全球定位系统在电力工程中的应用

提要简述了全球定位系统(GPS)的构成以及定位的基本原理,同时介绍了GPS在电力工程测量中的应用。

关键词:全球定位系统;电力工程;测量

中图分类号:F49文献标识码:A

一、引言

全球定位系统(简称GPS),美国从20世纪七十年代开始研制的用于军事部门的新一代卫星导航与定位系统。GPS是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统,它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能,而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此,GPS技术转入民用后,率先在测量领域得到广泛应用。电力工程所处地形条件复杂,常规测量难以满足精度及工期要求,GPS控制测量则充分显示其优越性。本文主要介绍GPS的构成以及在电力工程测量中的应用。

二、GPS构成与工作原理

(一)GPS构成。GPS主要有三部分构成,分别是空间卫星星座、地面监控站及用户设备。

1、GPS空间卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内,轨道平面的倾角为55°,卫星的平均高度为20,200km,运行周期为11小时58分。卫星用L波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号,导航定位信号中含有卫星的位置信息,使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻,在高度角15°以上,平均可同时观测到6颗卫星,最多可达到9颗。

2、GPS地面监控站主要由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站根据各监测站对GPS卫星的观测数据,计算各卫星的轨道参数、钟差参数等,并将这些数据编制成导航电文,传送到注入站,再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中。

3、GPS用户设备由GPS接收机、数据处理软件及其终端设备(如计算机)等组成。GPS接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,跟踪卫星的运行,并对信号进行交换、放大和处理,再通过计算机和相应软件,经基线解算、网平差,求出GPS接收机中心(测站点)的三维坐标。

(二)GPS定位基本原理。GPS定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的。GPS定位方式有绝对定位(单点定位)与相对定位两种。绝对定位的结果为在GPS定位基准下的三维坐标,通常以纬度、经度与海拔高的形式提供。相对定位的结果为两个测点之间的基线向量(在地心地图坐WSG-84x、y、z球的平距、方位角和大地高差的形式)。就空间几何定位而言,在某一时刻能同时测定出站点到三颗卫星的距离,加之此时刻卫星的位置是已知的,便可用空间距离交会的原理解算出站点的点位坐标来。相对定位的基本思想是采用至少两台GPS接收机分别安置于两个不同的测站上,同步观测4颗以上的卫星,采用求差法,消除卫星钟与接收机钟的钟差,减弱信号传播误差的影响,解算出站点之间的基线向量。相对定位精度可以达到几个ppm以上。随着GPS的不断完善发展,目前GPS测量已能取代传统的三角控制测量、导线测量以及摄影控制测量,还广泛应用于碎部测量、地形测量及工程测量。由于电力测量的行业特殊性,GPS测量的应用前景广阔。

三、GPS在工程测量中的应用

就目前而言,GPS已经广泛应用于我国电力工程测量领域中,特别是在野外作业,并相应地进行了实用开发研究。

(一)建立平面控制网。电力工程控制网是电力工程建设、管理和维护的基础,其网型和精度要求与电力工程项目的性质、规模密切相关。采用GPS定位的方法建立电力工程控制网,具有点位选择限制少,作业时间短,成果精度高,工程费用低等优点。

一般而言,对于电力工程控制网的建立依据是,在线状测区内最好至少有四个已知控制点分布在测区两端及中央,且每隔20km左右最好有一个已知控制点 在工程线路每3公里左右寻找交通便利的制高点埋设E级GPS控制点(如只用GPS动态测量-RTK技术方法,不需要控制点互相通视)其布网形式根据控制点分布位置可以多样化,主要采用边连式环形整体网。

(二)GPS静态观测。GPS静态观测需要3台以上GPS接收机同时接收GPS卫星信号,观测数据记录使用数据存储卡采集或接收机内部存储器直接记录,设置截止高度角(即卫星屏蔽角)不小于15°,星历采样间隔设置为10秒,每个同步环施测1个时段,每个时段观测时间为45分钟,每站各时段接收最少卫星数最少为6颗,平均重复设站数不小于16,最大几何稀释度(PDOP值)小于6。

(三)GPS静态数据解算。对于GPS观测数据的处理,基线向量解算是最重要的环节之一,因为基线质量的好坏,直接影响最终的平差结果。基线解算的过程实际上是一个平差的过程,平差所采用的观测值主要是双差观测值。基线解算时的平差分为初始平差、整周未知数的确定、确定基线向量的固定解三个阶段进行,最后输出计算精度和成果。

(四)GPS动态测量(RTK测量)。GPS RTK测量是在WGS-84坐标系中进行的,而电力线路测量定位是在当地坐标或我国北京54或西安80坐标上进行的, 这之间存在坐标转换的问题。GPS静态测量中,坐标转换是在事后处理时进行的。坐标转换的必要条件是:至少三个以上的大地点分别有WGS-84地心坐标和北京54坐标或西安80坐标,利用转换模型解求转换参数,此参数控制线路一般为30km左右;一套转换参数控制一段线路,以转角为分段点。RTK的测量方法通常采用“键入参数”,该方法是利用静态观测解算时求得主体控制点的WGS-84坐标,再把WGS-84坐标和地方网格坐标键入到TSC手簿里,进行“内业点校正”,即可求得测区转换参数。也可以在静态解算时直接进行点校正,然后把校正参数直接传输到TSC手簿中。外业测量时把基准站架设到测区内一个控制点上,利用经过点校正的文件启动基准站,流动站即可以工作。在流动站测量时,可以根据需要设置观测方式和精度。

四、启示

GPS技术应用于电力工程测量中,使得测量的效率、质量大大提高,而且节省了测量人员体力。同时,对生态环境起到了一定的保护作用。总体来看,随着GPS技术的不断提高,以及广大测绘工作者的不断探索,GPS会逐步深入到更具体的工作中,会对电力工程测量有更大的帮助。

(作者单位:新疆电力设计院)