GPS精密單點定位在電力工程測量中的應用

楊永平

(云南省電力設計院，昆明市，650051)

0 引言

眾所周知，全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)具有可全天候作業(yè)、測量精度高、觀測時間短、測站間無需通視、儀器操作方便等特點，已被廣泛應用于水利、交通、電力、海航、物探等多個領域，可滿足不同精度要求的用戶。傳統(tǒng)的GPS單點定位法具有作業(yè)靈活、方便、快捷的優(yōu)點，但由于只利用測碼偽距觀測值及由廣播星歷所提供的衛(wèi)星軌道參數(shù)和衛(wèi)星鐘差改正進行定位［1］，其定位精度只能達到10多m(P碼單點定位精度約為3m)［2］，故只能應用于一般的導航定位、資源調查和勘測等低精度領域，而無法滿足高精度作業(yè)要求。為了進一步提高定位精度，GPS實時動態(tài)差分(real time kinematic，RTK)定位技術便應運而生，使定位精度達到了cm級。然而由于差分技術是通過空間相關性將部分參數(shù)或誤差通過站間和星間求差來消除的，必須在已知站上進行同步觀測，并且作業(yè)距離最大不超過15 km［3］，嚴重影響了作業(yè)效率。因此，如何將傳統(tǒng)GPS單點定位的靈活性與差分GPS技術的高精度定位有機結合起來成為人們研究的熱點。于是近年出現(xiàn)了GPS精密單點定位技術，實現(xiàn)了僅用1臺GPS接收機進行單點定位就能達到差分技術相似精度的要求。本文論述GPS精密單點定位技術在電力工程測量中的具體應用，為電力工程的現(xiàn)代化建設提供有力保障。

1 精密單點定位原理

利用國際GNSS服務組織(international GNSS service，IGS)提供的或計算的GPS衛(wèi)星精密星歷和精密鐘差，用戶利用單臺GPS雙頻雙碼接收機的觀測數(shù)據(jù)，在數(shù)千km2乃至全球范圍內的任意位置實現(xiàn)實時的或事后的高精度定位，這一定位方法稱為精密單點定位。這一概念最初是由美國噴氣推進實驗室(jet propulsion laboratory，JPL)的 Zumbeger等人提出并在他們開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件GIPSY上予以實現(xiàn)。在GPS定位中，主要誤差來源于軌道誤差、衛(wèi)星鐘差和電離層延時等。采用雙頻接收機，可利用LC相位組合，消除電離層延時的影響，定位誤差只有軌道誤差和衛(wèi)星鐘差2類。再通過IGS提供的精密星歷和衛(wèi)星鐘差，利用觀測得到的相位值精確計算出接收機位置和對流層延時等信息［4］。

在GPS相對定位中，特別是在基線比較短的情況下，差分組合觀測值可以消除大多數(shù)共同誤差。而在精密單點定位中，必須顧及所有誤差來源，如固體潮影響、海潮影響、天線相位中心改正、相對論改正、彎曲改正等都需用精確數(shù)學模型加以改正，從而獲得精確的接收機位置。精密單點定位要達到cm級定位精度需有以下2個前提:(1)衛(wèi)星軌道精度需達到cm級水平;(2)衛(wèi)星鐘差改正精度需達到亞ns量級。目前IGS提供的后處理精密星歷精度已達到2～5 cm，精密衛(wèi)星鐘差精度已達到0.1～0.2 ns，從而保證精密單點解算可以獲得cm級定位精度。

2 精密單點定位與其他定位方式比較

為了更深入地了解GPS精密單點定位技術，現(xiàn)將精密單點定位與其他定位方式(包括傳統(tǒng)單點定位和相對定位)作一詳細比較，見表1。

3 精密單點定位精度

3.1 數(shù)據(jù)觀測

為了驗證GPS精密單點定位的可靠性，現(xiàn)用云南省測繪局獲取的云南某地5個GPS C級/水準點，同時用標準北京54和西安80雙套坐標，點號分別為M028、M040、M041、M045、M058，采用 Trimble R8 GNSS雙頻接收機進行觀測，每點觀測1個時段，時段長度選取 6 h［5］。

