TBC和COSA_GPS GNSS数据处理软件在延安引黄工程中的应用

刘 凯,彭方辉

(陕西省水利电力勘测设计研究院测绘分院,西安 710002)

文章编号：1006—2610(2015)03—0092—05

TBC和COSA_GPS GNSS数据处理软件在延安引黄工程中的应用

刘 凯,彭方辉

(陕西省水利电力勘测设计研究院测绘分院,西安 710002)

笔者将TBC和COSA_GPS两种数据处理软件分别运用在工程前期的数据处理中，并通过充分的比较论证，得出两者相结合的处理方法，即TBC用于基线解算、处理，COSA_GPS用于后期平差。讨论了COSA_GPS在精度要求较高的隧洞工程中，软件的一点一方位方法建立独立坐标系的优越性。论述了这2种软件的拟合GPS高程成果在水准检核和小范围测图中的应用。 关键词：TBC;COSA_GPS;独立坐标系;高程拟合

1 概 述

1.1 工程任务

引黄工程是“十二五”期间延安市规划建设的重大水源工程，该项目对于加快全市产业转型和能源化工基地建设，促进经济社会可持续发展，具有重大历史意义。此引水工程始于黄河上游延川县延水关镇王家渠村，止于延安经济技术开发区。取水量近期预计达到7 196万m3/a，远期有望将达到1亿m3/a以上，为新建Ⅲ等中型供水工程，其由五大部分组成，分别为：取水枢纽工程(2处)、泵站工程(10座，其中加压泵站8座，取水泵站2座)、输水管(洞)线工程181.25 km、水库工程(2处，调蓄水库1处，事故应急水库1处)和净化水厂工程(2处)。

本次工程线路经由地段以山地为主，地形困难、起伏较大且极其破碎，土质都为湿陷性黄土，沟道较多，通视条件较差；加上水工建筑数量繁多，距离跨度较长，测量误差大，若采用常规方法建网，不仅测量精度过低，工作量大，而且测量周期太长而影响施工进度。所以平面控制测量采用了高精度GPS网作为首级施工控制并加密的方法。具体分为骨架网和加密网，其中骨架网点按照每10 km布设1组对点；加密网点149个，以500 m为间距布设，并两两相互通视。骨架网除联测已有国家C级点外，为了检验原有勘测设计阶段GPS网成果点的稳定性，将原有部分成果点(基本都已破坏)纳入骨架网。所有网点采用国家基准进行约束，对于隧洞工程建立了独立坐标系，高程控制测量采用精密三等水准观测，高差成果由高程拟合结果进行检核。

1.2 数据处理软件

Trimble Business Center(TBC)是Trimble的新一代后处理软件，不仅能够处理GNSS(包含GPS 和GLONASS)数据，还可以处理全站仪、水准仪、3D 扫描仪数据，集成了功能强大的可视工具和建模工具，利用多种视图全面反映数据信息，全新的处理算法保证其处理速度，并提供了灵活的处理配置方案[1]。

COSA_GPS即“GPS工程测量控制网通用平差软件包”，能读取各种GPS接收机的基线向量解算文件，进行网的三维无约束平差和二维约束平差、在工程独立坐标系中固定一点一方向的平差、高程拟合等功能[2]。

2 GPS基线解算

本次工程控制网由骨架网和加密网构成，骨架网全线共布设GPS点22个，其中现场浇注16个(C1…C16)，按照每10 km布设成对点；国家C级GPS已知点4个(F090、F091、F098、F012), 经查勘

桩志稳定，可以作为本次测量起算点；勘测设计阶段布设的已知点1个(BD1，D级)，杨家山隧洞已知观测墩1个(GP1，D级)，经查勘桩志稳定，可以作为本次测量检核点。静态观测作业采用4台Trimble双频(标称精度为5×10-6mm)GPS接收机，以边连式联测各个桩志，全网共观测12个时段，各项技术指标均按《水利水电工程测量规范》[3]要求执行，主要技术要求见表1。

表1 GNSS静态测量的基本技术要求表

采用TBC数据处理软件进行基线解算工作，在TBC中新建工程后导入Trimble R8的T01/T02文件后，按接收机和时段输入对应的点号、接收机型号、天线类型以及量取方式和天线高等参数，确定无误后进行整体基线处理，处理过程中随时检核解的类型是否固定，并以均方根RRMS值判断观测值的精度(RRMS越小代表观测值的精度越高)。

