GPS技術(shù)在水利水電工程測繪中的應(yīng)用

帕爾哈提·艾則孜

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 GPS技術(shù)的內(nèi)涵

GPS技術(shù)由多個(gè)衛(wèi)星協(xié)同作業(yè)實(shí)現(xiàn)，目前GPS技術(shù)中應(yīng)用的衛(wèi)星有24顆，這些衛(wèi)星平均分布在各個(gè)太空運(yùn)行軌道上，形成了一張完整的監(jiān)控與探測網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)o數(shù)個(gè)終端提供數(shù)據(jù)與定位服務(wù)，最直觀應(yīng)用就是日常生活中常使用的汽車導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS技術(shù)通過反饋的載波進(jìn)行比對分析，實(shí)現(xiàn)最終定位。GPS定位結(jié)果并不是輕易得到的，多個(gè)衛(wèi)星所采集的定位數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)搅鲃诱?，流動站再根?jù)基準(zhǔn)站所提供的坐標(biāo)信息，進(jìn)行相位差比較，而后確定準(zhǔn)確定位坐標(biāo)。GPS技術(shù)包含的內(nèi)容十分廣泛，可分為修改矯正法與相位差分法兩大類進(jìn)行分析，修改矯正法具有一定的實(shí)時(shí)性，修正值會隨著具體情況的改變而發(fā)生變化[1]?；鶞?zhǔn)站將實(shí)時(shí)修正值傳送給流動站，在這一基礎(chǔ)上進(jìn)行坐標(biāo)確定更加準(zhǔn)確，定位效率也能夠有所提高。相位差分法是GPS技術(shù)中較為主要的一部分，通過衛(wèi)星接收的載波來確定相位差。GPS系統(tǒng)除衛(wèi)星、流動站、基準(zhǔn)站外，還包括配套地面信息接收與監(jiān)控系統(tǒng)，即控制站與監(jiān)測站。我國GPS技術(shù)相對于許多發(fā)達(dá)國家，在應(yīng)用程度上還存在一些差異。美國以其先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)在GPS的應(yīng)用過程中，在原有定位基礎(chǔ)上進(jìn)一步延伸，實(shí)現(xiàn)了精密度更高的定位服務(wù)：普通定位與高端定位。針對不同的用戶，普通定位通常采用粗測碼面向普通用戶，而高端定位測距碼更加精確，面向美國軍方以及特殊作業(yè)部門。早在21世紀(jì)初期，美國政府就已經(jīng)將GPS技術(shù)中的可用性政策廢除，加強(qiáng)GPS用戶體驗(yàn)。對從衛(wèi)星到流動站再到GPS用戶數(shù)據(jù)傳遞的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算測量，從而得到估算定位坐標(biāo)，時(shí)間估算法是一種較為精確的預(yù)測方法。GPS技術(shù)中需要通過載波來進(jìn)行信息傳遞，目前常用載波可分為兩種，即L1與L2，兩者不同之處在于L1載波中附加了偽隨機(jī)碼與精密碼，而L2載波只附加了偽隨機(jī)碼。在實(shí)際應(yīng)用過程中，這兩種載波均可進(jìn)行定位工作，在水利水電工程的測繪工作中都起到一定作用。

2 探究 GPS技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用方法及精度

2.1 水利工程測量流程

GPS技術(shù)在水利水電工程中起到至關(guān)重要的作用，使測繪工作更加具體精確[2]。GPS技術(shù)在測繪工作中的應(yīng)用有明確規(guī)范，該規(guī)章制度通過多年修改與完善于2013年正式實(shí)施。規(guī)范中根據(jù)水利水電工程GPS技術(shù)測繪的精確度進(jìn)行分級，大致可分為五個(gè)等級。不同規(guī)模的水利水電工程所選用的GPS測繪等級也存在一些差異。對于中小型水利水電工程，第四等級或第四等級以下均可使用。測繪工作中GPS定位點(diǎn)分布需注意距離適中，不可小于平均間距的三分之一，不可大于平均間距的三倍。水利水電工程中應(yīng)用到的GPS技術(shù)具體指標(biāo)如表1所示。

表1 應(yīng)用于水利水電工程測繪中的GPS技術(shù)指標(biāo)

2.2 水利工程的平面控制與質(zhì)量檢查

GPS技術(shù)在靜止環(huán)境下仍能進(jìn)行測繪，從而實(shí)現(xiàn)對水利水電工程的平面控制，在具體測繪工作中，以施工區(qū)域大地作為坐標(biāo)，并對坐標(biāo)中的向量進(jìn)行測繪。根據(jù)基準(zhǔn)向量與測繪向量的對比值來確定具體坐標(biāo)方位，從而實(shí)現(xiàn)對水利水電工程的平面控制。GPS技術(shù)在平面控制與質(zhì)量檢查中需要用到數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，這一系統(tǒng)可分為以下幾個(gè)步驟[3]。首先，要確立水利水電工程的測繪目標(biāo)，其次，將測繪數(shù)據(jù)輸入分析處理系統(tǒng)，最后，根據(jù)基準(zhǔn)向量對測繪數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查與評定。測繪工作中存在一定誤差，基準(zhǔn)向量是檢測誤差的重要方式，可以用下列公式表示。

