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

（深圳市廣水建設工程有限公司，測量總工程師）

【摘  要】GPS的測量定位原理、優缺點及在水利工程中的應用。

【關鍵詞】GPS；RTK；靜態功能；動態功能

引  言

GPS是英文Global Positioning System(全球定位系統)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，美國陸海空三軍聯合研制了新一代衛星定位系統GPS 。到1994年，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星星座己布設完成。隨著軍轉民技術浪潮的推進，GPS的應用變得越來越廣泛。中國市場95%以上被GPS占領，原來一直用的是美伽利略衛星和蘇俄的格洛納斯衛星，在2012年底中國啟動北斗（COMPASS）系統，正式提供區域服務。

在衛星分布圖上，藍色的是GPS衛星，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星，綠色的為SBAS即星基增強系統，這個主要是歐、美、日的，目前中國還沒有。

1、GPS基本結構組成及原理

1.1  GPS系統由空間衛星星座、地面監控站及用戶設備三部分構成

(1)  GPS空間衛星星座由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成。24顆衛星均勻分布在6軌道平面內，軌道平面的傾角為55°，衛星的平均高度為2.02萬㎞，運行周期為11h58min。衛星用L波段的兩個無線電載波向用戶連續不斷的發送導航定位信號，導航定位信號中含有衛星的位置信息，使衛星成為一個動態的已知點。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顆衛星，最多可達9顆。

(2)  GPS地面監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。主控站根據各檢測站對GPS衛星的觀測數據，計算各衛星的軌道參數、種差參數等，并將這些數據編制成導航電文注入到相應衛星的存儲器中。

(3)  GPS用戶設備由GPS接收機、數據處理軟件及其終端設備組成。GPS接收機可

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

1.2   GPS的工作原理

GPS系統是一種采用距離交會法的衛星導航定位系統。設在需要的位置P點架設GPS接收機，在某一時刻ti同時接收了3顆 (A、B、C)以上的GPS衛星信號，通過一系列數據處理和計算可求得該時刻GPS接收機至GPS衛星的距離SAP、SBP、SCP，同樣通過接收衛星星歷可獲得該時刻這些衛星在空間的位置(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。兩者在不同地區相差的角度不一樣的，地圖上的北是真北。在現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、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技術即GPS實時相位動態差分定位技術，是GPS測量技術發展的一個新突破，在水利工程中有廣闊的應用前景，它保留了傳統GPS測量定位的高精度的同時，又具有全球性、全天候、連續、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，如衛星中誤差、接收機中誤差、大氣傳播誤差、衛星軌道誤差等。水利工程測量主要應用了它的兩大功能：靜態功能和動態功能。

（1）靜態功能是通過接收到的衛星信息，確定地面某點的三維坐標；動態功能是通過衛星系統，把已知的三維坐標點位，實地放樣地面上。利用GPS靜態定位技術和動態定位技術相結合的方法可以高效、高精度地完成工程平面控制測量，當前用GPS靜態或快速靜態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；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，因靜態觀測耗時較長，結合理論與施工經驗，在實際工作中我們可用延長動態觀測時間來代替靜態觀測也可取得基本符合需求的結果，這是GPS在水利測量中的初級應用。

（2）實時動態(RTK)定位技術。因為無論靜態定位，還是準動態定位等定位模式，由于數據處理滯后，所以無法實時解算出定位結果，而且也無法對觀測數據進行檢核，這就難以保證觀測數據的質量，在實際工作中經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據的可靠性，這樣一來就降低了GPS測量的工作效率。實時動態定位(RTK)系統由基準站和流動站組成，建立無線數據通訊是實時動態測量的保證，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，對衛星進行連續觀測，流動站上的接收機在接收衛星信號的同時，通過無線電傳輸設備接收基準站上的觀測數據，這樣用戶就可以實時監測待測點的數據觀測質量和基線解算結果的收斂情況。根據待測點的精度指標，確定觀測時間，從而減少冗余觀測，提高工作效率。

實時動態(RTK)定位有快速靜態定位和動態定位兩種測量模式：

①快速靜態定位模式要求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星的同步觀測數據，實時解算相關未知數和站點的三維坐標，如果解算結果的變化趨于穩定，且其精度已滿足設計要求，便可以結束實時觀測。要求同時至少有3顆衛星以上，一般應用在控制測量中，如控制網加密，若采用常規測量方法(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實施比較困難，而采用RTK快速靜態測量，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動態定位測量前需要在一控制點上靜止觀測數分鐘(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據，實時確定采樣點的空間位置。其定位精度可以達到㎝級。動態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，有著常規測量儀器(如全站儀)不可比擬的優點。

（3）RTK技術主要具有以下優點：

①實時動態顯示經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作業效率；

③作業效率高，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，監理,竣工測量，養護測量，GIS前端數據采集諸多方面；

⑤如輔助相應的軟件，RTK可與全站儀聯合作業，充分發揮RTK與全站儀各自的優勢；

⑥GPS測量可以極大地降低作業勞動強度，減少野外砍伐工作量，提高作業效率；

⑦GPS高精度高程測量同高精度的平面測量一樣，是GPS測量應用的重要領域。特別是在山嶺重丘區,往往由于這些地區地形條件的限制，實施常規水準測量有困難時，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，標稱精度為靜態平面±2.5mm+1 ppm，靜態高程±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技術的缺點：

盡管GPS有諸多優點，但其不是萬能的，缺點也是客觀存在的，GPS技術具體技術規范尚不完善。為了更好的發揮GPS的作用，我公司在多年的水利工程中總結如下：如在深圳市清林徑引水調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定，在水工輸水隧洞施工時洞內也是無信號的。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技術的應用

結合廣水建設公司多年的施工經驗，現就其中的典型山區大型土方工程施工，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過國家指定的有資質的鑒定部門檢測鑒定合格，由掌握儀器使用的專業測量人員按測量方案，復測及加密控制點，這一過程用快

速靜態定位模式即可完成，為取得相對的高精度，可適當的延長觀測時間。采集地形點或施工放樣時用動態測量，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，而且測設后也要復合一個控制點。基站要有專人看護，施測過程中隨時觀察手簿中的信號狀態要處于固定解，嚴禁在單點或浮點解狀態下施測。

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據，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、測設人員可減少2～3人、測量快速及時、相對點位穩定、工作程序化等特點。

當今科技發展日新月異，GPS技術及功能也在不斷的改進、更新，其獨特的優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。