对于部分平面或者垂直精度太差的基线选择单基线处理，可通过在对应基线的时段编辑器中禁用不健康的卫星、屏蔽质量较差的卫星观测值、调整观测时间等方法处理之后保存结果完成基线处理，其结果如图1所示，随后在工具栏中查看基线处理以及闭合差报告。

图1 TBC基线处理结果图

通过报告可见该网整体精度较高，完全满足规范要求。此外，在TBC基线解算过程中发现，基线向量的解算成果与测站环境因素、观测时间、时段及基线长度都有着密切的关系，如9:00左右测区出现星况不良导致返测、基线过短相对误差过大而超限等情况，通过调整观测时间以及延长观测时间的方法使得上述情况明显改善。

3 GPS网平差

为了充分利用TBC和COSA_GPS各自的优点，将同时运用这2个软件于同一组数据的处理过程中，从而获取更为可靠、精确的GPS数据处理结果。

3.1 TBC软件中GPS网平差

在所有基线都合格以后就可以三维无约束平差，在菜单栏中依次进行“测量”-“平差网”即可执行自由网平差操作，平差结束后在平差网对话框的“结果”选项卡中查看本次平差结果。如果显示“卡方检验(95%)”失败则通过将上次平差的参考因子加权后再次平差，若检验通过则自由网平差完成。

在约束网平差之前需要建立对应的坐标系统，本次工程采用国家80坐标系，中央子午线为111°，在菜单栏中选择“工具”-“坐标系统管理器”建立相应的坐标系统后即可将此坐标系加载到本次工程。在已知的4个公共点(BD1与GP1用于检核)中添加当地坐标后即可进行二维约束平差，方法和上述一致,平差完后查看平差报告是否满足限差要求，并将此结果与后续COSA_GPS成果进行比较。

3.2 COSA_GPS中GPS网平差

在COSA_GPS中处理由TBC导出的基线数据,骨架网共观测了12个时段，从TBC中共导出12个后缀为*.asc格式的基线向量观测文件，以此作为COSA_GPS观测值输入文件。软件解算过程如下。

(1) 新建工程

新建工程界面见图2，这里需要注意的是独立基线的条数，省缺值为-1，即认为选定的基线全部为独立基线，则平差后的精度指标比实际值偏高，在此输入独立基线的实际条数，软件将对平差后的精度指标进行修正，从而与独立基线平差结果的精度指标基本一致[2]。其他文本框按照坐标系统实际情况输入即可。

图2 COSA_GPS新建工程图

(2) 读取同步基线数据并形成独立基线文件

COSA_GPS以基线向量解算软件按时段导出的基线向量文件作为观测值输入数据，由此形成的独立基线向量作为平差时的观测值，以输入的已知点坐标作为起算基准，完成控制网平差计算。

(3) 按照规范检查基线、闭合环是否超限

在工具中分别生成同步环闭合差、异步环闭合差和重复基线差文件，检查文件是否满足限差规定[3]，其中，异步环限差如下所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:n为闭合环中的边数；W为环线全长闭合差，mm。

同步环各坐标分量闭合差的限差值为异步环闭合差限差的1/2。从生成的异步环文件可见，异步环闭合差的坐标分量平均值保持在1 cm左右，对于某些长度较短的基线，尽管相对闭合差略大但仍符合要求。

(4) 三维无约束平差

在WGS-84空间直角坐标系中进行三维向量网平差，从而验证基线向量解算结果的内符合精度。在平差之前首先输入一个三维已知点，平差之后得到各点的GPS大地高和二维基线向量，其中，GPS大地高可用于后续的高程拟合，二维基线向量作为二维约束平差的观测值。

(5) 二维约束平差

设置中更改椭球类型，输入和TBC中相同的国家C级网高斯坐标成果进行二维约束平差。结果主要的精度指标为：

1) 边长精度。边长中误差0.9～3.5 mm，平均值2.4 mm，相对中误差3.26×10-6～3.12×10-7，平均相对误差0.40×10-6，最弱边边长中误差2 mm。