(1)

式中：β為基準(zhǔn)向量中長度誤差；a為原有的存在誤差；h為相對誤差系數(shù)；R為基準(zhǔn)長度的平均邊長，m。

GPS技術(shù)中存在許多規(guī)范，使固定誤差與相對誤差出現(xiàn)較大差異。在實(shí)際應(yīng)用過程中，兩種誤差值通常選取與基準(zhǔn)向量相近的數(shù)值。

2.3 擬合精度并多次檢驗(yàn)

從水利水電工程的平面定位分布情況既可確定精確度，利用規(guī)定區(qū)域內(nèi)的幾何相關(guān)性對精度進(jìn)行初步測繪。選取平面中規(guī)定區(qū)域內(nèi)的E001、E002、E021、E022四個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行擬合精度檢驗(yàn)，找出擬合高程與檢驗(yàn)高程所存在的差距，由于點(diǎn)位不同，差值也出現(xiàn)微小差異，但差值仍在0.02～0.06之間。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

GPS技術(shù)在水利水電工程測繪中的應(yīng)用對精度要求較高，影響測繪精度的因素很多，例如地表高度與海拔高度[4]。通常GPS技術(shù)對于地表高度擁有較強(qiáng)的測繪能力，誤差率最低值在3%左右，因此對測繪工作造成影響的更多是海拔高度測繪中存在的異常。實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的誤差多為基準(zhǔn)誤差與擬合誤差兩種?；鶞?zhǔn)誤差在測繪過程中易發(fā)現(xiàn)，能夠避免。而導(dǎo)致擬合誤差因素較多，需要重點(diǎn)進(jìn)行研究與分析[5]。將GPS技術(shù)與傳統(tǒng)測繪技術(shù)進(jìn)行誤差比較，實(shí)驗(yàn)中大約觀測690個(gè)歷元。采用GPS定位坐標(biāo)，模擬水利水電工程的信號接收系統(tǒng)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，其中GPS衛(wèi)星與流動站均通過擬合精度確定，實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)分布如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)坐標(biāo)建立

實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)方向分為東、北、上，定位誤差如圖2所示。

將縱向方向與橫向方向檢測到的測繪數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具體參數(shù)如表2所示。

表2 測繪數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖2 傳統(tǒng)測繪法與GPS測繪誤差結(jié)果圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，在擬合誤差方面，GPS技術(shù)下的水利水電工程測繪工作能夠達(dá)到較高的精確度，在東、北兩個(gè)方向上GPS技術(shù)優(yōu)勢沒有充分凸顯出來，但在橫向與縱向坐標(biāo)的確定方面，GPS技術(shù)相對傳統(tǒng)測繪技術(shù)有著絕對優(yōu)勢，使水利水電工程測繪工作發(fā)生實(shí)質(zhì)性改變[6]。GPS技術(shù)在水利水電工程測繪中的應(yīng)用還存在精度不高的問題，在實(shí)驗(yàn)中將偽衛(wèi)星相位差分進(jìn)行完善，能夠有效提高東、北兩個(gè)坐標(biāo)方向的測繪精度，減少誤差，使GPS技術(shù)應(yīng)用更加完善[7]。GPS技術(shù)在水利水電工程測繪中的應(yīng)用與傳統(tǒng)測繪方式相比，操作更加簡單便捷，最大程度上減少了人工作業(yè)出現(xiàn)的誤差，使測繪效率與準(zhǔn)確度得到一定提高。我國目前應(yīng)用的GPS技術(shù)多為平面控制系統(tǒng)，相關(guān)技術(shù)人員需要不斷研發(fā)與創(chuàng)新，向三維GPS技術(shù)方向發(fā)展。工程需為GPS技術(shù)的使用提供更加有利的條件，測繪數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄，進(jìn)行驗(yàn)證后方可投入工程中使用，盡量避免測繪工作中存在的誤差[8]。

4 結(jié) 語

近年來，我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅猛，與發(fā)達(dá)國家的差距逐漸縮小，同時(shí)GPS技術(shù)得到更加廣泛的應(yīng)用，尤其是在水利水電工程測繪工作中，取代了傳統(tǒng)作業(yè)方式，使測繪準(zhǔn)確度得到提高的同時(shí)，保證工程安全順利實(shí)施。然而GPS技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中也暴露出很多弊端，應(yīng)在實(shí)踐過程中不斷完善，為水利水電工程施工提供更高保障。