摘要：本文概述了GPS技術(shù)及其特點和在水利工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望了GPS技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用前景.
　　[關(guān)鍵詞]GPS技術(shù);控制網(wǎng)精度;數(shù)據(jù)處理
　　1GPS在水電工程中應(yīng)用概述
　　GPS技術(shù)在我國水電工程建設(shè)中已獲得應(yīng)用,但是,更深層次的開發(fā)和推廣尚有待進一步開展,主要原因是水電工程特有的地形及環(huán)境條件。例如工程區(qū)域常位于深山峽谷,對可見衛(wèi)星信號的接收有困難,以及對GPS定位精度存有疑慮、對目前GPS技術(shù)的進展了解不夠等。從目前GPS定位精度來看,通過采用必要的數(shù)據(jù)處理技術(shù),定位精度達到±1～±2mm是不困難的。因此,只要環(huán)境條件允許,在水電工程中積極推廣GPS技術(shù),對促進我國水電事業(yè)的發(fā)展將有積極意義。實時施工測控系統(tǒng)在三峽大壩早期圍堰合攏時,GPS實時測量技術(shù)曾在合攏口的形態(tài)和水文特性的測量中得到應(yīng)用,其實,GPS在水電工程中的應(yīng)用可以揮更大的作用。大型水電工程施工場面很大,構(gòu)筑物繁多。因此,傳統(tǒng)的施工測量作業(yè)任務(wù)重,內(nèi)容復(fù)雜,需要一支較大的隊伍承擔此任務(wù)。通常,施工測量必須建立多級控制網(wǎng),逐級布設(shè)的控制網(wǎng)精度損失嚴重,受各種構(gòu)筑物建設(shè)環(huán)節(jié)及位置所限,布網(wǎng)較困難。此外,控制網(wǎng)定期檢查和復(fù)測的工作量也很大。
　　利用GPS實時相位差分技術(shù)(RTK)通常在幾分鐘內(nèi)就很容易達到±10～±20m的定位精度。完全可以滿足水工建筑物施工放樣的精度要求,因此,在環(huán)境條件允許時。大型水電工程建設(shè)中應(yīng)該采用GPS實時施工測控系統(tǒng)。在整個施工區(qū)域內(nèi),選定2～3個GPS固定點作為施測系統(tǒng)的基準點,施工期內(nèi)進行連續(xù)觀測。以GPS流動站測放。各構(gòu)筑物部位,固定站和流動站間通過無線電通信,發(fā)以達到精確、實時、快速放樣的目的。相比之下,常規(guī)的施工測量方法,GPS實時測控系統(tǒng)的建立將顯著地改變長期延襲的施工測量技術(shù)。精度更均勻、實時快速、使用方便、控制面積更大、施測更靈活、不受通視條件所限的GPS測量系統(tǒng),可以很方便地完成絕大部分施工平面定位工作。在定位要求較高的部位,可以采用GPS靜態(tài)測量的方法,30min觀測時段的定位精度可以達到±2～±3mm,滿足較高精度要求的一些重要部位施工放樣的需要。
　　此外,為了解決施工放樣的高程精度要求,可以預(yù)先施測一些精密水準點,并對這些點進行GPS觀測,利用目前GPS水準擬合方法,建立施工區(qū)域GPS水準的高程異常模型,實現(xiàn)水電工程施工中用GPS實時測控系統(tǒng)較精確地測放三維坐標。
　　大型水電工程施工中建立GPS實時測控系統(tǒng),是一種應(yīng)該推廣應(yīng)用的新技術(shù)。它不僅可以直接用與陸地上各放樣點的自動、快速、準確、方便的定位,而且可以極大地降低勞動強度和測量工作的復(fù)雜性(多級布網(wǎng)、加密等),便于對控制系統(tǒng)的檢查、復(fù)測。此外,GPS實時測控系統(tǒng)在施工過程中對河床斷面、壩區(qū)水下地形、水文要素等各種有關(guān)的測量作業(yè)都能發(fā)揮重要作用。還可以應(yīng)用于大堤防汛監(jiān)測中,由每隔20km所建的基準站及大堤布設(shè)的流動站進行觀測,經(jīng)無線電信息傳輸,可快速、方便地獲得各測點的位移情況,去精度約±10mm,不僅能夠在防汛時反映大堤安全監(jiān)測系統(tǒng)。
　　2GPS定位基本原理
　　2.1GPS觀測量
　　GPS衛(wèi)星信號含有多種定位信息,作為定位的觀測量。主要有兩種:即碼相位觀測量和載波相位觀測量。所謂碼相位觀測,就是GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號到達接收機的時間,是通過GPS衛(wèi)星發(fā)射的觀測碼信號(C/A碼或P碼)與接收機自身產(chǎn)生的觀測碼信號,經(jīng)相位的幾何距離測定。所謂載波相位觀測,是通過求定接收機產(chǎn)生的基準信號的相位與接收到衛(wèi)星的載波信號的相位之差來實現(xiàn)的。由于載波的波長比碼元的寬度短得多,所以測量精度比用碼相位要高。目前大地型GPS接收機都采用載波相位測量。
　　2.2GPS觀測方程和定位方程(僅列出載波相位觀測方程和定位方程)
　　載波相位觀測方程為
　　ψ=f/c(ρ-δp1-δpr)-fυ1t+fυ2t-n(1)
　　式中ψ為載波相位觀測值;c為真空中的光速;f為載波頻率;p為衛(wèi)星至接收機的距離;δp1為衛(wèi)星信號通過電離層折射的改正;υ1t為接收機的改正;υ2t為衛(wèi)星鐘的改正;N為整周未知數(shù)。載波相位定位方程為設(shè)衛(wèi)星坐標為Xs、Ys、Zs(可根據(jù)衛(wèi)星信號計算出,為已知值),接收機(即測站)坐標為X、Y、Z(待求值),則