3.2 數(shù)據(jù)處理

目前，國際上高精度單點定位軟件主要有美國JPL的GIPSY軟件、瑞士伯爾尼大學的BERNESE軟件、德國地學研究中心的EPOS軟件［6］。國內經過數(shù)年對精密單點定位理論與方法的深入研究，武漢大學張小紅博士成功研發(fā)了高精度精密單點定位數(shù)據(jù)處理軟件Trip。采用Trip 1.1軟件對5個GPS C級/水準點的靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)進行處理，主要處理步驟如下:

表1 精密單點定位與其他定位方式比較Tab.1 Comparison between precise point positioning and other positioning methods

(1)數(shù)據(jù)預處理。根據(jù)觀測點位置收集連續(xù)運行站數(shù)據(jù)，將觀測點數(shù)據(jù)和連續(xù)運行站數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)標準化，計算天線相位中心等。

(2)基線解算。由連續(xù)運行基準站求得待定點的先驗坐標，通過氣象模型進行標準氣象改正，解算基線得到滿足坐標約束條件的結果。

(3)GPS網平差。對全部基線進行統(tǒng)計檢驗，將連續(xù)運行基準站當作已知點進行三維約束平差，分析平差結果。

由精密單點定位直接獲得的是ITRF 2000框架下的坐標，而一般工程要求的卻是北京54或西安80坐標，因此需要進行坐標轉換。由于ITRF 2000坐標與WGS－84坐標差異不大，對大多數(shù)用戶而言，當前的WGS－84和ITRF 2000是基本相同的［7］。因此可利用WGS－84坐標與北京54或西安80坐標的轉換關系(7參數(shù)轉換)將精密單點定位軟件解算的結果轉換為所需坐標成果。

3.3 精度分析

為了研究GPS精密單點定位所能達到的精度，將計算結果與GPS C級/水準點進行比較，結果如表2所示，△X、△Y、△H分別為同一點位由精密單點定位和GPS C級/水準點三維坐標(X、Y、H)求差取絕對值而得，平面誤差

由表2可知，精密單點定位結果與GPS C級/水準點比較平面誤差約小于5 cm;高程誤差約小于20 cm。雖然眾多研究表明，精密單點定位可以達到cm級精度，但這些研究大都處于理想情況［8］?？紤]到2種坐標結果由不同GPS網得到、野外實際觀測條件受限以及坐標轉換誤差的存在，表2比較結果認為是符合事實的，可以將精密單點定位結果作為電力工程首級控制起算數(shù)據(jù)使用［9］。

表2 精密單點定位結果與GPS C級/水準點比較Tab.2 Comparison between precise point positioning and C level/bench mark of GPS

需要說明的是，應用精密單點定位獲得的高程是橢球形高，而不是實際工作中使用的正常高?？梢酝ㄟ^以下3種方法獲取高程:(1)常規(guī)水準方法;(2)根據(jù)多個平高控制點擬合測區(qū)水準面進行內插獲得;(3)如果測區(qū)有精密大地水準面模型，可通過精密單點定位獲得的平面坐標內插模型方便獲取測點高程。

4 工程應用

4.1 電力工程測量特點

電力工程包括發(fā)電廠、變電站(開關站、換流站)以及輸電線路工程等，電力工程測量作為工程設計和建設的基礎與電力工程可研、初設和施工階段始終相隨。隨著現(xiàn)代化建設進程的加快，全國范圍建設項目頗多，彼此之間存在相互交叉和聯(lián)系，如何有效處理電力工程和其他工程的矛盾，是測量工作必須解決的問題。因此，在電力工程建設初期，快速、準確建立與國家坐標系統(tǒng)相一致的測區(qū)控制系統(tǒng)，是電力工程測量的首要工作。

