GPS在水利工程測量中的應用

GPS在水利工程測量中的應用

張傳源

（深圳市廣水建設(shè)工程有限公司，測量總工程師）

【摘  要】GPS的測量定位原理、優(yōu)缺點及在水利工程中的應用。

【關(guān)鍵詞】GPS；RTK；靜態(tài)功能；動態(tài)功能

引  言

GPS是英文Global Positioning System(全球定位系統(tǒng))的簡稱。GPS起始于1958年美國軍方的一個項目，1964年投入使用。20世紀70年代，美國陸?？杖娐?lián)合研制了新一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS 。到1994年，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設(shè)完成。隨著軍轉(zhuǎn)民技術(shù)浪潮的推進，GPS的應用變得越來越廣泛。中國市場95%以上被GPS占領(lǐng)，原來一直用的是美伽利略衛(wèi)星和蘇俄的格洛納斯衛(wèi)星，在2012年底中國啟動北斗（COMPASS）系統(tǒng)，正式提供區(qū)域服務(wù)。

在衛(wèi)星分布圖上，藍色的是GPS衛(wèi)星，紅色的是Glonass（俄羅斯的格洛納斯），灰色的表示正在跟蹤或沒有鎖定的衛(wèi)星，綠色的為SBAS即星基增強系統(tǒng)，這個主要是歐、美、日的，目前中國還沒有。

1、GPS基本結(jié)構(gòu)組成及原理

1.1  GPS系統(tǒng)由空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控站及用戶設(shè)備三部分構(gòu)成

(1)  GPS空間衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。24顆衛(wèi)星均勻分布在6軌道平面內(nèi)，軌道平面的傾角為55°，衛(wèi)星的平均高度為2.02萬㎞，運行周期為11h58min。衛(wèi)星用L波段的兩個無線電載波向用戶連續(xù)不斷的發(fā)送導航定位信號，導航定位信號中含有衛(wèi)星的位置信息，使衛(wèi)星成為一個動態(tài)的已知點。在地球的任何地點、任何時刻，在高度角15°以上，平均可以觀測6顆衛(wèi)星，最多可達9顆。

(2)  GPS地面監(jiān)控站主要由分布在全球的一個主控站、三個注入站和五個檢測站組成。主控站根據(jù)各檢測站對GPS衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，計算各衛(wèi)星的軌道參數(shù)、種差參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)編制成導航電文注入到相應衛(wèi)星的存儲器中。

(3)  GPS用戶設(shè)備由GPS接收機、數(shù)據(jù)處理軟件及其終端設(shè)備組成。GPS接收機可

捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星信號，跟蹤衛(wèi)星的運行，并對信號進行交換、放大和處理，再通過計算機和相應軟件，經(jīng)基線解算、網(wǎng)平差，求出GPS接收機中心的三維坐標。

1.2   GPS的工作原理

GPS系統(tǒng)是一種采用距離交會法的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。設(shè)在需要的位置P點架設(shè)GPS接收機，在某一時刻ti同時接收了3顆 (A、B、C)以上的GPS衛(wèi)星信號，通過一系列數(shù)據(jù)處理和計算可求得該時刻GPS接收機至GPS衛(wèi)星的距離SAP、SBP、SCP，同樣通過接收衛(wèi)星星歷可獲得該時刻這些衛(wèi)星在空間的位置(3維坐標)。從而用距離交會的方法求得P點的三維坐標(Xp,Yp,Zp)，其數(shù)學式為：

SAP2=[(Xp-XA)2+(Yp-YA)2+(Zp+ZA)2]

SBP2=[(Xp-XB)2+(Yp-YB)2+(Zp+ZB)2]

SCP2=[(Xp-XC)2+(Yp-YC)2+(Zp+ZC)2]

式中(XA,YA,ZA),(XB, YB,ZB), (XC,YC,ZC)分別為衛(wèi)星A,B,C在時刻ti的空間直角坐標。

地圖基準：一般用WGS84。參考方位：實際上有兩個北，磁北和真北（簡稱CB和ZBY）。指南針指的北就是磁北，北斗星指的北就是真北。兩者在不同地區(qū)相差的角度不一樣的，地圖上的北是真北。在現(xiàn)場施工測量時用的是磁北。

