GPS RTK技術在嘉陵江鳳儀電航工程的應用

摘 要：GPS技術是一種先進的測量技術手段，能給測量工作帶來極大的方便。GPS RTK廣泛應用于地形地籍碎部測量，也可以用于控制加密測量。嘉陵江鳳儀電航工程位于地形復雜且偏遠地區，已知高等級控制點較少，常規的圖根控制測量方法受地形條件限制，費時耗力。 本文用GPS RTK測量方法，按照行業規范的要求對測區控制點測量，工作效率高，提高效率，降低成本；將測量成果與常規測量比較，得出測繪平面精度更高，高程精度跟等外水準測量方法相當的結論。

關鍵詞：GPS RTK 控制測量 水利電航工程

中圖分類號：TM7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（b）-0036-02

GPS RTK技術一種全天候、高精度、高效率的測量方法，可以被用于控制測量工作。GPS RTK技術在水利電航工程測量中的應用前景非常廣闊[1]，已有很多學者對GPS RTK技術在水利工程建設中的應用開展了研究，如鄧文從理論上推導了作業半徑在4 km范圍內時，GPS RTK測量控制點的精度可以達到一級導線點的精度要求[2]。薛廣鵬通過實測數據證明了GPS RTK技術用于水利工程斷面測量的可行性和優越性[3]。王長江介紹GPS-RTK在杭州灣跨海大橋樁基測量中的應用，并根據長期實踐總結了RTK在施工測量中的注意事項，GPS-RTK定位的優點[4]。但是對于梯級開發電航工程中測繪新技術的研究和探索目前還很少，本文通過實證數據說明GPS RTK技術的可行性，對同類型工程項目有一定的借鑒意義。

1 GPS RTK工作原理概述

GPS RTK是局域差分定位技術，RTK通過載波相位觀測值進行差分定位，能夠實時測定點在指定坐標系的三維坐標，并達到厘米級的精度。對于水電工程來說，單基站局域差分定位是常用的一種定位技術，單基站RTK系統由一個基準站和多個流動站已經數據鏈接設備組成，流動站接受衛星信號的同時接受基準站發送的載波相位信息，通過求差解算坐標，求差解算坐標所采用的數學模型包括單差、雙差和三差。由于小型工程基準站和流動站距離較近，一般采用雙差觀測方程組成的數學模型求解[5]：

-[，，]J·-+- （1）

對于移動站TR和TB基準站，同步觀測的兩顆GPS衛星為sj和sk，得到雙差相位觀測量為：

=[（t）-（t）-（t）+（t）] （2）

當移動站和基準站間距離較近時，可以假設：=，這時：

=[--+]=0 （3）

移動站相對基準站的坐標改變量為[，，]，當基準站坐標已知的情況下，可以容易的求得移動站的坐標；移動站對于同步觀測兩顆GPS衛星的方向矢量值之差可以表示為：

[，，]=[-，-，-] （4）

VP表示觀測噪聲。等式（1）的未知參數包括[，，]和雙差整周模糊度，求解等式（1）關鍵是初始值的確定，這方面的內容在許多資料中均有出現[6]，初始值的確定以后就可以實現載波相位差分定位。

2 測區概況

嘉陵江鳳儀樞紐工程位于南充市境內，是嘉陵江干流廣元至重慶段十六級開發方案中的第十級。上游與已建成的馬回樞紐相接，下游與小龍門梯級銜接，是航電結合的綜合利用工程。

測區屬川中丘陵地區，位于“嘉陵曲流甲天下”的嘉陵江中游，地表破碎，地形起伏大，植被覆蓋率高，支流眾多且狹長，測區范圍從江凌壩下游馮家灣起點海拔約267 m至淹沒后高程加10 m的高程296 m。外業施工期又正值冬春季多霧季節，作業難度較大。

3 精度檢驗

3.1 基礎控制資料

平面坐標系統采用1954年北京坐標系。平面控制點有D級GPS01、GPS03、GPS05、GPS06等共8個點。一級導線點有I05、I06、I07、I11等共34個點。成果為某甲級測繪資質單位施測。

