摘要：本文概述了GPS技術及其特點和在水利工程中的應用現狀，并展望了GPS技術在水利工程中的應用前景.
　　[關鍵詞]GPS技術;控制網精度;數據處理
　　1GPS在水電工程中應用概述
　　GPS技術在我國水電工程建設中已獲得應用,但是,更深層次的開發和推廣尚有待進一步開展,主要原因是水電工程特有的地形及環境條件。例如工程區域常位于深山峽谷,對可見衛星信號的接收有困難,以及對GPS定位精度存有疑慮、對目前GPS技術的進展了解不夠等。從目前GPS定位精度來看,通過采用必要的數據處理技術,定位精度達到±1～±2mm是不困難的。因此,只要環境條件允許,在水電工程中積極推廣GPS技術,對促進我國水電事業的發展將有積極意義。實時施工測控系統在三峽大壩早期圍堰合攏時,GPS實時測量技術曾在合攏口的形態和水文特性的測量中得到應用,其實,GPS在水電工程中的應用可以揮更大的作用。大型水電工程施工場面很大,構筑物繁多。因此,傳統的施工測量作業任務重,內容復雜,需要一支較大的隊伍承擔此任務。通常,施工測量必須建立多級控制網,逐級布設的控制網精度損失嚴重,受各種構筑物建設環節及位置所限,布網較困難。此外,控制網定期檢查和復測的工作量也很大。
　　利用GPS實時相位差分技術(RTK)通常在幾分鐘內就很容易達到±10～±20m的定位精度。完全可以滿足水工建筑物施工放樣的精度要求,因此,在環境條件允許時。大型水電工程建設中應該采用GPS實時施工測控系統。在整個施工區域內,選定2～3個GPS固定點作為施測系統的基準點,施工期內進行連續觀測。以GPS流動站測放。各構筑物部位,固定站和流動站間通過無線電通信,發以達到精確、實時、快速放樣的目的。相比之下,常規的施工測量方法,GPS實時測控系統的建立將顯著地改變長期延襲的施工測量技術。精度更均勻、實時快速、使用方便、控制面積更大、施測更靈活、不受通視條件所限的GPS測量系統,可以很方便地完成絕大部分施工平面定位工作。在定位要求較高的部位,可以采用GPS靜態測量的方法,30min觀測時段的定位精度可以達到±2～±3mm,滿足較高精度要求的一些重要部位施工放樣的需要。
　　此外,為了解決施工放樣的高程精度要求,可以預先施測一些精密水準點,并對這些點進行GPS觀測,利用目前GPS水準擬合方法,建立施工區域GPS水準的高程異常模型,實現水電工程施工中用GPS實時測控系統較精確地測放三維坐標。
　　大型水電工程施工中建立GPS實時測控系統,是一種應該推廣應用的新技術。它不僅可以直接用與陸地上各放樣點的自動、快速、準確、方便的定位,而且可以極大地降低勞動強度和測量工作的復雜性(多級布網、加密等),便于對控制系統的檢查、復測。此外,GPS實時測控系統在施工過程中對河床斷面、壩區水下地形、水文要素等各種有關的測量作業都能發揮重要作用。還可以應用于大堤防汛監測中,由每隔20km所建的基準站及大堤布設的流動站進行觀測,經無線電信息傳輸,可快速、方便地獲得各測點的位移情況,去精度約±10mm,不僅能夠在防汛時反映大堤安全監測系統。
　　2GPS定位基本原理
　　2.1GPS觀測量
　　GPS衛星信號含有多種定位信息,作為定位的觀測量。主要有兩種:即碼相位觀測量和載波相位觀測量。所謂碼相位觀測,就是GPS衛星發射的信號到達接收機的時間,是通過GPS衛星發射的觀測碼信號(C/A碼或P碼)與接收機自身產生的觀測碼信號,經相位的幾何距離測定。所謂載波相位觀測,是通過求定接收機產生的基準信號的相位與接收到衛星的載波信號的相位之差來實現的。由于載波的波長比碼元的寬度短得多,所以測量精度比用碼相位要高。目前大地型GPS接收機都采用載波相位測量。
　　2.2GPS觀測方程和定位方程(僅列出載波相位觀測方程和定位方程)
　　載波相位觀測方程為
　　ψ=f/c(ρ-δp1-δpr)-fυ1t+fυ2t-n(1)
　　式中ψ為載波相位觀測值;c為真空中的光速;f為載波頻率;p為衛星至接收機的距離;δp1為衛星信號通過電離層折射的改正;υ1t為接收機的改正;υ2t為衛星鐘的改正;N為整周未知數。載波相位定位方程為設衛星坐標為Xs、Ys、Zs(可根據衛星信號計算出,為已知值),接收機(即測站)坐標為X、Y、Z(待求值),則