2、GPS在水利工程測量中應用的優(yōu)、缺點

GPS具有操作簡便、測量速度快、精度高、全天候、不受通視條件限制、費用省等諸多優(yōu)點，因此在工程測量上的應用越來越普遍。

這里介紹的GPS指的是RTK，RTK技術(shù)即GPS實時相位動態(tài)差分定位技術(shù)，是GPS測量技術(shù)發(fā)展的一個新突破，在水利工程中有廣闊的應用前景，它保留了傳統(tǒng)GPS測量定位的高精度的同時，又具有全球性、全天候、連續(xù)、實用性。它能完成全站儀不具備的一些工作。差分GPS測量可消除或減弱定位過程中的某些誤差的影響，如衛(wèi)星中誤差、接收機中誤差、大氣傳播誤差、衛(wèi)星軌道誤差等。水利工程測量主要應用了它的兩大功能：靜態(tài)功能和動態(tài)功能。

（1）靜態(tài)功能是通過接收到的衛(wèi)星信息，確定地面某點的三維坐標；動態(tài)功能是通過衛(wèi)星系統(tǒng)，把已知的三維坐標點位，實地放樣地面上。利用GPS靜態(tài)定位技術(shù)和動態(tài)定位技術(shù)相結(jié)合的方法可以高效、高精度地完成工程平面控制測量，當前用GPS靜態(tài)或快速靜態(tài)方法建立沿線總體控制測量，為勘測階段測繪帶狀地形圖、線路平面、縱橫斷面測量提供依據(jù)；在施工階段為河道、長距離管線、橋梁、輸水隧洞等建立施工控制網(wǎng)，因靜態(tài)觀測耗時較長，結(jié)合理論與施工經(jīng)驗，在實際工作中我們可用延長動態(tài)觀測時間來代替靜態(tài)觀測也可取得基本符合需求的結(jié)果，這是GPS在水利測量中的初級應用。

（2）實時動態(tài)(RTK)定位技術(shù)。因為無論靜態(tài)定位，還是準動態(tài)定位等定位模式，由于數(shù)據(jù)處理滯后，所以無法實時解算出定位結(jié)果，而且也無法對觀測數(shù)據(jù)進行檢核，這就難以保證觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，在實際工作中經(jīng)常需要返工來重測由于粗差造成的不合格觀測成果。解決這一問題的主要方法就是延長觀測時間來保證測量數(shù)據(jù)的可靠性，這樣一來就降低了GPS測量的工作效率。實時動態(tài)定位(RTK)系統(tǒng)由基準站和流動站組成，建立無線數(shù)據(jù)通訊是實時動態(tài)測量的保證，其原理是取點位精度較高的首級控制點作為基準點，安置1臺接收機作為參考站，對衛(wèi)星進行連續(xù)觀測，流動站上的接收機在接收衛(wèi)星信號的同時，通過無線電傳輸設(shè)備接收基準站上的觀測數(shù)據(jù)，這樣用戶就可以實時監(jiān)測待測點的數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量和基線解算結(jié)果的收斂情況。根據(jù)待測點的精度指標，確定觀測時間，從而減少冗余觀測，提高工作效率。

實時動態(tài)(RTK)定位有快速靜態(tài)定位和動態(tài)定位兩種測量模式：

①快速靜態(tài)定位模式要求GPS接收機在每一流動站上，靜止的進行觀測。在觀測過程中，同時接收基準站和衛(wèi)星的同步觀測數(shù)據(jù)，實時解算相關(guān)未知數(shù)和站點的三維坐標，如果解算結(jié)果的變化趨于穩(wěn)定，且其精度已滿足設(shè)計要求，便可以結(jié)束實時觀測。要求同時至少有3顆衛(wèi)星以上，一般應用在控制測量中，如控制網(wǎng)加密，若采用常規(guī)測量方法(如全站儀測量)，受客觀因素影響較大，在自然條件比較惡劣的地區(qū)實施比較困難，而采用RTK快速靜態(tài)測量，可起到事半功倍的效果。單點定位只需要5～10 min不及靜態(tài)測量所需時間的五分之一，在水利測量中可以代替全站儀完成導線測量等控制點加密工作。

②動態(tài)定位測量前需要在一控制點上靜止觀測數(shù)分鐘(有的儀器只需2～10 s)進行初始化工作，之后流動站就可以按預定的采樣間隔自動進行觀測，并連同基準站的同步觀測數(shù)據(jù)，實時確定采樣點的空間位置。其定位精度可以達到㎝級。動態(tài)定位模式在水工勘測階段有著廣闊的應用前景，可以完成地形圖測繪、中樁測量、橫斷面測量、縱斷面測量等工作。且整個測量過程不需通視，有著常規(guī)測量儀器(如全站儀)不可比擬的優(yōu)點。

