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GPS在水利工程测量中的应用

在水利工程测量中的应用

张传源

(深圳市广水建设工程有限公司,测量总工程师)

【摘  要】GPS的测量定位原理、优缺点及在水利工程中的应用。

【关键词】GPSRTK;静态功能;动态功能

 

是英文Global Positioning System()的简称。GPS起始于1958军方的一个项目,1964年投入使用。20世纪70年代,陆海空三军联合研制了新一代定位系统GPS 。到1994年,全球高达98%24GPS星座己布设完成。随着军转民技术浪潮的推进,GPS的应用变得越来越广泛。中国市场95%以上被GPS占领,原来一直用的是美伽利略卫星和苏俄的格洛纳斯卫星,在2012年底中国启动北斗(COMPASS)系统,正式提供区域服务。

在卫星分布图上,蓝色的是GPS卫星,红色的是Glonass(俄罗斯的格洛纳斯),灰色的表示正在跟踪或没有锁定的卫星,绿色的为SBAS,这个主要是欧、美、日的,目前中国还没有。

1GPS基本结构组成及原理

1.1  GPS系统由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成

(1)  GPS空间卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在6轨道平面内,轨道平面的倾角为55°,卫星的平均高度为2.02,运行周期为11h58min。卫星用L波段的两个无线电载波向用户连续不断的发送导航定位信号,导航定位信号中含有卫星的位置信息,使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻,在高度角15°以上,平均可以观测6颗卫星,最多可达9颗。

(2)  GPS地面监控站主要由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个检测站组成。主控站根据各检测站对GPS卫星的观测数据,计算各卫星的轨道参数、种差参数等,并将这些数据编制成导航电文注入到相应卫星的存储器中。

(3)  GPS用户设备由GPS接收机、数据处理软件及其终端设备组成。GPS接收机可


捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星信号,跟踪卫星的运行,并对信号进行交换、放大和处理,再通过计算机和相应软件,经基线解算、网平差,求出GPS接收机中心的三维坐标。

1.2   GPS的工作原理

GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。设在需要的位置P点架设接收机,在某一时刻ti同时接收了3 (ABC)以上的GPS卫星信号,通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离SAPSBPSCP,同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置(3维坐标)。从而用距离交会的方法求得P点的三维坐标(Xp,Yp,Zp),其数学式为:

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)分别为卫星A,B,C在时刻ti的空间直角坐标。

地图基准:一般用WGS84。参考方位:实际上有两个北,磁北和真北(简称CBZBY)。指南针指的北就是磁北,北斗星指的北就是真北。两者在不同地区相差的角度不一样的,地图上的北是真北。在现场施工测量时用的是磁北。

2GPS在水利工程测量中应用的优、缺点

GPS具有操作简便、测量速度快、精度高、全天候、不受通视条件限制、费用省等诸多优点,因此在工程测量上的应用越来越普遍。

这里介绍的GPS指的是RTKRTK技术即GPS实时相位动态差分定位技术,测量技术发展的一个新突破,在水利工程中有广阔的应用前景,它保留了传统GPS测量定位的高精度的同时,又具有全球性、全天候、连续、实用性。它能完成全站仪不具备的一些工作。差分GPS测量可消除或减弱定位过程中的某些误差的影响,如卫星中误差、接收机中误差、大气传播误差、卫星轨道误差等。水利工程测量主要应用了它的两大功能:静态功能和动态功能。

1)静态功能是通过接收到的卫星信息,确定地面某点的三维坐标;动态功能是通过卫星系统,把已知的三维坐标点位,实地放样地面上。利用静态定位技术和动态定位技术相结合的方法可以高效、高精度地完成工程平面控制测量,当前用静态或快速静态方法建立沿线总体控制测量,为勘测阶段测绘带状地形图、线路平面、纵横断面测量提供依据;在施工阶段为河道、长距离管线、桥梁、输水隧洞等建立施工控制网,因静态观测耗时较长,结合理论与施工经验,在实际工作中我们可用延长动态观测时间来代替静态观测也可取得基本符合需求的结果,这是在水利测量中的初级应用。

2)实时动态(RTK)定位技术。因为无论静态定位,还是准动态定位等定位模式,由于数据处理滞后,所以无法实时解算出定位结果,而且也无法对观测数据进行检核,这就难以保证观测数据的质量,在实际工作中经常需要返工来重测由于粗差造成的不合格观测成果。解决这一问题的主要方法就是延长观测时间来保证测量数据的可靠性,这样一来就降低了GPS测量的工作效率。实时动态定位(RTK)系统由基准站和流动站组成,建立无线数据通讯是实时动态测量的保证,其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点,安置1台接收机作为参考站,对卫星进行连续观测,流动站上的接收机在接收卫星信号的同时,通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据,这样用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况。根据待测点的精度指标,确定观测时间,从而减少冗余观测,提高工作效率。

实时动态(RTK)定位有快速静态定位和动态定位两种测量模式:

快速静态定位模式要求GPS接收机在每一流动站上,静止的进行观测。在观测过程中,同时接收基准站和卫星的同步观测数据,实时解算相关未知数和站点的三维坐标,如果解算结果的变化趋于稳定,且其精度已满足设计要求,便可以结束实时观测。要求同时至少有3颗卫星以上,一般应用在控制测量中,如控制网加密,若采用常规测量方法(如全站仪测量),受客观因素影响较大,在自然条件比较恶劣的地区实施比较困难,而采用RTK快速静态测量,可起到事半功倍的效果。单点定位只需要510 min不及静态测量所需时间的五分之一,在水利测量中可以代替全站仪完成导线测量等控制点加密工作。

动态定位测量前需要在一控制点上静止观测数分钟(有的仪器只需210 s)进行初始化工作,之后流动站就可以按预定的采样间隔自动进行观测,并连同基准站的同步观测数据,实时确定采样点的空间位置。其定位精度可以达到级。动态定位模式在水工勘测阶段有着广阔的应用前景,可以完成地形图测绘、中桩测量、横断面测量、纵断面测量等工作。且整个测量过程不需通视,有着常规测量仪器(如全站仪)不可比拟的优点。

3RTK技术主要具有以下优点:

实时动态显示经可靠性检验的厘米级精度的测量成果(包括高程)


彻底摆脱了由于粗差造成的返工,提高了作业效率;

作业效率高,每个放样点只需要停留24 s,其精度和效率是常规测量所无法比拟的;

应用范围广,可以涵盖水利工程测量(包括平、纵、横),施工放样,监理,竣工测量,养护测量,GIS前端数据采集诸多方面;

如辅助相应的软件,RTK可与全站仪联合作业,充分发挥RTK与全站仪各自的优势;

测量可以极大地降低作业劳动强度,减少野外砍伐工作量,提高作业效率;

高精度高程测量同高精度的平面测量一样,是测量应用的重要领域。特别是在山岭重丘区,往往由于这些地区地形条件的限制,实施常规水准测量有困难时,高程测量无疑是一种有效的手段。如我公司当前使用的双频GPS接收机G990T,标称精度为静态平面±2.5mm+1 ppm,静态高程±5mm+1 ppmRTK平面±8mm+1 ppm高程±15mm+1 ppm红外仪标称精度为5mm+5 ppm。在大型土方开挖、水库坝体、河道整治及附属道路的修筑中都可起到准确、简便、快速的作用

4RTK技术的缺点:

尽管GPS有诸多优点,但其不是万能的,缺点也是客观存在的,GPS技术具体技术规范尚不完善。为了更好的发挥GPS的作用,我公司在多年的水利工程中总结如下:如在深圳市清林径引水调蓄工程及深圳市铜锣径水库扩建工程的连坝道路施工过程中,都发生过在一些特殊地带GPS无信号。在深圳河B标有多处受高大建筑和高压电线的影响而无信号或信号不稳定,在水工输水隧洞施工时洞内也是无信号的。这些情况必须要在附近信号满足要求处,合理的用GPS做施工控制点后联合全站仪施测,方可解决,所以GPS在一定程度上并不可以完全替代全站仪的使用。

5RTK技术的应用

结合广水建设公司多年的施工经验,现就其中的典型山区大型土方工程施工,简单介绍下RTK在实际水利工程施工中的应用。两工程的基本内容如下:深圳市铜锣径水库扩建工程,扩建后枢纽主要建筑物包括:坝体四座、溢洪道、输水(放空)洞、输水支线改造、岸坡整治、永久公路、防渗工程等。清林径引水调蓄工程二、三标段共有七座坝体,溢洪道,多条永久连坝路及施工道路。

首先,GPS接收机要符合工程精度且经过国家指定的有资质的鉴定部门检测鉴定合格,由掌握仪器使用的专业测量人员按测量方案,复测及加密控制点,这一过程用

速静态定位模式即可完成,为取得相对的高精度,可适当的延长观测时间。采集地形点或施工放样时用动态测量,因为要确保测量成果的准确性,所以要尽量的固定基站,设置好仪器后,不但每次施测前必须要复合一个以上的控制点,确认平面及高程无误后,方可进行下一步工作,而且测设后也要复合一个控制点。基站要有专人看护,施测过程中随时观察手簿中的信号状态要处于固定解,严禁在单点或浮点解状态下施测。

在以上两工程中,先放样出坝体、道路等主轴线及其相应范围线,同时记录下原始三维坐标数据,在后期开挖的过程中分级分次恢复相应桩线点位,在这些过程中,GPS仪器都做到了仪器投入成本低、测设人员可减少23人、测量快速及时、相对点位稳定、工作程序化等特点。

当今科技发展日新月异,GPS技术及功能也在不断的改进、更新,其独特的优势注定其必将在水利工程测量中成为主流工具而得到更广泛的应用。