GPS技術(shù)在豐滿水電站庫區(qū)控制測(cè)量的應(yīng)用

陳和權(quán)，趙紅旭，馬成武，郭洪濤

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司工程測(cè)繪公司，吉林長(zhǎng)春130062）

1 工程概況

豐滿水電站是吉林省境內(nèi)第二松花江干流上的大型水利樞紐工程，下游距吉林市24 km?？刂屏饔蛎娣e42 500 km2，約占第二松花江流域面積的55%。是一座防洪發(fā)電并重，并承擔(dān)下游工農(nóng)業(yè)及城市供水、航運(yùn)、旅游等多方面綜合利用的大（1）型水電站。

豐滿水電站樞紐工程始建于1937年的偽滿時(shí)期，1943年第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，1948-1949年恢復(fù)建設(shè)工作，1951-1953年進(jìn)行了擴(kuò)建和改建，1953年全部建成。豐滿水電站由于當(dāng)時(shí)的建設(shè)條件，建成以來一直存在著嚴(yán)重的缺陷。雖然1997年以前對(duì)大壩進(jìn)行了加高、壩體外包混凝土防滲、預(yù)應(yīng)力錨索、灌漿、排水等綜合治理，但壩體混凝土強(qiáng)度偏低、整體性差、泄洪設(shè)備不足、大壩滲漏嚴(yán)重、壩體揚(yáng)壓力偏高、混凝土溶蝕及凍脹等影響大壩長(zhǎng)期安全等問題始終未能得到徹底的解決，大壩存在極大安全隱患，不但影響豐滿電站的發(fā)電效益，而且對(duì)下游人民的生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成威脅，因此必須予以全面治理。

2 作業(yè)方式

由于豐滿庫區(qū)作業(yè)范圍很大，我們從進(jìn)度、質(zhì)量、工期三方面綜合分析，作業(yè)任務(wù)分兩期進(jìn)行：第一期工作進(jìn)行四等GPS網(wǎng)布設(shè)在3個(gè)區(qū)域同時(shí)進(jìn)行，從豐滿壩址—拉法河口為一區(qū)，從拉法河口—蛟河為二區(qū)，從拉法河口—墻縫為三區(qū)；第二期工作在2個(gè)區(qū)域同時(shí)進(jìn)行，從墻縫—黑石為四區(qū)，從墻縫—紅石電站為五區(qū)。

3 四等GPS網(wǎng)布設(shè)及觀測(cè)

3.1 GPS網(wǎng)布設(shè)

四等GPS網(wǎng)盡量沿庫區(qū)兩岸布設(shè)，基本平面圖形為多邊形，采用邊連接方式。圖形設(shè)計(jì)參數(shù)如下：圖形設(shè)計(jì)總體可靠性滿足技術(shù)設(shè)計(jì)書要求，在GPS基線觀測(cè)數(shù)據(jù)中多余基線觀測(cè)值數(shù)為76條，總的基線觀測(cè)值數(shù)206條，之比為0.37；重復(fù)測(cè)量的基線為47條，獨(dú)立確定的（不相關(guān)）基線總數(shù)206條，重復(fù)測(cè)量的基線占獨(dú)立確定的（不相關(guān)）基線的百分?jǐn)?shù)為22.8%；每條基線邊所在的異步環(huán)數(shù)不小于1；環(huán)線邊數(shù)為4～5條。

3.2 GPS網(wǎng)觀測(cè)

在外業(yè)觀測(cè)時(shí)，按GB50026-2007《工程測(cè)量規(guī)范》中的GPS觀測(cè)要求進(jìn)行觀測(cè)。

第一期工作一區(qū)、三區(qū)均使用4臺(tái)華測(cè)X90接收機(jī)，二區(qū)采用4臺(tái)Trimble 5700型接收機(jī)進(jìn)行外業(yè)觀測(cè)；第二期工作四區(qū)、五區(qū)均采用華測(cè)X 90接收機(jī)進(jìn)行外業(yè)觀測(cè)。外業(yè)觀測(cè)時(shí)，根據(jù)觀測(cè)條件每區(qū)同步觀測(cè)時(shí)段至少20 m in。第一期3個(gè)區(qū)觀測(cè)公共點(diǎn)為D283，D282，第二期四區(qū)、五區(qū)觀測(cè)公共點(diǎn)為D305，D148。第一期與第二期觀測(cè)公共點(diǎn)為D299，D300。四等GPS網(wǎng)野外觀測(cè)嚴(yán)格遵守GB50026-2007規(guī)范及SL197-97《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》的要求。觀測(cè)采用靜態(tài)相對(duì)定位模式，具體做法嚴(yán)格按照SL197-97規(guī)范要求執(zhí)行。從觀測(cè)結(jié)果來看GPS每個(gè)時(shí)段觀測(cè)時(shí)間均能夠解算出整周未知數(shù)。

