论GPS在水电工程控制测量中的研究

【摘要】随着科技的发展，人们对于户外的体力劳动是越来越小，本文将针对GPS在水电工程控制测量中的研究，以更好的减少人们在户外的户外工作。

【关键词】GPS 水电工程控制测量 的研究、

前言

GPS卫星导航和定位系统自1994年在美国投入应用以来, 并且随着GPS定位技术的出现和不断发展完善，使得测绘定位技术已经发生了革命性的变革，而且为工程测量提供了崭新的技术手段和方法。GPS主要有两种测量方式：码相位观测量和载波相位观测量。码相位观测就是通过GPS卫星发射的信号到达接收机的时间，是通过GPs卫星发射的测距码信号与接收机自身产生的测距码信号，并且经相关技术处理．求定时间延迟量，以此来完成卫星至接收机之间的几何距离测定。对于载波相位观测就是通过卫星到接收机之间的几何距离测定，足通过求定接收机产牛的 基准信号的相位与接收到卫星的载波信号的相位之 差米实现的，但是由于载波的波长比码元的宽度短得多，往往测量精度比用码相位要高．本文将以水电工程项目为例,来详细介绍GPS系统在水电工程控制测量中的应用进行研究。

一、GPS的工作原理

GPS的基本定位原理：GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。卫星不间断地发射自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、三维方向及运动速度和时间信息。如在P点架设GPS接收机,在某一时刻ti同时接收了3颗(命名为A、B、C)以上的GPS卫星所发出的导航电文,然后通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离SAP、 SBP、SCP,这样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置(三维坐标)。从而用距离交会的方法求得P点的维坐标(Xp,Yp, Zp),其数学公式为: SAP2=[( Xp-XA)2+(Yp-YA) 2+(Zp+ ZA) 2] SBP2=[( Xp-XB)2+(Yp-YB) 2+(Zp+ ZB) 2] SCP2=[( Xp-XC)2+(Yp-YC) 2+(Zp+ ZC) 2] 式中(XA, YA, ZA), (XB, YB, ZB), (XC, YC,ZC)分别为卫星A, B,C在时刻ti的空间直角坐标。我们在GPS测量中通常采用两类坐标系统,一类是在空间固定的坐标系统,另一类是与地球体相固联的坐标系统,称地固坐标系统,例WGS-84世界大地坐标系与1980年西安大地坐标系.并且在实际使用中需耍根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换,来求出所使用的坐标系统的坐标.这样更有利于表达地面控制点的位1和处理GPS观测成果，对于水电工程控制测量中常用是地固坐标系统。日常使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换,来求出所使用的坐标系统的坐标。其目的是有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果。

2GPS测量的技术特点：一是观测时间短。当GPS测量技术的不断完善，软件的不断更新，通过GPS进行测量时，静态相对定位每站仅需20min左右，动态相对定位仅需几秒钟。而采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30 ~ 40min左右,采用快速静态定位方法,观测时间更短，提高作业效益。如利用Timble4800GPS接收机的RTK法可在5s以内求得测点坐标。二是测站之间无需通视。传统的测量技术是既要保持良好的通视条件，同时又要保障测量控制网的良好图形结构。而GPS测量不要求测站之间相互通视，但测站上空必须开阔,以使接收GPS 卫星信号不受干扰。在布设GPS点时应保证至少一个方向通视。只需测站之间相互通视。三是定位精度高。在以往的试验和工程应用中，采用载波相位观测进行静态相对定位，在小于50km的基线上，相对定位精度可达1×10-6~2×10-6，可是在100~500km的基线上就能够达10-6~10-7。随着观测技术和数据处理方法的改善，有望在大于1000km的距离上相对定位精度达到或优于10-8.在实时动态定位(PTK)和实时差分定位(RTD)方面，定位精度达到厘米级和分米级，才能满足各种工程测量的要求。随着GPS定位技术及数据处理技术的发展，其精度还将进一步提高。双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm,并且红外仪标称精度为5mm +5ppm,GPS测量精度与红外仪相当,并且随着距离的增长,GPS测量优越性愈加突出。四是操作简便。GPS接收机是越来越小型化和操作傻瓜化,那么观测人员只需将天线对中、整平,通过量取天线高打开电源即可进行自动观测,并且利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。而对于“智能梨”接收机，在观测中测量员的主要任务就是安装开关仪器，并且量取天线高，通过采集环境的气象数据，监视仪器的工作状态，或者是其他工作，如卫星的捕获、跟踪观测与记录等方面均由仪器自动完成。五是全球全天候作业。随着GPS卫星较多，而且分布均匀，并且能保证了全球地面被连续覆盖，除雷雨天气不直接观测外，在地球上任何地点、任何时候都能够进行观测工作。

二、GPS系统在水电工程中的控制测量

水电工程一般都为窄带状结构，并且沿线几乎都要进行遂道开挖、桥梁架设等方面的工作，就需要控制点有较高的平面、高程精度，才能保证工程的顺利进行。如水电工程测量要有建立平面和高程控制网，测绘的库区，以及坝址、进出的洞口（中洞）、压力管与厂房的数字化地形图，以及工程施工放样。测区采用任意直角坐标系和假定高程系，假设是流域综合开发，这地方就可用区域内或国家统一的平面和高程系统。但由于水电工程大多数都在山区进行，交通不便，通视困难地方进行，采用红外测距仪施测导线网方法费工费时，而且精度难以保证，假设运用GPS测量，就可以很好的避免这些困难。