2) 点位精度。点位中误差0～5.4 mm，平均值4.3 mm，其中X坐标中误差的平均值为3.2 mm，Y坐标中误差的平均值为2.9 mm，最弱点的点位中误差仅为5.4 mm。

此平差精度较好，完全可以满足施工控制的需求。

3.3 TBC和COSA_GPS平差结果分析

由基于相同基准的二维约束平差得出，TBC和COSA_GPS两种软件的处理结果较为一致，无显著差异，在纵坐标(x)平均相差0.7 mm，最大坐标差为1.5 mm，在横坐标(y)平均相差0.9 mm，最大坐标差为2.9 mm，此差异小于水利水电施工测量规范要求的点位误差(如特高精度水电站施工控制网规定最弱点精度为5 mm，平均点位精度3 mm)，可见这2个软件的二维约束平差结果没有本质的区别且外部符合精度较高。

与TBC的平差结果文件相比，COSA_GPS的输出成果内容全，且同步环闭合差、异步环闭合差和重复基线差结果文件能够兼容Excel的CSV格式，方便用户进行闭合差和重复基线差的统计分析[4,5]；加之平差结果文件中包括了基线向量残差、可靠性，平差后方位角、边长及精度，最弱边以及相邻点坐标分量及其相对中误差等结果，可以作为最终的成果资料提供给甲方，故在本次应用中采用TBC处理基线并导出合格的基线数据，利用COSA_GPS进行平差得到最终成果并提供资料。

4 独立坐标系的建立及高程拟合

4.1 建立独立坐标系

引黄工程沿线有姚家山、新舍古、卢草梁、文安驿、薛家沟和曹家园则等隧洞，隧洞总长度达25.017 km，平均长度都在1 km以上，根据《水利水电工程测量规范》[3]要求，对于水利枢纽地区及重要工程建筑物地区，当测区内投影长度变形值不大于5 cm/km，均应采用国家坐标系统，按统一的高斯投影3°分带；对于投影长度变形值大于5 cm/km时，可采用一个国家大地点的坐标和该点至另一大地点的方位角作为起始数据的独立坐标系统。采用国家80国家坐标系时，姚家山隧洞投影变形为5.84 cm/km，新舍古隧洞投影变形为5.9 cm/km。如果按照此坐标成果进行贯通，则会造成横向贯通误差偏大。故工程采用2套坐标系统：针对隧洞工程必须使用独立坐标系统，其他施工项目使用国家坐标系统。

这里主要采用COSA_GPS中的一点一方位方法建立独立坐标系，该过程首先将三维GPS基线向量投影至工程椭球(在设置中将椭球类型改为80)，此时工程椭球球心和扁率与80参考椭球相同，但长半轴要考虑引水工程的平均高程面的海拔高度以及大地水准面与80椭球的差距[6]；然后根据设置的中央子午线投影到高斯平面上再转化至工程独立坐标系。如图3的对话框所示，固定点信息有点名、高斯平面坐标和正常高、大地坐标、投影面正常高。对于独立网来说，已知点、已知方位最好是选在网的重心附近，这里已知点选择处于测区中心C8点的国家高斯平面坐标，使得平差成果挂靠在国家坐标系下，固定方位角为该点至另一已知点的方向。投影至高斯平面的中央子午线取110°01′09″(固定点附近)，投影面正常高取900(测区平均高程面)。实践证明，通过这种方法建立的独立坐标系的各项综合变形都远远小于上限，满足了隧洞工程对基准的要求。

图3 COSA_GPS中独立坐标系的建立图

4.2 TBC与COSA_GPS在高程拟合中的差异

本次工程沿线的二等水准路线共计146 km，且已知水准点间相距较远，为保证观测质量和数据的可靠性，防止外业成果出现错误，采取拟合GPS高程的方法对联测对点之间的高差进行检核；同时，为了满足施工过程中线路整改和工程弃渣场等测图的需求(比例尺：1∶1000)，对水准难以到达的地段考虑采用拟合高程成果作为点校正的起始数据。

TBC中采用EGM96大地水准面模型；在COSA_GPS中的拟合方法选择平面拟合，拟合模型为：N=f(B,L)=f1+f2·B+f3·L。在此只试验选择整网中的一段(C5-C8、D33-D52)，得到最后结果对比如图4所示。

