GPS在南水北调工程测量中的应用

苑庆中，李 莉

(山东省聊城市水利局，山东 聊城 252000)

GPS在南水北调工程测量中的应用

苑庆中，李 莉

(山东省聊城市水利局，山东 聊城 252000)

GPS和RTK已是非常成熟的测量技术，在长跨度的带状测区中将二者结合，利用GPS的静态定位技术进行首级控制，用RTK技术进行断面基桩放样及施测，在南水北调东线一期鲁北段的5标段断面复测中得到很好应用，实践表明E级GPS网二维约束平差精度远优于规范要求，RTK测量成果，经用多种常规测量手段检查后，其精度较高。GPS和RTK相结合的关键技术是整周模糊度的确定，差分数据的传输，坐标转换参数的未定三个方面。RTK作业距离受卫星状况、天气状况、数据传输状况等影响，应使各点与基准站电台准“电磁波通视”。

GPS(RTK);南水北调;静态定位;断面基桩测量;精度分析

1 工程概况

南水北调东线一期工程鲁北段主要利用小运河、七一河和六五河输水。工程于2011年4月开工，单位承担了第5标段的断面复测任务，该标段横跨马颊河，总长度12.5 km。测区位于山东省聊城市的中北部，地面平均海拔30 m左右。位于东经 116°，北纬 36°03'～32'，地势平坦，平均海拔约 33 m。有些村庄紧靠河道堤岸，不便于通视，水工建筑物较多，人工地形地貌比较复杂，若用传统的测量方法，效率低且费时、费力。用GPS静态定位技术进行首级控制，用RTK技术进行断面基桩放样及施测。

2 GPS控制测量

2.1 设备介绍

本次测量使用3台套拓普康公司的 TopCon HiPer双频RTK GPS接收机。整周模糊度初始化采用 OTF(L1，L1/L2)技术，发射和接收电台是内置 PDL电台，采用 UHF通讯，速率为38 400 b/s，使用标准天线的35 W基准站电台，作业距离可达20 km左右，静态定位精度:平面3mm+1ppm×D;高程5mm+1ppm×D;RTK实时定位精度:平面:10mm+1.5ppm ×D;高程:20mm+1.5ppm ×D，FC－1000测量手簿具有300 MIPS超快运算速度的 Hitachi SH4微处理器162.2 mHz。

根据断面复测及施工测量的具体任务要求和测区地形、交通状况收集测区资料并分析研究、现场踏勘、按优化设计原则和相关规范的要求进行图上网形设计。根据卫星星历预报，制订了合理的观测计划，对个别有较多或较大障碍物的测站，需要评估障碍物对GPS观测可能产生的不良影响。对仪器的基座圆水准器和光学对中器、信号灯、按键和显示系统、接收机锁定卫星时间长短、信号强弱等项目进行检验，完全合乎要求。

2.2 E级 GPS网测量

控制网平面坐标采用1954年北京坐标系，3°分带，中央经线为东经117°，高程系采用1985国家高程基准。根据测区是带状特点，布设11个 GPS点，联测6个已知 D级 GPS点，分别为 GB71、GB74、LB154、LB156、GB95、LB168，点位分布均匀，控制点选取恰当。将 GB71、GB74、LB154、LB156、LB168五点作为强制约束的固定点，以LB167作为检核点，以边连接布网形式，采用静态定位模式观测，卫星截止高度角为15°，同时观测有效卫星数≥4，观测时段数≥1.6，时段长度≥45 min，仪器对中误差不大于3 mm，在天线互为120°方向上量取的天线高互差小于3 mm，选点埋石等各项操作严格按照相关规范要求施测，为了进行GPS高程拟合，在GPS网中联测均匀分布于测区的5个Ⅲ等精度水准点。

内业基线解算与平差计算均采用随机 Pinnacle V1.07软件进行。基线解算模型选择 L1＆L2c模型，三维无约束平差后的基线向量改正数 VΔX，VΔY，VΔZ≤3σ 在进行约束平差前对已知点的兼容性进行检验，基线分量的改正数与经过粗差剔除后的无约束平差结果的同一基线相应改正数较差的绝对值 dVΔX，dVΔY，dVΔZ≤2σ。经过基线解算和数据处理，E 级GPS网的同步环坐标分量闭合差最大dX=0.001 9 m dY=0.002 m、最大环闭合差 0.004 5 m，相对闭合差 1/7309163等各项精度远优于规范要求。

表1 E级GPS网二维约束平差精度统计表 cm

表2 E级GPS网二维约束平差基线边长精度统计表

本测区布设的E级GPS网还拟合了区域大地水准面。通常的方法是:1)采用一定密度及合理分布的GPS水准高程联测点(即GPS点上联测高程点)，用数学手段拟合区域大地水准面。2)利用区域地球重力场模型来改化GPS大地高为水准高。本测区用 GPS联测5个 III等精度水准点为已知点。拟合时将高程异常表示为二次多项式的形式拟合区域大地水准面，求解其他控制点高程。平差后内符合精度基于0.880E+00(cm)，说明高程拟合得很好。