1、水电工程选点工作应遵守下列要求：一是水电工程观测站（也就是接收天线安置点）应远离大功率的无线电发射台与高压输电线，才能达到避免其周围磁场对GPS卫星信号的干扰。并且接收机天线和其距离，一般不得小于200m。二是水电工程观测站附近不应有大面积的水域或对电磁波反射（或吸收）强烈的物体，这样才能达到减弱多路径效应的影响。三是水电工程观测站应设在易于安置接受设备的地方，且视场开阔。在视场内周围障碍物的高度角根据情况一般应小于10°―15°。四是水电工程观测站应选在交通方便的地方，便于用其他测量手段联测和扩展。五是水电工程对于基线较长的GPS网，需要考虑观测站附近应具有良好的通信设施和电力供应，这样才能供观测站之间的联络和设备用电。六是点位选定后（包括方位点），均应按照规定绘制点之记（附表），其主要内容应包括点位及点位略图，点位的交通情况以及选点情况等方面的情况。

2、水电工程建立布网方案。建立布网方案GPS网的图形设计应有的原则：一是GPS应根据测区需要和交通进行设计。建立布网方案GPS网中点与点之间不要求通视，并且需要考虑加密时的应用，每点应有一个以上的通视方向。二是在布网设计中应考虑到原有测绘成果资料和各种大比例尺地形图的沿用，这样宜采用原有坐标系统。对凡是符合GPS网布点要求的旧有控制点，应充分利用其标石。所以说水电工程建设业主提供的测区内有4坐标系的控制点二个(已知起算点),便可根据水电工程需要在水电工程建设红线范围内加密控制点,这样就可以建立控制网。再通过GPS静态测量法 ，GPS静态测量法往往是根据制定的观测方案,将三台4800GPS接收机安置在待定点(a2, c1, c2, c3)上。，这时就可以同时接收卫星信号,并且直至将所有环路观测完毕。然后通过观测数据，再经平差计算得到某一坐标系的坐标。这样在比较恶劣地形的水电站，用GPS的动态测量(RTK),通过卫星信号通畅,就可满足规范对附合导线长、闭合导线长及结点导线间长度等方面的规定。

三、GPSRTK在水电工程中的地形测绘

随着GPS的发展，对测绘界而言，无疑是一场技术革命。特别是GPS RTK技术在测量中的应用，已经使水电工程中测量方面发生了质的变化，真正实现了测量的单兵作业。 GPS RTK技术由于其高精度、高效率、操作简便等方面的特点被广泛应用于各种控制测量、地形测量、施工放样等等方面。如果在地形复杂,通视情况较差,导线测量存在困难的测区,RTK可以代替传统的三角网、导线网等方法,在GPS控制网的有效范围内,灵活机动的分组布设图根点，RTK技术已逐步应用于水电工程大比例尺（1∶500～1∶2000）地形测绘，包括测图控制和碎部测量，其平面、高程精度远满足规范要求。GPS平面控制测量是整个地形测量的起算数据，也是求取平面坐标转换参数的关键。在实际工作中可以通过选取合适的中央子午线合高程投影面来减少投影变形的影响，同时可以采用抵偿高程面使投影变形最小并与国家坐标一致。对于RTK技术在水电工程的水下地形测绘、水库调查测量、河道断面测量、施工放样中已经有着广泛的应用。可是对于目前的情况，GPSRTK很大程度上受地形、植被等条件的制约，在西部山区水电工程建设中还难以全面推广，有待于进一步积累经验。

四、GPS在水电工程中的施工控制网

利用GPS定位方法进行施测。其关键是从坐标系统和投影面的确定,并且是施工控制网的布设、观测、利用精密星历进行数据处理、对成果的质量控制和分析。由于水电工程施工对高程有严格的要求，而且高程控制网采用精密水准测量方法建立，或者是辅以光电测距三角高程测量来实现，并且各工程区必须利用GPS联测，以此确保测量基准的统一和隧洞的贯通。在山区大型水电工程，GPS测量的拟合高程只能达到±0．10m的精度。而且对丘陵地区中型水电工程，GPS高程可达到±0．05m的精度。

五、GPS在水电工程中的安全监测

水电工程建设周期长、规模大，由于结构安全监测极为重要，一般都要求对大坝和滑坡体进行不定期的监测。而且由于水电工程建设环节多，任何一座水电建筑物从施工到完建必然隐含了诸多风险，安全监测的目的就是要及时发现和处理因这些风险因素可能造成的工程安全事故，达到杜绝事故或把事故的损失降低到最低程度。而监测仪器和数据采集方式，已从人工测读向自动化方向发展，并且监测资料分析逐渐从被动性的后处理向主动性的实时分析过渡，安全监测的重点也从监测向监控转变。往往受地形等因素的限制，国内主要采用精密大地测量方法，而GPS监测作为发展方向，正在逐步推广和完善之中。由于GPS有别于常规的监测技术,它本身获取的数据和变形监测数据序列都需要进行有效的处理,达到满足变形监测的需要。GPS在变形监测中,能够对各种误差影响的分析和有效处理;GPS变形监测网的优化设计和平差理论;基准的选取合统一;变形监测数据序列的分析与处理。达到对水电工程的安全监测。

总而言之，GPS作业于水电工程的地面控制 测量，是一种效率高、平面精度高，并以极大地降低作业强度的好方法，非常适合于地形条件困难地区、水电工程红线范围内的工程控制测量。