从图4可以看出，利用COSA_GPS和TBC软件的不同模型在此次工程中整体效果差异较小，最大相差3.6 mm。2种结果的最大误差都位于D36和D50处，其原因主要是这2个点的高程没有和它附近的已知高程点保持同样的变化趋势，例如，D36的高程值远大于它左右的已知高程点。同时，运用高程拟合所得结果和已知水准高程在10 km范围内最大只有2.4 cm(COSA_GPS)的差异；而COSA_GPS和TBC拟合结果平均误差分别为4.2 mm与4.8 mm，标准差分别为8.9 mm与8.1 mm，所以在小范围内高程拟合精度可以满足规范中测图比例尺对高程的要求。

图4 COSA_GPS和TBC高程拟合对比图

5 结 语

在水利水电施工控制网的布设中，上述过程都是经常会碰到的，本文所讨论的软件使用方法以及得出的结论具有较高的探索和实际参考价值，主要包括以下几个方面。

(1) COSA_GPS和TBC在国家坐标系下的二维约束平差结果没有本质上的区别，故成果都可作为最终资料交付施工单位使用，但实际运用中，由于COSA_GPS的成果的可读性强，便于理解，故在工程运用中我们采取以TBC软件用于基线解算和处理，COSA_GPS用于平差计算。

(2) 在隧洞、桥梁及大坝等对相对精度较高的控制网，应该使控制点成果的投影长度变形值满足一定上限，同时，固定工程网中的某一特定方向的方位角，例如隧洞控制网的隧洞轴线方向、大坝控制网的坝轴线方向等。为此，可使用一点一方位的方法建立独立坐标系。

(3) 本工程地势复杂，测区内多为山区地带，水准测量进度缓慢而已知水准点之间距离较远，实验中COSA_GPS和TBC不同的高程拟合模型所得结果差异不大，故两者的高程拟合成果都可对每天水准测段高差成果进行检核，同时验证了拟合成果也满足了范围内的测图需求。

[1] 吴伟.基于TBC的高精度GPS数据处理若干问题探讨[D].桂林：桂林理工大学测绘地理信息学院,2012.

[2] 郭际明,罗年学.GPS工程测量网通用平差软件包使用说明书[R].武汉大学测绘学院,2010.

[3] SL 197-97,水利水电工程测量规范[S].北京：中国水利水电出版社,2013.

[4] 郭际明,罗年学.精密工程测量数据处理综合系统讲座.第一讲.科傻(COSA)系统构成及其在工程测量中的应用[J].测绘信息与工程,2010,35(1):53-54.

[5] 郭际明,罗年学.精密工程测量数据处理综合系统讲座.第三讲.COSA_GPS及在大规模高精度GPS控制网数据处理中的应用[J].测绘信息与工程,2010,35(3):19-20.

[6] 张项铎,张正禄.浅谈特长隧道GPS网的布测及其精度-以秦岭隧道工程为例[J].勘察科学技术.2000(5).46-50.

[7] 李祖锋,贺丽娟,张成增,周涛.高角度信号遮挡区域GPS测量控制网精度控制[J].西北水电,2014,(1): 19-23.

[8] 刘明波，杨跃青，鹿恩锋.南方GPS软件中的独立网平差方法探讨[J].西北水电， 2012，(3)：13-15.

Application of Data Processing Software of TBC and COSA_GPS GNSS in Yan'an Yellow River Diversion Project

LIU Kai, PENG Fang-hui

(Shaanxi Province Institute of Water Resources and Electric Power Investigation and Design,Survey & Mapping Branch, Xi'an 710002,China)

Both data Processing Software of TBC and COSA_GPS GNSS are applied in the data process of the early engineering stage. Furthermore, the processing method by combination of two software is derived from sufficient comparison and demonstration. Namely, TBC is applied for baseline calculation and processing, COSA_GPS for adjustment at late stage. In the paper, superiority of independent coordinate system established by one-point one-azimuth method of the software of COSA_GPS applied in tunneling with high precision requirement are studied. Application of the fitted GPS elevation by the two software in level verification and small-scope mapping are demonstrated.

TBC; COSA_GPS; independent coordinate system; elevation fitting

2014-09-19

刘凯(1988- ),男,陕西省榆林市人,助理工程师,从事“3S”技术集成研究与开发.

TP319

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.03.026