4.2 在輸電線路航外中的應用

在超高壓(或特高壓)輸電線路進入施工階段前，要完成輸電線路的航外工作。本階段的主要測量任務是依據(jù)輸電線路初設路徑，對航測成果進行GPS外控(包括布設GPS靜態(tài)控制網)和調繪工作。當然，尋找國家等級控制點成為必不可少的工作。由于歷史原因，早期建立的國家等級控制點精度不高，而且由于時間久遠目前大部分都已遭到破壞，現(xiàn)存部分控制點大都位于高山上，難以到達。在云南這樣的高山省份進行輸電線路航外工作，如仍按以往去尋找國家等級控制點進行聯(lián)測，將是一項非常辛苦的工作，測量工作人員勞動強度相當大。因此，采用GPS精密單點定位技術來解算測區(qū)首級控制點作為控制網起算坐標。

一般可采取如下方案:(1)首級控制點(不少于3個)均勻分布于整個工作區(qū)域，由輸電線路總長度和首級控制點個數(shù)可確定首級控制點間距。(2)首級控制點與像控點同時進行GPS靜態(tài)觀測，保證首級控制點不少于6 h的觀測時間。(3)首級控制點布置在交通便利并且外界觀測條件良好的地方，點位采用埋石或刻石制作固定標志，保證后期施工圖階段可作基準站定位使用。(4)嚴格執(zhí)行GPS靜態(tài)觀測操作流程，保證原始觀測數(shù)據(jù)的有效性和可靠性。

采用美國天寶公司研發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件TGO解算輸電線路所有觀測點(包括主控點、像控點、聯(lián)系點)構成的GPS控制網［10］。首先解算GPS控制網的全部基線，合格后在WGS－84系統(tǒng)下完成無約束平差。然后，建立和選取輸電線路工程所要求采用的國家坐標系統(tǒng)，可由精密單點定位解算的首級控制點作為控制網起算數(shù)據(jù)進行約束平差。當然在約束平差前，要對已知首級控制點的可靠性進行檢查，只有確保其可靠性方可作為起算數(shù)據(jù)進行GPS控制網約束平差。

4.3 在變電站、電廠等控制測量中的應用

近年來我國大力興建電力工程，特別是風能、太陽能等環(huán)保型可再生能源的發(fā)電工程。一般，在可研階段要求測量人員測設所需比例尺地形圖，并建立與國家坐標系相一致的測區(qū)控制網?，F(xiàn)在電力工程一般都工期緊、難度大，特別是云南山區(qū)的風電場測量，測區(qū)處于高海拔、無人煙地區(qū)，條件相當艱苦。為降低測量人員勞動強度，可在建立測區(qū)GPS控制網時免去尋找國家控制點，而采用精密單點定位技術為測區(qū)控制網提供起算坐標。

為不影響工程進度，可不按常規(guī)數(shù)字化測圖流程:“先控制(包括聯(lián)測國家坐標系)后碎部［11］”，而是先按假設坐標系布設測區(qū)控制網和數(shù)字化測圖，同時進行控制網起算點的GPS精密單點定位解算。待獲知控制網起算坐標后，經檢驗合格重新平差測區(qū)控制網，然后根據(jù)控制網現(xiàn)有控制點對假設坐標系下的地形圖進行旋轉、平移和縮放，即可獲得與國家坐標系相吻合的數(shù)字化地形圖。如此作業(yè)流程采用精密單點定位技術，既可一定程度減輕測量人員勞動強度，還有利于促進工期。

另外，當進行地震等災后重建時，電力測量難點不僅是尋找國家控制點，更重要的是即使找到其點位精度也難以保證。在這種情況下，采用GPS精密單點定位技術進行解算起始控制點可有力保證電力工程測量的順利進行。

5 結語

精密單點定位作為一種全新的定位方式，不僅具有較高的定位精度，而且不需采用多臺GPS接收機進行同步觀測和聯(lián)測已知國家控制點來進行控制測量工作，即精密單點定位能夠快速解決測量起算控制點難以尋找的問題，尤其在災后重建等特殊情況下，更是節(jié)約了大量時間，大大減輕了測量人員勞動強度，提高了工作效率。精密單點定位在電力工程測量等領域具有廣闊的應用前景。其不足之處是在數(shù)據(jù)解算時要從IGS數(shù)據(jù)分析中心免費下載衛(wèi)星精密軌道、精密鐘差等數(shù)據(jù)產品，而這些產品在時間上一般有幾天的延遲，但如能合理安排作業(yè)流程，不會影響工程整體進度。

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