2.3 GPS RTK进行断面基桩测量

由于测区路线长达12.5 km，考虑到仪器的作业半径和测量精度等因素，全线建立了2个基准站，平均每个基站作业半径为3.5 km。求转换参数时各基准站联测的平面和高程控制点数量均≥7个，且均匀分布于测区，各基准站转换参数的 H和 V参差均在厘米级，尺度比ρ值很接近于1，∣ ρ－1∣＜1/40 000，保证了测量成果的精度。

图1 控制网网形图

为了保证整个控制网在坐标系统上的一致统一，每次架设基准站时都要求解转换参数，通常的做法是每个基准站联测7个以上的能覆盖整个测区的均匀分布的平面和高程控制点，由系统内部自动求解。首先将欲作为RTK测量联测控制点的E级GPS点的三维坐标输入计算机，检查无误后，用传输电缆导入FC－1000手簿。比较分析控制点的地理位置，从中选取地势较高、无遮挡的控制点作为基准站的架设点，并且这些点必须远离大功率无线电发射台、变电站、高压输电线等无线电干扰源，以避免其周围磁场对GPS卫星信号的干扰影响。基准站架设后，对基准站及电台进行必要的设置，待FC－1000手簿的屏幕提示“基准站设置成功并已经开始工作”，拔下手簿与基准站接收机的连接电缆，用另一台接收机进行E级GPS点的联测，完成上述操作后，手簿内部自动进行转换参数的求解，然后就可进行具体的测量工作。有时为了提高工作效率，常常是先求出转换参数:将控制点的54系坐标和WGS－84坐标直接输入到手簿求解转换参数。架设基准站时，可以架在已知点上也可以架在未知点上，后者选点较为灵活但设置时增加了自动定位的步骤。因为测区呈带状，需架设2个基准站，为使各站成果保持高度一致，相邻测站求转换参数时联测的控制点都有2个相同的点。

根据经验，在测量过程中要时刻注意手簿屏幕上系统的状态，基准站和流动站之间的共用卫星应不少于5颗，电台连接不低于70%，每个测点要取15个历元以上的观测值，要等到电台连接达95%以上，公共卫星多于5颗时取固定解，如两次测量结果平面≤2 cm，高程≤3 cm取平均数，基准站和流动站的距离一般不要超过5 km。

2.4 断面桩测量

在野外用FC－1000手簿随机程序随时算出相邻控制点的间距，断面桩距离丈量用手簿的线放样功能测设了5～20 m断面桩，并测量了各个桩的三维坐标，方便了断面测量工作，节省了距离丈量的人力、物力，提高了工作效率和经济效益。

2.5 精度分析

在GPS测量工作完成后，为了检查GPS RTK技术测量成果的精度，随机选择了两段进行了一级导线测量和四等水准测量，各项操作都是严格按照《水利水电工程测量规范》的要求执行，RTK测量的平面坐标和高程与一级导线和四等水准高程部分成果比较见表3。

除了用常规测量手段与RTK测量成果比较外，还在不同的基准站对部分点进行了测量试验，两个基准站的测量成果见表4。

2.6 作业中的问题及对策

求解转换参数联测的控制点要能覆盖整个测区，分布要均匀合理，还要有足够的数量，求解转换参数的残差应在厘米级。

在通过桥涵或高大树林时会出现失锁的情况，重新初始化后要在已测点位或高等级控制点进行检核，确认无误后再进行测量。

基准站要架在尽量高且开阔的地方，附近不要有无线电信号干扰源，流动站在采集数据时要避免晃动，要时刻关注系统状态，发现问题及时采取相应措施，要保证仪器及电瓶的电量充足。

将流动站的作业半径控制在5 km以内，架设多个基准站时，求转换参数联测的控制点相邻的基站至少要有2个公共点，以保证整个测区坐标系统的统一。

表3 RTK测量的平面坐标和高程与一级导线和四等水准高程部分成果比较 m

表4 两个基准站的测量成果比较

3 结语

GPS RTK测量的关键技术是整周模糊度的确定、差分数据的传输、坐标转换参数的求定，RTK系统的质量越高，其初始化能力越强，受环境的限制越小，所需时间越短，精度越高。

RTK作业距离受卫星状况、天气状况、数据链传输状况影响，应尽量使各点与基准站电台准“电磁波通视”。

坐标转换参数有区域性、时间性、完整性等特点，要根据工程的具体情况，选择适当的参数。

由本次作业可以看出，GPS RTK技术在带状工程中也得到了很好的应用，其精度和可靠性也相当好，很大程度上提高了工作效率和经济效益，在以后类似工程中值得推广。

［1］徐绍铨，张华海，杨志强，王泽民编著.GPS测量原理及应用［M］.武汉大学出版社.1998.

［2］SL52－93.水利水电工程施工测量规范［S］.

［3］GB/T 18314－2009.全球定位系统(GPS)测量规范［S］.

［4］CJJ/T 73－2010.卫星定位城市测量规范［S］.

S275.9

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1004－1184(2012)05－0153－02

2012－05－02

苑庆中(1978－)，男，河南周口人，工程师，主要从事工程测量、GPS应用及数据处理等工作。