GPS在水利工程測(cè)量中的應(yīng)用

GPS在水利工程測(cè)量中的應(yīng)用

張傳源

（深圳市廣水建設(shè)工程有限公司，測(cè)量總工程師）

【摘  要】GPS的測(cè)量定位原理、優(yōu)缺點(diǎn)及在水利工程中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】GPS；RTK；靜態(tài)功能；動(dòng)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(gè)項(xiàng)目，1964年投入使用。20世紀(jì)70年代，美國陸海空三軍聯(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(dá)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(jìn)，GPS的應(yīng)用變得越來越廣泛。中國市場(chǎng)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(dòng)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(lán)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(qiáng)系統(tǒng)，這個(gè)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(yùn)行周期為11h58min。衛(wèi)星用L波段的兩個(gè)無線電載波向用戶連續(xù)不斷的發(fā)送導(dǎo)航定位信號(hào)，導(dǎo)航定位信號(hào)中含有衛(wèi)星的位置信息，使衛(wèi)星成為一個(gè)動(dòng)態(tài)的已知點(diǎn)。在地球的任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻，在高度角15°以上，平均可以觀測(cè)6顆衛(wèi)星，最多可達(dá)9顆。

(2)  GPS地面監(jiān)控站主要由分布在全球的一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)檢測(cè)站組成。主控站根據(jù)各檢測(cè)站對(duì)GPS衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)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(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)器中。

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

捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星信號(hào)，跟蹤衛(wèi)星的運(yùn)行，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行交換、放大和處理，再通過計(jì)算機(jī)和相應(yīng)軟件，經(jīng)基線解算、網(wǎng)平差，求出GPS接收機(jī)中心的三維坐標(biāo)。

1.2   GPS的工作原理

GPS系統(tǒng)是一種采用距離交會(huì)法的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。設(shè)在需要的位置P點(diǎn)架設(shè)GPS接收機(jī)，在某一時(shí)刻ti同時(shí)接收了3顆 (A、B、C)以上的GPS衛(wèi)星信號(hào)，通過一系列數(shù)據(jù)處理和計(jì)算可求得該時(shí)刻GPS接收機(jī)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(shí)刻這些衛(wèi)星在空間的位置(3維坐標(biāo))。從而用距離交會(huì)的方法求得P點(diǎn)的三維坐標(biāo)(Xp,Yp,Zp)，其數(shù)學(xué)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(shí)刻ti的空間直角坐標(biāo)。

地圖基準(zhǔn)：一般用WGS84。參考方位：實(shí)際上有兩個(gè)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(chǎng)施工測(cè)量時(shí)用的是磁北。

2、GPS在水利工程測(cè)量中應(yīng)用的優(yōu)、缺點(diǎn)

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

這里介紹的GPS指的是RTK，RTK技術(shù)即GPS實(shí)時(shí)相位動(dòng)態(tài)差分定位技術(shù)，是GPS測(cè)量技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新突破，在水利工程中有廣闊的應(yīng)用前景，它保留了傳統(tǒng)GPS測(cè)量定位的高精度的同時(shí)，又具有全球性、全天候、連續(xù)、實(shí)用性。它能完成全站儀不具備的一些工作。差分GPS測(cè)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(jī)中誤差、大氣傳播誤差、衛(wèi)星軌道誤差等。水利工程測(cè)量主要應(yīng)用了它的兩大功能：靜態(tài)功能和動(dòng)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(diǎn)的三維坐標(biāo)；動(dòng)態(tài)功能是通過衛(wèi)星系統(tǒng)，把已知的三維坐標(biāo)點(diǎn)位，實(shí)地放樣地面上。利用GPS靜態(tài)定位技術(shù)和動(dòng)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(cè)量，當(dāng)前用GPS靜態(tài)或快速靜態(tài)方法建立沿線總體控制測(cè)量，為勘測(cè)階段測(cè)繪帶狀地形圖、線路平面、縱橫斷面測(cè)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(cè)耗時(shí)較長，結(jié)合理論與施工經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際工作中我們可用延長動(dòng)態(tài)觀測(cè)時(shí)間來代替靜態(tài)觀測(cè)也可取得基本符合需求的結(jié)果，這是GPS在水利測(cè)量中的初級(jí)應(yīng)用。

（2）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)定位技術(shù)。因?yàn)闊o論靜態(tài)定位，還是準(zhǔn)動(dòng)態(tài)定位等定位模式，由于數(shù)據(jù)處理滯后，所以無法實(shí)時(shí)解算出定位結(jié)果，而且也無法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核，這就難以保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，在實(shí)際工作中經(jīng)常需要返工來重測(cè)由于粗差造成的不合格觀測(cè)成果。解決這一問題的主要方法就是延長觀測(cè)時(shí)間來保證測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性，這樣一來就降低了GPS測(cè)量的工作效率。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(RTK)系統(tǒng)由基準(zhǔn)站和流動(dòng)站組成，建立無線數(shù)據(jù)通訊是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的保證，其原理是取點(diǎn)位精度較高的首級(jí)控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，安置1臺(tái)接收機(jī)作為參考站，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，流動(dòng)站上的接收機(jī)在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過無線電傳輸設(shè)備接收基準(zhǔn)站上的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這樣用戶就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)待測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量和基線解算結(jié)果的收斂情況。根據(jù)待測(cè)點(diǎn)的精度指標(biāo)，確定觀測(cè)時(shí)間，從而減少冗余觀測(cè)，提高工作效率。