（3）RTK技術(shù)主要具有以下優(yōu)點：

①實時動態(tài)顯示經(jīng)可靠性檢驗的厘米級精度的測量成果(包括高程)；

②徹底擺脫了由于粗差造成的返工，提高了GPS作業(yè)效率；

③作業(yè)效率高，每個放樣點只需要停留2～4 s，其精度和效率是常規(guī)測量所無法比擬的；

④應用范圍廣，可以涵蓋水利工程測量(包括平、縱、橫)，施工放樣，監(jiān)理,竣工測量，養(yǎng)護測量，GIS前端數(shù)據(jù)采集諸多方面；

⑤如輔助相應的軟件，RTK可與全站儀聯(lián)合作業(yè)，充分發(fā)揮RTK與全站儀各自的優(yōu)勢；

⑥GPS測量可以極大地降低作業(yè)勞動強度，減少野外砍伐工作量，提高作業(yè)效率；

⑦GPS高精度高程測量同高精度的平面測量一樣，是GPS測量應用的重要領(lǐng)域。特別是在山嶺重丘區(qū),往往由于這些地區(qū)地形條件的限制，實施常規(guī)水準測量有困難時，GPS高程測量無疑是一種有效的手段。如我公司當前使用的雙頻GPS接收機G990T，標稱精度為靜態(tài)平面±2.5mm+1 ppm，靜態(tài)高程±5mm+1 ppm。RTK平面±8mm+1 ppm高程±15mm+1 ppm紅外儀標稱精度為5mm+5 ppm。在大型土方開挖、水庫壩體、河道整治及附屬道路的修筑中都可起到準確、簡便、快速的作用。

（4）RTK技術(shù)的缺點：

盡管GPS有諸多優(yōu)點，但其不是萬能的，缺點也是客觀存在的，GPS技術(shù)具體技術(shù)規(guī)范尚不完善。為了更好的發(fā)揮GPS的作用，我公司在多年的水利工程中總結(jié)如下：如在深圳市清林徑引水調(diào)蓄工程及深圳市銅鑼徑水庫擴建工程的連壩道路施工過程中，都發(fā)生過在一些特殊地帶GPS無信號。在深圳河B標有多處受高大建筑和高壓電線的影響而無信號或信號不穩(wěn)定，在水工輸水隧洞施工時洞內(nèi)也是無信號的。這些情況必須要在附近信號滿足要求處，合理的用GPS做施工控制點后聯(lián)合全站儀施測，方可解決，所以GPS在一定程度上并不可以完全替代全站儀的使用。

（5）RTK技術(shù)的應用

結(jié)合廣水建設(shè)公司多年的施工經(jīng)驗，現(xiàn)就其中的典型山區(qū)大型土方工程施工，簡單介紹下RTK在實際水利工程施工中的應用。兩工程的基本內(nèi)容如下：深圳市銅鑼徑水庫擴建工程，擴建后樞紐主要建筑物包括：壩體四座、溢洪道、輸水（放空）洞、輸水支線改造、岸坡整治、永久公路、防滲工程等。清林徑引水調(diào)蓄工程二、三標段共有七座壩體，溢洪道，多條永久連壩路及施工道路。

首先，GPS接收機要符合工程精度且經(jīng)過國家指定的有資質(zhì)的鑒定部門檢測鑒定合格，由掌握儀器使用的專業(yè)測量人員按測量方案，復測及加密控制點，這一過程用快

速靜態(tài)定位模式即可完成，為取得相對的高精度，可適當?shù)难娱L觀測時間。采集地形點或施工放樣時用動態(tài)測量，因為要確保測量成果的準確性，所以要盡量的固定基站，設(shè)置好儀器后，不但每次施測前必須要復合一個以上的控制點，確認平面及高程無誤后，方可進行下一步工作，而且測設(shè)后也要復合一個控制點?；疽袑Ｈ丝醋o，施測過程中隨時觀察手簿中的信號狀態(tài)要處于固定解，嚴禁在單點或浮點解狀態(tài)下施測。

在以上兩工程中，先放樣出壩體、道路等主軸線及其相應范圍線，同時記錄下原始三維坐標數(shù)據(jù)，在后期開挖的過程中分級分次恢復相應樁線點位，在這些過程中，GPS儀器都做到了儀器投入成本低、測設(shè)人員可減少2～3人、測量快速及時、相對點位穩(wěn)定、工作程序化等特點。

當今科技發(fā)展日新月異，GPS技術(shù)及功能也在不斷的改進、更新，其獨特的優(yōu)勢注定其必將在水利工程測量中成為主流工具而得到更廣泛的應用。