高程系統采用1956年黃海高程系。高程為該單位施測的四等三角高程成果共15個點，等外水準三角高程成果19個點，實地保存較為完好，均可利用。

3.2 坐標轉換參數確定

（1）收集、整理轉換區域內8個D級重合點的WGS84坐標和1954北京坐標系坐標。

（2）經過圖形分析和優化設計選擇，最終選取分布在測區四周的GPS01、GPS03、GPS05、GPS06四個點的坐標值計算坐標轉換參數。

（3）由于重合點數據較多，經研究選用七參數轉換法求解轉換參數，轉換數學模型采用目前通用的布爾莎模型[7]：[MS1]。

=K + +

（4）先將控制點的WGS84坐標轉換成空間直角坐標系。

（5）根據確定的轉換方法和轉換模型利用最小二乘法初步計算轉換參數。

（6）分析了重合點坐標轉換殘差，沒有出現殘差大于2倍殘差中誤差的重合點，說明轉換參數精度滿足要求。

（7）把確定的坐標轉換參數輸入儀器手簿中。

（8）平面和高程控制測量嚴格按照規范要求進行儀器操作和數據采集。

3.3 測繪成果及精度統計

運用RTK技術，按照一級控制點的操作要求進行數據采集，我們重新測定了所有一級導線點的坐標。

（1）對測繪數據進行精度統計，結果如表1。

由表1中數據可以看出，點位中誤差f為±0.030 m小于規范的±0.050 m，邊長相對中誤差k為1/22560小于規范的1/20000，大地高中誤差±0.028 m小于規范的±0.030 m，說明數據成果質量滿足規范要求，內符合精度良好。

（2）將測繪數據與生產單位提供坐標進行比較。

本文中計算兩個高程中誤差來衡量RTK高程測量精度，一個是利用15個四等水準點數據作為真值的高程中誤差Mh1求解；另一個是19個等外水準點數據作為真值的高程中誤差Mh2如表2。

從表中數據可以看出，GPS RTK一級控制點測量精度與一級導線點常規控制測量的精度符合情況：平面精度非常高，高程精度差異相對較大，從Mh1和Mh2的數值可以看出，GPS RTK測定的高程在測區還不能達到四等水準測量精度，但是基本可以達到等外水準測量的精度。

4 結語

在丘陵地區的水電工程開發中，用GPS RTK控制測量代替常規導線測量，在精度上是完全可行的，同時利用GPS RTK控制測量可以跟碎部測量同步進行，可以提高效率，降低成本；克服外業方面的“通視條件”、“測站測定”等方面的限制；所以它在水利電航工程中的河道整治規劃、水庫可研、灌區治理、淹沒區土地征收等方面的測量和工程放樣中很有實用價值。特別是在一些地形條件復雜的地區，過水的河道、不通視的線路等都非常方便操作，GPS RTK在控制測量中更顯出無比的優勢。

當然，RTK技術快速、靈活的作業方式有賴于足夠的衛星數、穩健的數據鏈、較小的多路徑效應等外界條件，在水利水電中更顯得突出，有時會出現無法正常作業的情況，這些缺陷將會隨著工程網絡RTK、多衛星導航系統等新技術的出現得到解決。

參考文獻

[1]馬艷艷.全球定位系統（GPS）技術在水利工程中的應用[J].山東水利，2009（12）：15.

[2]鄧程文.GPS-RTK技術在水利工程測量中的應用[J].中國新技術新產品，2011（3）：101.

[3]薛廣鵬.RTK技術在水利工程斷面測繪中的應用[J].四川建材，2010（5）：110-111.

[4]王長江.GPS-RTK在杭州灣大橋樁基礎施工測量中應用[J].石家莊鐵道學院學報，2005，18（B6）：72-74.

[5]陳樹新，王永生.利用Kalman濾波實現快速GPS整周模糊度確定的研究[J].遙控遙測，2001，22（5）：8-13.

[6]Teunissen P J G.Least-squares estimation of the GPS ambiguity[A].Invited lecture，Section IV theory and methodology，IAG general Meeting.Beijing.1993，8.

[7]徐紹銓.GPS測量原理及應用[M].武漢：武漢大學出版社，2007：12.