　　p=[(XS-X)2+(YS-Y)2+(ZS-Z)2]12
　　(2)設接收機(即測站)近似坐標為X0、Y0、Z0,其改正數為VX、VY、VZ,即有:
　　X=X0+VX
　　Y=Y0+Vy(3)
　　Z=Z0+Vz
　　設衛星信號從衛星至接收機傳播時間為Δt,將(2)(3)式代入(1)式,并將p在(X0•Y0•Z0)上用泰勒級數展開,經線性化后得
　　-f/c(X0-Xs)/P0•Vx-f/c•(Y0-Ys)/P0•Vy-f/c•(Z0-Zs)/P0•f•Δt-f•V2t+N=f/c•(P0•t1+PV1t-ρ•Δt-δP1-δPr)-ψ(4)
　　(4)式中VX•VY•VZ•Vt1為未知數(因衛星上裝有高精度的銫鐘,故Vt2可求出。而接收機上不可能安裝銫鐘,故將Vt1作為未知數來求出),當觀測4顆衛星的信號,即可求出這4個未知數,從而可求出測站點的三維坐標,完成定位。這就是GPS觀測時,觀測的衛星數≥4的原因。
　　2.3定位方法
　　定位方法分為絕對定位方法和相對定位方法,這里主要介紹相對定位方法的靜態定位模式。確定同步跟蹤相同GPS衛星信號的若干臺(至少為2臺)GPS接收機之間的相對位置的方法,稱為相對定位。靜態相對定位模式是相對定位模式中的一種。這種作業模式的作業方法是,將兩臺或兩臺以上的GPS接收設備分別安置在幾個點上,同步觀測1～2h。當觀測站間的距離超過20km時,還要適當延長觀測時間,當測站間距離不超過5km時,觀測時間可縮短到45min左右。這樣,用邊連接方法構網,用后處理軟件解算基線,經平差計算求定觀測點三維坐標。對于雙頻GPS接收機,這種相對定位模式的精度可以達到5mm+1ppm•d,d為測站間的距離(km)。一般GPS控制網,都應采用靜態相對定位測量方法。這種方法定位精度高,適用長邊。
　　3實例
　　有一地區作控制見圖1,測區已布設了三等和四等測圖控制網,其成果為任意帶直角坐標系,測區原有國家二等水準點二個,勘測階段新布設了三等水準線,高程系統采用1985國家高程基準。為保證施工圖的準確放樣,施工控制網的基準必須與勘測設計階段一致。
　　                   
　                                                                       　圖1控制網網圖
　　3．1數據檢核
　　觀測時由于受一些條件的影響,GPS觀測數據有時出現異常,因此要對觀測數據進行鑒別和刪除,數據檢核條件分獨立觀測環和同步觀測環,其閉合條件必須分別滿足:
　　GPS同步環坐標分量及全長閉合差:
　　             
　　　　
　　式中n為環基線個數,a,b為GPS接收機標稱精度的固定誤差和比例誤差,d為環中基線平均長度。閉合環檢核精度見表1。
　　                                             表1同步環檢測
　　 
　　重復基線檢核:共10條重復基線,較差最大為7mm,最小為0mm,平均相對誤差為3.72pmm。除此外,測距儀實測邊長經改化后也是GPS外業觀測質量檢校的基準。見表2、表3、表4。
　　表2檢測原網點
　　
　　3．2GPS數據后處理
　　GPS從導航定位應用于工程測量,最主要的是了解數據后處理軟件,因此選擇一個嚴密的后處理軟件,選擇一種適當的平差方法和準確參數基準是決定GPS測量成果好壞的關鍵。本例中我們采用武漢大學的專業平差軟件《COSA》進行數據處理與平差計算。COSA是一個多功能的平差系統,平差方法嚴密,符合我國相關規范要求,平差結果正確,數據處理精度較高。精度如下
　　　
　　　　
　　顯然,以上精度已滿足相應等級的施工控制網要求。控制點成果和精度,見表5。
　　表5控制點成果和精度
　　  
　　4結論
　　該實例GPS施工控制網的成功施測,說明采用GPS定位技術進行高精度水利工程施工控制網中有廣泛的應用前景。同時也說明GPS技術發展到今天,已是一種具有高精度的成熟技術。隨著廣大研究者和測量工作者的不懈努力,可以展望將獲得更深層次的發展和拓展該項技術在水電工程建設中的應用。
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