至隧洞进口段：

W（x，y，z）≤3·σ=120.6mm，网中W（x，y，z）max=55mm，满足限差要求。

对于隧洞出口至管线尾部段:

W（x，y，z）≤3·σ=100.3mm，网中W（x，y，z）max=39mm，满足限差要求。

6 GPS网平差

6.1 WGS84坐标系下三维无约束平差

GPS网的三维无约束平差是在地心坐标系WGS84坐标下进行的，其目的：（1）提供全网平差后的WGS84系的三维空间坐标；（2）考察GPS网有无残缺的粗差基线向量，即网的内符合精度。无约束平差的观测值均为GPS观测值，通过多次试探分析，删除网内含有较大误差的基线，把剩下的基线全部参与三维无约束平差，得到三维无约束平差成果。成果精度统计见表2。

表2 三维无约束平差边长相对精度统计

由以上分析可知，两个GPS网的内符合精度完全达到D级GPS网的精度要求。

6.2 1954年北京坐标系二维约束平差

首先对已连测的国家三角点的1954年北京坐标系坐标兼容性进行检核。若两点之间的边长相对中误差小于1/15万，可认为兼容，即可利用其进行1954年北京坐标系二维约束平差，否则，应考虑采用 “一点一方位”的方式进行二维约束平差。经计算得知，对于管线头部至隧洞进口段，东堡东（DBD，国家Ⅲ等三角点）至连云岛（LYD，国家Ⅰ等三角点）的边长相对中误差为1/37.1万，所以利用这两个点的北京54坐标进行二维约束平差；而对于隧洞出口至管线尾部段，曲家屯南山（QJNS，国家Ⅰ等三角点）至杏山（XS，国家Ⅰ等三角点）的边长相对中误差为1/15.7万，利用这两个点的北京54坐标进行二维约束平差。二维约束平差成果精度统计见表3。

表3 二维约束平差边长相对精度统计

对于管线头部至隧洞进口段，最弱点点位中误差4.3mm（PDL）；对于隧洞出口至管线尾部段，最弱点点位中误差5.6mm（L83，L84）。从表2可以看出，两个GPS网的二维约束平差成果精度完全达到D级GPS网的精度要求。

7 工程坐标计算

由长度归算至参考椭球面和投影至高斯平面改正公式，得长度相对误差公式

根据上述公式计算管线沿途的变形量，以使管线各处施工放样时的变形量最小为基本原则，确定两个网工程坐标的中央子午线。同时，根据联系测量的结果，计算本控制网的工程坐标与可研、设计阶段的控制网的坐标转换参数，对全部管线拐点设计坐标进行转换计算。

对于管线头部至隧洞进口段，测区边界部位（L56）长度投影变形达到4.7cm/km，可见采用高斯投影3°带坐标，测区边界部位高斯投影改正过大，不能满足施工放样的需要。为了与已建立的隧洞段施工控制网衔接，将管线头部至隧洞进口段平面控制网北京54（123°带）坐标以隧洞进口观测墩J1为基点进行平移，平移值△X=-0.060m，△Y=-0.046m然后再将所有的1954年北京坐标系坐标换带由123°带换算到122°23′，由此得到管线头部至隧洞进口段控制点的工程坐标。经过换带后，测区边界部位长度投影变形值不到2.0cm/km，满足《工程测量规范》中测区内长度投影变形不大于2.5cm/km的要求。

对于隧洞出口至管线尾部段，该测区边界部位长度投影变形值小于1cm/km，满足要求。为了与已建立的隧洞段施工控制网衔接，将隧洞出口至管线尾部段平面控制网北京54（123°带）坐标以隧洞出口观测墩C-1为基点平移，平移值△X=-0.221m，△Y=-0.142m，由此得到隧洞出口至管线尾部段的工程坐标。