　　p=[(XS-X)2+(YS-Y)2+(ZS-Z)2]12
　　(2)設(shè)接收機(即測站)近似坐標為X0、Y0、Z0,其改正數(shù)為VX、VY、VZ,即有:
　　X=X0+VX
　　Y=Y0+Vy(3)
　　Z=Z0+Vz
　　設(shè)衛(wèi)星信號從衛(wèi)星至接收機傳播時間為Δt,將(2)(3)式代入(1)式,并將p在(X0•Y0•Z0)上用泰勒級數(shù)展開,經(jīng)線性化后得
　　-f/c(X0-Xs)/P0•Vx-f/c•(Y0-Ys)/P0•Vy-f/c•(Z0-Zs)/P0•f•Δt-f•V2t+N=f/c•(P0•t1+PV1t-ρ•Δt-δP1-δPr)-ψ(4)
　　(4)式中VX•VY•VZ•Vt1為未知數(shù)(因衛(wèi)星上裝有高精度的銫鐘,故Vt2可求出。而接收機上不可能安裝銫鐘,故將Vt1作為未知數(shù)來求出),當觀測4顆衛(wèi)星的信號,即可求出這4個未知數(shù),從而可求出測站點的三維坐標,完成定位。這就是GPS觀測時,觀測的衛(wèi)星數(shù)≥4的原因。
　　2.3定位方法
　　定位方法分為絕對定位方法和相對定位方法,這里主要介紹相對定位方法的靜態(tài)定位模式。確定同步跟蹤相同GPS衛(wèi)星信號的若干臺(至少為2臺)GPS接收機之間的相對位置的方法,稱為相對定位。靜態(tài)相對定位模式是相對定位模式中的一種。這種作業(yè)模式的作業(yè)方法是,將兩臺或兩臺以上的GPS接收設(shè)備分別安置在幾個點上,同步觀測1～2h。當觀測站間的距離超過20km時,還要適當延長觀測時間,當測站間距離不超過5km時,觀測時間可縮短到45min左右。這樣,用邊連接方法構(gòu)網(wǎng),用后處理軟件解算基線,經(jīng)平差計算求定觀測點三維坐標。對于雙頻GPS接收機,這種相對定位模式的精度可以達到5mm+1ppm•d,d為測站間的距離(km)。一般GPS控制網(wǎng),都應(yīng)采用靜態(tài)相對定位測量方法。這種方法定位精度高,適用長邊。
　　3實例
　　有一地區(qū)作控制見圖1,測區(qū)已布設(shè)了三等和四等測圖控制網(wǎng),其成果為任意帶直角坐標系,測區(qū)原有國家二等水準點二個,勘測階段新布設(shè)了三等水準線,高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準。為保證施工圖的準確放樣,施工控制網(wǎng)的基準必須與勘測設(shè)計階段一致。
　　                   
　                                                                       　圖1控制網(wǎng)網(wǎng)圖
　　3．1數(shù)據(jù)檢核
　　觀測時由于受一些條件的影響,GPS觀測數(shù)據(jù)有時出現(xiàn)異常,因此要對觀測數(shù)據(jù)進行鑒別和刪除,數(shù)據(jù)檢核條件分獨立觀測環(huán)和同步觀測環(huán),其閉合條件必須分別滿足:
　　GPS同步環(huán)坐標分量及全長閉合差:
　　             
　　　　
　　式中n為環(huán)基線個數(shù),a,b為GPS接收機標稱精度的固定誤差和比例誤差,d為環(huán)中基線平均長度。閉合環(huán)檢核精度見表1。
　　                                             表1同步環(huán)檢測
　　 
　　重復(fù)基線檢核:共10條重復(fù)基線,較差最大為7mm,最小為0mm,平均相對誤差為3.72pmm。除此外,測距儀實測邊長經(jīng)改化后也是GPS外業(yè)觀測質(zhì)量檢校的基準。見表2、表3、表4。
　　表2檢測原網(wǎng)點
　　
　　3．2GPS數(shù)據(jù)后處理
　　GPS從導(dǎo)航定位應(yīng)用于工程測量,最主要的是了解數(shù)據(jù)后處理軟件,因此選擇一個嚴密的后處理軟件,選擇一種適當?shù)钠讲罘椒ê蜏蚀_參數(shù)基準是決定GPS測量成果好壞的關(guān)鍵。本例中我們采用武漢大學的專業(yè)平差軟件《COSA》進行數(shù)據(jù)處理與平差計算。COSA是一個多功能的平差系統(tǒng),平差方法嚴密,符合我國相關(guān)規(guī)范要求,平差結(jié)果正確,數(shù)據(jù)處理精度較高。精度如下
　　　
　　　　
　　顯然,以上精度已滿足相應(yīng)等級的施工控制網(wǎng)要求。控制點成果和精度,見表5。
　　表5控制點成果和精度
　　  
　　4結(jié)論
　　該實例GPS施工控制網(wǎng)的成功施測,說明采用GPS定位技術(shù)進行高精度水利工程施工控制網(wǎng)中有廣泛的應(yīng)用前景。同時也說明GPS技術(shù)發(fā)展到今天,已是一種具有高精度的成熟技術(shù)。隨著廣大研究者和測量工作者的不懈努力,可以展望將獲得更深層次的發(fā)展和拓展該項技術(shù)在水電工程建設(shè)中的應(yīng)用。
　　[參考文獻]
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