4 四等GPS網(wǎng)基線解算及平差

4.1 GPS網(wǎng)基線解算

GPS網(wǎng)基線的解算采用Compass靜態(tài)解算軟件完成?；€合格解采用雙差固定解，其方差比大于3，點(diǎn)位中誤差小于0.04 m，因此消除了接收機(jī)相對(duì)鐘差的影響。影響本次工作基線解算主要因素為觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)短、接收衛(wèi)星數(shù)目、接收機(jī)誤差等。軟件中基線解算設(shè)置比較關(guān)鍵，其參數(shù)決定Compass靜態(tài)解算軟件如何進(jìn)行基線解算，也決定基線的精度。其參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 參數(shù)設(shè)置表

在基線解算過程中，基線解算結(jié)果的檢核條件為：RMS均方根誤差較??；雙差固定解之質(zhì)量因子ratio應(yīng)大于3；雙差分固定解的協(xié)方差矩陣沒有異常；相鄰點(diǎn)間基線標(biāo)準(zhǔn)誤差應(yīng)小于規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)誤差σ；整周模糊度接近于整數(shù)。

采用GPS接收機(jī)的華測(cè)隨機(jī)軟件解算基線向量時(shí)，中間會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題，對(duì)于這些問題進(jìn)行解算和分析，采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，最終獲得滿意的基線解算成果。在對(duì)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的基線向量解算過程中，采用的措施有：通過殘差分析，刪除殘差大的數(shù)據(jù)；進(jìn)行基線向量的剔除，N臺(tái)GPS接收機(jī)同時(shí)觀測(cè)的基線向量有N-1條獨(dú)立基線；當(dāng)雙差分固定解不理想時(shí)，可采用舍去某段觀測(cè)值的方法進(jìn)行基線處理；刪除掉觀測(cè)數(shù)據(jù)中周跳大的衛(wèi)星相位跟蹤數(shù)據(jù)；對(duì)于首次解算不合格基線，通過調(diào)整高度截止角與衛(wèi)星歷元數(shù)重新解算，而且通過對(duì)基線的二次處理，可以提高整個(gè)GPS網(wǎng)的基線觀測(cè)精度。

同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差是檢驗(yàn)一個(gè)時(shí)段觀測(cè)質(zhì)量好壞的標(biāo)志。獨(dú)立閉合環(huán)及符合路線坐標(biāo)閉合差滿足：

式中：n—閉合環(huán)邊數(shù)；σ—相應(yīng)級(jí)別規(guī)定的精度（按實(shí)際平均邊長(zhǎng)計(jì)算）。

表2 四等GPS網(wǎng)重復(fù)基線精度統(tǒng)計(jì)表

4.2 GPS網(wǎng)平差計(jì)算

利用Compass靜態(tài)解算軟件首先在WGS84坐標(biāo)系下進(jìn)行三維自由網(wǎng)平差，平差結(jié)果提供各控制點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)、基線向量和3個(gè)坐標(biāo)差，以及基線邊長(zhǎng)和相應(yīng)的精度信息。檢查網(wǎng)本身的內(nèi)符合精度、基線之間有無明顯系統(tǒng)差和粗差，提供大地高數(shù)據(jù)。在平差過程中剔除經(jīng)過重復(fù)基線檢驗(yàn)、閉合環(huán)檢驗(yàn)的誤差較大的基線，保持GPS網(wǎng)整體精度。其次選取測(cè)區(qū)橢球面和中央子午線126°進(jìn)行高程基準(zhǔn)改正以及高斯投影計(jì)算，最后利用地面網(wǎng)12個(gè)國(guó)家三角點(diǎn)作為起算數(shù)據(jù)起始點(diǎn)進(jìn)行平移、旋換后得到屬于1954年北京坐標(biāo)系的GPS高斯平面坐標(biāo)成果。

