GPS在南水北調工程測量中的應用

苑慶中，李 莉

(山東省聊城市水利局，山東 聊城 252000)

GPS在南水北調工程測量中的應用

苑慶中，李 莉

(山東省聊城市水利局，山東 聊城 252000)

GPS和RTK已是非常成熟的測量技術，在長跨度的帶狀測區中將二者結合，利用GPS的靜態定位技術進行首級控制，用RTK技術進行斷面基樁放樣及施測，在南水北調東線一期魯北段的5標段斷面復測中得到很好應用，實踐表明E級GPS網二維約束平差精度遠優于規范要求，RTK測量成果，經用多種常規測量手段檢查后，其精度較高。GPS和RTK相結合的關鍵技術是整周模糊度的確定，差分數據的傳輸，坐標轉換參數的未定三個方面。RTK作業距離受衛星狀況、天氣狀況、數據傳輸狀況等影響，應使各點與基準站電臺準“電磁波通視”。

GPS(RTK);南水北調;靜態定位;斷面基樁測量;精度分析

1 工程概況

南水北調東線一期工程魯北段主要利用小運河、七一河和六五河輸水。工程于2011年4月開工，單位承擔了第5標段的斷面復測任務，該標段橫跨馬頰河，總長度12.5 km。測區位于山東省聊城市的中北部，地面平均海拔30 m左右。位于東經 116°，北緯 36°03'～32'，地勢平坦，平均海拔約 33 m。有些村莊緊靠河道堤岸，不便于通視，水工建筑物較多，人工地形地貌比較復雜，若用傳統的測量方法，效率低且費時、費力。用GPS靜態定位技術進行首級控制，用RTK技術進行斷面基樁放樣及施測。

2 GPS控制測量

2.1 設備介紹

本次測量使用3臺套拓普康公司的 TopCon HiPer雙頻RTK GPS接收機。整周模糊度初始化采用 OTF(L1，L1/L2)技術，發射和接收電臺是內置 PDL電臺，采用 UHF通訊，速率為38 400 b/s，使用標準天線的35 W基準站電臺，作業距離可達20 km左右，靜態定位精度:平面3mm+1ppm×D;高程5mm+1ppm×D;RTK實時定位精度:平面:10mm+1.5ppm ×D;高程:20mm+1.5ppm ×D，FC－1000測量手簿具有300 MIPS超快運算速度的 Hitachi SH4微處理器162.2 mHz。

根據斷面復測及施工測量的具體任務要求和測區地形、交通狀況收集測區資料并分析研究、現場踏勘、按優化設計原則和相關規范的要求進行圖上網形設計。根據衛星星歷預報，制訂了合理的觀測計劃，對個別有較多或較大障礙物的測站，需要評估障礙物對GPS觀測可能產生的不良影響。對儀器的基座圓水準器和光學對中器、信號燈、按鍵和顯示系統、接收機鎖定衛星時間長短、信號強弱等項目進行檢驗，完全合乎要求。

2.2 E級 GPS網測量

控制網平面坐標采用1954年北京坐標系，3°分帶，中央經線為東經117°，高程系采用1985國家高程基準。根據測區是帶狀特點，布設11個 GPS點，聯測6個已知 D級 GPS點，分別為 GB71、GB74、LB154、LB156、GB95、LB168，點位分布均勻，控制點選取恰當。將 GB71、GB74、LB154、LB156、LB168五點作為強制約束的固定點，以LB167作為檢核點，以邊連接布網形式，采用靜態定位模式觀測，衛星截止高度角為15°，同時觀測有效衛星數≥4，觀測時段數≥1.6，時段長度≥45 min，儀器對中誤差不大于3 mm，在天線互為120°方向上量取的天線高互差小于3 mm，選點埋石等各項操作嚴格按照相關規范要求施測，為了進行GPS高程擬合，在GPS網中聯測均勻分布于測區的5個Ⅲ等精度水準點。

內業基線解算與平差計算均采用隨機 Pinnacle V1.07軟件進行?；€解算模型選擇 L1＆L2c模型，三維無約束平差后的基線向量改正數 VΔX，VΔY，VΔZ≤3σ 在進行約束平差前對已知點的兼容性進行檢驗，基線分量的改正數與經過粗差剔除后的無約束平差結果的同一基線相應改正數較差的絕對值 dVΔX，dVΔY，dVΔZ≤2σ。經過基線解算和數據處理，E 級GPS網的同步環坐標分量閉合差最大dX=0.001 9 m dY=0.002 m、最大環閉合差 0.004 5 m，相對閉合差 1/7309163等各項精度遠優于規范要求。

表1 E級GPS網二維約束平差精度統計表 cm

表2 E級GPS網二維約束平差基線邊長精度統計表

本測區布設的E級GPS網還擬合了區域大地水準面。通常的方法是:1)采用一定密度及合理分布的GPS水準高程聯測點(即GPS點上聯測高程點)，用數學手段擬合區域大地水準面。2)利用區域地球重力場模型來改化GPS大地高為水準高。本測區用 GPS聯測5個 III等精度水準點為已知點。擬合時將高程異常表示為二次多項式的形式擬合區域大地水準面，求解其他控制點高程。平差后內符合精度基于0.880E+00(cm)，說明高程擬合得很好。

