GPS精密单点定位在电力工程测量中的应用

杨永平

(云南省电力设计院，昆明市，650051)

0 引言

众所周知，全球定位系统(global positioning system，GPS)具有可全天候作业、测量精度高、观测时间短、测站间无需通视、仪器操作方便等特点，已被广泛应用于水利、交通、电力、海航、物探等多个领域，可满足不同精度要求的用户。传统的GPS单点定位法具有作业灵活、方便、快捷的优点，但由于只利用测码伪距观测值及由广播星历所提供的卫星轨道参数和卫星钟差改正进行定位［1］，其定位精度只能达到10多m(P码单点定位精度约为3m)［2］，故只能应用于一般的导航定位、资源调查和勘测等低精度领域，而无法满足高精度作业要求。为了进一步提高定位精度，GPS实时动态差分(real time kinematic，RTK)定位技术便应运而生，使定位精度达到了cm级。然而由于差分技术是通过空间相关性将部分参数或误差通过站间和星间求差来消除的，必须在已知站上进行同步观测，并且作业距离最大不超过15 km［3］，严重影响了作业效率。因此，如何将传统GPS单点定位的灵活性与差分GPS技术的高精度定位有机结合起来成为人们研究的热点。于是近年出现了GPS精密单点定位技术，实现了仅用1台GPS接收机进行单点定位就能达到差分技术相似精度的要求。本文论述GPS精密单点定位技术在电力工程测量中的具体应用，为电力工程的现代化建设提供有力保障。

1 精密单点定位原理

利用国际GNSS服务组织(international GNSS service，IGS)提供的或计算的GPS卫星精密星历和精密钟差，用户利用单台GPS双频双码接收机的观测数据，在数千km2乃至全球范围内的任意位置实现实时的或事后的高精度定位，这一定位方法称为精密单点定位。这一概念最初是由美国喷气推进实验室(jet propulsion laboratory，JPL)的 Zumbeger等人提出并在他们开发的数据处理软件GIPSY上予以实现。在GPS定位中，主要误差来源于轨道误差、卫星钟差和电离层延时等。采用双频接收机，可利用LC相位组合，消除电离层延时的影响，定位误差只有轨道误差和卫星钟差2类。再通过IGS提供的精密星历和卫星钟差，利用观测得到的相位值精确计算出接收机位置和对流层延时等信息［4］。

在GPS相对定位中，特别是在基线比较短的情况下，差分组合观测值可以消除大多数共同误差。而在精密单点定位中，必须顾及所有误差来源，如固体潮影响、海潮影响、天线相位中心改正、相对论改正、弯曲改正等都需用精确数学模型加以改正，从而获得精确的接收机位置。精密单点定位要达到cm级定位精度需有以下2个前提:(1)卫星轨道精度需达到cm级水平;(2)卫星钟差改正精度需达到亚ns量级。目前IGS提供的后处理精密星历精度已达到2～5 cm，精密卫星钟差精度已达到0.1～0.2 ns，从而保证精密单点解算可以获得cm级定位精度。

2 精密单点定位与其他定位方式比较

为了更深入地了解GPS精密单点定位技术，现将精密单点定位与其他定位方式(包括传统单点定位和相对定位)作一详细比较，见表1。

3 精密单点定位精度

3.1 数据观测

为了验证GPS精密单点定位的可靠性，现用云南省测绘局获取的云南某地5个GPS C级/水准点，同时用标准北京54和西安80双套坐标，点号分别为M028、M040、M041、M045、M058，采用 Trimble R8 GNSS双频接收机进行观测，每点观测1个时段，时段长度选取 6 h［5］。

3.2 数据处理

目前，国际上高精度单点定位软件主要有美国JPL的GIPSY软件、瑞士伯尔尼大学的BERNESE软件、德国地学研究中心的EPOS软件［6］。国内经过数年对精密单点定位理论与方法的深入研究，武汉大学张小红博士成功研发了高精度精密单点定位数据处理软件Trip。采用Trip 1.1软件对5个GPS C级/水准点的静态观测数据进行处理，主要处理步骤如下:

表1 精密单点定位与其他定位方式比较Tab.1 Comparison between precise point positioning and other positioning methods

(1)数据预处理。根据观测点位置收集连续运行站数据，将观测点数据和连续运行站数据进行数据标准化，计算天线相位中心等。

(2)基线解算。由连续运行基准站求得待定点的先验坐标，通过气象模型进行标准气象改正，解算基线得到满足坐标约束条件的结果。

(3)GPS网平差。对全部基线进行统计检验，将连续运行基准站当作已知点进行三维约束平差，分析平差结果。

由精密单点定位直接获得的是ITRF 2000框架下的坐标，而一般工程要求的却是北京54或西安80坐标，因此需要进行坐标转换。由于ITRF 2000坐标与WGS－84坐标差异不大，对大多数用户而言，当前的WGS－84和ITRF 2000是基本相同的［7］。因此可利用WGS－84坐标与北京54或西安80坐标的转换关系(7参数转换)将精密单点定位软件解算的结果转换为所需坐标成果。

3.3 精度分析

为了研究GPS精密单点定位所能达到的精度，将计算结果与GPS C级/水准点进行比较，结果如表2所示，△X、△Y、△H分别为同一点位由精密单点定位和GPS C级/水准点三维坐标(X、Y、H)求差取绝对值而得，平面误差

由表2可知，精密单点定位结果与GPS C级/水准点比较平面误差约小于5 cm;高程误差约小于20 cm。虽然众多研究表明，精密单点定位可以达到cm级精度，但这些研究大都处于理想情况［8］。考虑到2种坐标结果由不同GPS网得到、野外实际观测条件受限以及坐标转换误差的存在，表2比较结果认为是符合事实的，可以将精密单点定位结果作为电力工程首级控制起算数据使用［9］。

表2 精密单点定位结果与GPS C级/水准点比较Tab.2 Comparison between precise point positioning and C level/bench mark of GPS

需要说明的是，应用精密单点定位获得的高程是椭球形高，而不是实际工作中使用的正常高。可以通过以下3种方法获取高程:(1)常规水准方法;(2)根据多个平高控制点拟合测区水准面进行内插获得;(3)如果测区有精密大地水准面模型，可通过精密单点定位获得的平面坐标内插模型方便获取测点高程。

4 工程应用

4.1 电力工程测量特点

电力工程包括发电厂、变电站(开关站、换流站)以及输电线路工程等，电力工程测量作为工程设计和建设的基础与电力工程可研、初设和施工阶段始终相随。随着现代化建设进程的加快，全国范围建设项目颇多，彼此之间存在相互交叉和联系，如何有效处理电力工程和其他工程的矛盾，是测量工作必须解决的问题。因此，在电力工程建设初期，快速、准确建立与国家坐标系统相一致的测区控制系统，是电力工程测量的首要工作。

4.2 在输电线路航外中的应用

在超高压(或特高压)输电线路进入施工阶段前，要完成输电线路的航外工作。本阶段的主要测量任务是依据输电线路初设路径，对航测成果进行GPS外控(包括布设GPS静态控制网)和调绘工作。当然，寻找国家等级控制点成为必不可少的工作。由于历史原因，早期建立的国家等级控制点精度不高，而且由于时间久远目前大部分都已遭到破坏，现存部分控制点大都位于高山上，难以到达。在云南这样的高山省份进行输电线路航外工作，如仍按以往去寻找国家等级控制点进行联测，将是一项非常辛苦的工作，测量工作人员劳动强度相当大。因此，采用GPS精密单点定位技术来解算测区首级控制点作为控制网起算坐标。