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)定位有快速靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位兩種測(cè)量模式：

①快速靜態(tài)定位模式要求GPS接收機(jī)在每一流動(dòng)站上，靜止的進(jìn)行觀測(cè)。在觀測(cè)過程中，同時(shí)接收基準(zhǔn)站和衛(wèi)星的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)解算相關(guān)未知數(shù)和站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，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(jì)要求，便可以結(jié)束實(shí)時(shí)觀測(cè)。要求同時(shí)至少有3顆衛(wèi)星以上，一般應(yīng)用在控制測(cè)量中，如控制網(wǎng)加密，若采用常規(guī)測(cè)量方法(如全站儀測(cè)量)，受客觀因素影響較大，在自然條件比較惡劣的地區(qū)實(shí)施比較困難，而采用RTK快速靜態(tài)測(cè)量，可起到事半功倍的效果。單點(diǎn)定位只需要5～10 min不及靜態(tài)測(cè)量所需時(shí)間的五分之一，在水利測(cè)量中可以代替全站儀完成導(dǎo)線測(cè)量等控制點(diǎn)加密工作。

②動(dòng)態(tài)定位測(cè)量前需要在一控制點(diǎn)上靜止觀測(cè)數(shù)分鐘(有的儀器只需2～10 s)進(jìn)行初始化工作，之后流動(dòng)站就可以按預(yù)定的采樣間隔自動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，并連同基準(zhǔn)站的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)確定采樣點(diǎn)的空間位置。其定位精度可以達(dá)到㎝級(jí)。動(dòng)態(tài)定位模式在水工勘測(cè)階段有著廣闊的應(yīng)用前景，可以完成地形圖測(cè)繪、中樁測(cè)量、橫斷面測(cè)量、縱斷面測(cè)量等工作。且整個(gè)測(cè)量過程不需通視，有著常規(guī)測(cè)量儀器(如全站儀)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

（3）RTK技術(shù)主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示經(jīng)可靠性檢驗(yàn)的厘米級(jí)精度的測(cè)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(gè)放樣點(diǎn)只需要停留2～4 s，其精度和效率是常規(guī)測(cè)量所無法比擬的；

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

⑤如輔助相應(yīng)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(shì)；

⑥GPS測(cè)量可以極大地降低作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，減少野外砍伐工作量，提高作業(yè)效率；

⑦GPS高精度高程測(cè)量同高精度的平面測(cè)量一樣，是GPS測(cè)量應(yīng)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(shí)施常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量有困難時(shí)，GPS高程測(cè)量無疑是一種有效的手段。如我公司當(dāng)前使用的雙頻GPS接收機(jī)G990T，標(biāo)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(biāo)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(zhǔn)確、簡便、快速的作用。

（4）RTK技術(shù)的缺點(diǎn)：

盡管GPS有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其不是萬能的，缺點(diǎn)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(kuò)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(hào)。在深圳河B標(biāo)有多處受高大建筑和高壓電線的影響而無信號(hào)或信號(hào)不穩(wěn)定，在水工輸水隧洞施工時(shí)洞內(nèi)也是無信號(hào)的。這些情況必須要在附近信號(hào)滿足要求處，合理的用GPS做施工控制點(diǎn)后聯(lián)合全站儀施測(cè)，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(yīng)用

結(jié)合廣水建設(shè)公司多年的施工經(jīng)驗(yàn)，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(shí)際水利工程施工中的應(yīng)用。兩工程的基本內(nèi)容如下：深圳市銅鑼徑水庫擴(kuò)建工程，擴(kuò)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(biāo)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(jī)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(cè)鑒定合格，由掌握儀器使用的專業(yè)測(cè)量人員按測(cè)量方案，復(fù)測(cè)及加密控制點(diǎn)，這一過程用快

速靜態(tài)定位模式即可完成，為取得相對(duì)的高精度，可適當(dāng)?shù)难娱L觀測(cè)時(shí)間。采集地形點(diǎn)或施工放樣時(shí)用動(dòng)態(tài)測(cè)量，因?yàn)橐_保測(cè)量成果的準(zhǔn)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(cè)前必須要復(fù)合一個(gè)以上的控制點(diǎn)，確認(rèn)平面及高程無誤后，方可進(jìn)行下一步工作，而且測(cè)設(shè)后也要復(fù)合一個(gè)控制點(diǎn)。基站要有專人看護(hù)，施測(cè)過程中隨時(shí)觀察手簿中的信號(hào)狀態(tài)要處于固定解，嚴(yán)禁在單點(diǎn)或浮點(diǎn)解狀態(tài)下施測(cè)。

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

當(dāng)今科技發(fā)展日新月異，GPS技術(shù)及功能也在不斷的改進(jìn)、更新，其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)注定其必將在水利工程測(cè)量中成為主流工具而得到更廣泛的應(yīng)用。