2.3 GPS RTK進行斷面基樁測量

由于測區路線長達12.5 km，考慮到儀器的作業半徑和測量精度等因素，全線建立了2個基準站，平均每個基站作業半徑為3.5 km。求轉換參數時各基準站聯測的平面和高程控制點數量均≥7個，且均勻分布于測區，各基準站轉換參數的 H和 V參差均在厘米級，尺度比ρ值很接近于1，∣ ρ－1∣＜1/40 000，保證了測量成果的精度。

圖1 控制網網形圖

為了保證整個控制網在坐標系統上的一致統一，每次架設基準站時都要求解轉換參數，通常的做法是每個基準站聯測7個以上的能覆蓋整個測區的均勻分布的平面和高程控制點，由系統內部自動求解。首先將欲作為RTK測量聯測控制點的E級GPS點的三維坐標輸入計算機，檢查無誤后，用傳輸電纜導入FC－1000手簿。比較分析控制點的地理位置，從中選取地勢較高、無遮擋的控制點作為基準站的架設點，并且這些點必須遠離大功率無線電發射臺、變電站、高壓輸電線等無線電干擾源，以避免其周圍磁場對GPS衛星信號的干擾影響?；鶞收炯茉O后，對基準站及電臺進行必要的設置，待FC－1000手簿的屏幕提示“基準站設置成功并已經開始工作”，拔下手簿與基準站接收機的連接電纜，用另一臺接收機進行E級GPS點的聯測，完成上述操作后，手簿內部自動進行轉換參數的求解，然后就可進行具體的測量工作。有時為了提高工作效率，常常是先求出轉換參數:將控制點的54系坐標和WGS－84坐標直接輸入到手簿求解轉換參數。架設基準站時，可以架在已知點上也可以架在未知點上，后者選點較為靈活但設置時增加了自動定位的步驟。因為測區呈帶狀，需架設2個基準站，為使各站成果保持高度一致，相鄰測站求轉換參數時聯測的控制點都有2個相同的點。

根據經驗，在測量過程中要時刻注意手簿屏幕上系統的狀態，基準站和流動站之間的共用衛星應不少于5顆，電臺連接不低于70%，每個測點要取15個歷元以上的觀測值，要等到電臺連接達95%以上，公共衛星多于5顆時取固定解，如兩次測量結果平面≤2 cm，高程≤3 cm取平均數，基準站和流動站的距離一般不要超過5 km。

2.4 斷面樁測量

在野外用FC－1000手簿隨機程序隨時算出相鄰控制點的間距，斷面樁距離丈量用手簿的線放樣功能測設了5～20 m斷面樁，并測量了各個樁的三維坐標，方便了斷面測量工作，節省了距離丈量的人力、物力，提高了工作效率和經濟效益。

2.5 精度分析

在GPS測量工作完成后，為了檢查GPS RTK技術測量成果的精度，隨機選擇了兩段進行了一級導線測量和四等水準測量，各項操作都是嚴格按照《水利水電工程測量規范》的要求執行，RTK測量的平面坐標和高程與一級導線和四等水準高程部分成果比較見表3。

除了用常規測量手段與RTK測量成果比較外，還在不同的基準站對部分點進行了測量試驗，兩個基準站的測量成果見表4。

2.6 作業中的問題及對策

求解轉換參數聯測的控制點要能覆蓋整個測區，分布要均勻合理，還要有足夠的數量，求解轉換參數的殘差應在厘米級。

在通過橋涵或高大樹林時會出現失鎖的情況，重新初始化后要在已測點位或高等級控制點進行檢核，確認無誤后再進行測量。

基準站要架在盡量高且開闊的地方，附近不要有無線電信號干擾源，流動站在采集數據時要避免晃動，要時刻關注系統狀態，發現問題及時采取相應措施，要保證儀器及電瓶的電量充足。

將流動站的作業半徑控制在5 km以內，架設多個基準站時，求轉換參數聯測的控制點相鄰的基站至少要有2個公共點，以保證整個測區坐標系統的統一。

表3 RTK測量的平面坐標和高程與一級導線和四等水準高程部分成果比較 m

表4 兩個基準站的測量成果比較

3 結語

GPS RTK測量的關鍵技術是整周模糊度的確定、差分數據的傳輸、坐標轉換參數的求定，RTK系統的質量越高，其初始化能力越強，受環境的限制越小，所需時間越短，精度越高。

RTK作業距離受衛星狀況、天氣狀況、數據鏈傳輸狀況影響，應盡量使各點與基準站電臺準“電磁波通視”。

坐標轉換參數有區域性、時間性、完整性等特點，要根據工程的具體情況，選擇適當的參數。

由本次作業可以看出，GPS RTK技術在帶狀工程中也得到了很好的應用，其精度和可靠性也相當好，很大程度上提高了工作效率和經濟效益，在以后類似工程中值得推廣。

［1］徐紹銓，張華海，楊志強，王澤民編著.GPS測量原理及應用［M］.武漢大學出版社.1998.

［2］SL52－93.水利水電工程施工測量規范［S］.

［3］GB/T 18314－2009.全球定位系統(GPS)測量規范［S］.

［4］CJJ/T 73－2010.衛星定位城市測量規范［S］.

S275.9

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1004－1184(2012)05－0153－02

2012－05－02

苑慶中(1978－)，男，河南周口人，工程師，主要從事工程測量、GPS應用及數據處理等工作。