一般可采取如下方案:(1)首级控制点(不少于3个)均匀分布于整个工作区域，由输电线路总长度和首级控制点个数可确定首级控制点间距。(2)首级控制点与像控点同时进行GPS静态观测，保证首级控制点不少于6 h的观测时间。(3)首级控制点布置在交通便利并且外界观测条件良好的地方，点位采用埋石或刻石制作固定标志，保证后期施工图阶段可作基准站定位使用。(4)严格执行GPS静态观测操作流程，保证原始观测数据的有效性和可靠性。

采用美国天宝公司研发的数据处理软件TGO解算输电线路所有观测点(包括主控点、像控点、联系点)构成的GPS控制网［10］。首先解算GPS控制网的全部基线，合格后在WGS－84系统下完成无约束平差。然后，建立和选取输电线路工程所要求采用的国家坐标系统，可由精密单点定位解算的首级控制点作为控制网起算数据进行约束平差。当然在约束平差前，要对已知首级控制点的可靠性进行检查，只有确保其可靠性方可作为起算数据进行GPS控制网约束平差。

4.3 在变电站、电厂等控制测量中的应用

近年来我国大力兴建电力工程，特别是风能、太阳能等环保型可再生能源的发电工程。一般，在可研阶段要求测量人员测设所需比例尺地形图，并建立与国家坐标系相一致的测区控制网。现在电力工程一般都工期紧、难度大，特别是云南山区的风电场测量，测区处于高海拔、无人烟地区，条件相当艰苦。为降低测量人员劳动强度，可在建立测区GPS控制网时免去寻找国家控制点，而采用精密单点定位技术为测区控制网提供起算坐标。

为不影响工程进度，可不按常规数字化测图流程:“先控制(包括联测国家坐标系)后碎部［11］”，而是先按假设坐标系布设测区控制网和数字化测图，同时进行控制网起算点的GPS精密单点定位解算。待获知控制网起算坐标后，经检验合格重新平差测区控制网，然后根据控制网现有控制点对假设坐标系下的地形图进行旋转、平移和缩放，即可获得与国家坐标系相吻合的数字化地形图。如此作业流程采用精密单点定位技术，既可一定程度减轻测量人员劳动强度，还有利于促进工期。

另外，当进行地震等灾后重建时，电力测量难点不仅是寻找国家控制点，更重要的是即使找到其点位精度也难以保证。在这种情况下，采用GPS精密单点定位技术进行解算起始控制点可有力保证电力工程测量的顺利进行。

5 结语

精密单点定位作为一种全新的定位方式，不仅具有较高的定位精度，而且不需采用多台GPS接收机进行同步观测和联测已知国家控制点来进行控制测量工作，即精密单点定位能够快速解决测量起算控制点难以寻找的问题，尤其在灾后重建等特殊情况下，更是节约了大量时间，大大减轻了测量人员劳动强度，提高了工作效率。精密单点定位在电力工程测量等领域具有广阔的应用前景。其不足之处是在数据解算时要从IGS数据分析中心免费下载卫星精密轨道、精密钟差等数据产品，而这些产品在时间上一般有几天的延迟，但如能合理安排作业流程，不会影响工程整体进度。

［1］李征航，吴秀娟.全球定位系统(GPS)技术的最新进展［J］.测绘信息与工程，2002，27(5):34-37.

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［3］周晓华，徐军，张苏红.GPS精密单点定位(PPP)技术在测量中的应用［J］.江西测绘，2007，68(2):48-50.

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［5］杜向锋，蒋利龙，李霞.GPS静态精密单点定位精度实验分析［J］.全球定位系统，2008，33(1):35-38.

［6］孟泱，吴杰松，陈焕然.GPS精密单点定位在城市工程测量中的应用［J］.城市勘测，2010(1):67-69.

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［9］DL/T 5001—2004火力发电厂工程测量技术规程［S］.北京:中国电力出版社，2004.

［10］杨永平.超高压输电线路GPS外控测量作业方法及注意事项［J］.水利电力科技，2009，35(2):44-48.

［11］杨永平，洪绍明，段德磊.GPS RTK定位技术在数字化测图中的应用［J］.铁道勘察，2008，34(2):10-13.