表3 四等GPS網(wǎng)環(huán)閉合差精度統(tǒng)計(jì)

1）已知點(diǎn)的兼容性檢驗(yàn)。GPS網(wǎng)中已知點(diǎn)的兼容性直接影響GPS定位成果的精度。因此，本次工作對(duì)GPS網(wǎng)中已知點(diǎn)進(jìn)行必要的兼容性檢驗(yàn)，以便發(fā)現(xiàn)并剔除含有粗差的已知點(diǎn)。可靠性分析采用約束平差法在GPS網(wǎng)的15個(gè)已知點(diǎn)中，選其中12個(gè)已知點(diǎn)為約束條件進(jìn)行約束平差，根據(jù)非約束3個(gè)已知點(diǎn)的約束平差坐標(biāo)異常值，可檢驗(yàn)出含有粗差的已知點(diǎn)。本次工程未發(fā)現(xiàn)粗差已知點(diǎn)。對(duì)于本次工作GPS網(wǎng)中的已知點(diǎn)異常情況可以排除。

2）分區(qū)平差與統(tǒng)一平差。此次豐滿庫區(qū)作業(yè)共分5個(gè)區(qū)域進(jìn)行GPS測(cè)量，為保證工作進(jìn)度，各個(gè)區(qū)域的GPS網(wǎng)分區(qū)進(jìn)行平差，以其平差結(jié)果作為此次測(cè)圖工作的起算坐標(biāo)。最后使用華測(cè)隨機(jī)Compass靜態(tài)處理專業(yè)軟件統(tǒng)一進(jìn)行平差。分區(qū)平差與統(tǒng)一平差計(jì)算結(jié)果最小的GPS點(diǎn)差值為0.042 m與最大GPS點(diǎn)的差值為0.082 m。四等GPS網(wǎng)平差精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 四等GPS網(wǎng)平差精度統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語

1）在布設(shè)GPS網(wǎng)時(shí)，適當(dāng)增加觀測(cè)期數(shù)（時(shí)段數(shù)）對(duì)于提高GPS網(wǎng)的可靠性非常有效。因?yàn)?，隨著觀測(cè)期數(shù)的增加，所測(cè)得的獨(dú)立基線數(shù)就會(huì)增加，而獨(dú)立基線數(shù)的增加，對(duì)網(wǎng)的可靠性的提高是非常有宜的。

2）保證一定的重復(fù)設(shè)站次數(shù)，可確保GPS網(wǎng)的可靠性。一方面，通過在同一測(cè)站上的多次觀測(cè)，可有效地發(fā)現(xiàn)設(shè)站、對(duì)中、整平、量測(cè)天線高等人為錯(cuò)誤；另一方面，重復(fù)設(shè)站次數(shù)的增加，也意味著觀測(cè)期數(shù)的增加。不過，需要注意的是，當(dāng)同一臺(tái)接收機(jī)在同一測(cè)站上連續(xù)進(jìn)行多個(gè)時(shí)段的觀測(cè)時(shí)，各個(gè)時(shí)段間必須重新安置儀器，以更好地消除各種人為操作誤差和錯(cuò)誤。

3）在布網(wǎng)時(shí)要使網(wǎng)中所有異步環(huán)的邊數(shù)不大于6條，在布設(shè)GPS網(wǎng)時(shí)，檢查GPS觀測(cè)值（基線向量）質(zhì)量的最佳方法是異步環(huán)閉合差，而隨著組成異步環(huán)的基線向量數(shù)的增加，其檢驗(yàn)質(zhì)量的能力將逐漸下降。

4）為保證GPS網(wǎng)中各相鄰點(diǎn)具有較高的相對(duì)精度，對(duì)網(wǎng)中距離較近的點(diǎn)要進(jìn)行同步觀測(cè)，以獲得它們間的直接觀測(cè)基線。

5）采用分區(qū)平差及統(tǒng)一平差對(duì)于大型GPS網(wǎng)從質(zhì)量、投資、進(jìn)度方面為較為優(yōu)化的方案。

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