海上風(fēng)電工程GNSS控制網(wǎng)建立方法研究

張 靖

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

中國(guó)海上風(fēng)能資源豐富，具備大規(guī)模發(fā)展海上風(fēng)電的資源條件。海上風(fēng)電場(chǎng)因具有不占用土地資源、基本不受地形地貌影響、海上風(fēng)速高、風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量大、年利用小時(shí)數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為我國(guó)風(fēng)電開發(fā)的重要方向[1-2]。海上風(fēng)電項(xiàng)目的順利實(shí)施，離不開基礎(chǔ)的測(cè)量工作，當(dāng)前海上風(fēng)電測(cè)量主要采用全球衛(wèi)星定位(GNSS)技術(shù)。

GNSS技術(shù)具有全天候、精度高、高時(shí)間分辨率、作業(yè)方便等特點(diǎn)，在陸地項(xiàng)目控制網(wǎng)建立及測(cè)量中具有廣泛應(yīng)用。張勤等利用GNSS技術(shù)對(duì)西安市地面沉降與地裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為了研究監(jiān)測(cè)西安地區(qū)地面沉降與地裂縫災(zāi)害的變化情況，建立了該地區(qū)高精度GNSS監(jiān)測(cè)網(wǎng)，通過監(jiān)測(cè)獲取了西安地面沉降和地裂縫近期活動(dòng)的有關(guān)數(shù)據(jù)信息，獲得了與精密水準(zhǔn)結(jié)果和地質(zhì)資料具有較好一致性結(jié)果[3]；張國(guó)強(qiáng)研究了GNSS定位技術(shù)在精密工程測(cè)量中的應(yīng)用，研究表明其精度可滿足絕大多數(shù)精密工程測(cè)量的要求，且具有低成本、高效率、自動(dòng)化程度高的多方面優(yōu)勢(shì)[4]；吳迪軍等利用GNSS技術(shù)對(duì)港珠澳大橋首級(jí)控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測(cè)研究[5]；邱國(guó)輝等在引江濟(jì)漢工程中采用了GNSS施工控制網(wǎng)，研究表明引江濟(jì)漢工程施工控制網(wǎng)提供了可靠的測(cè)繪基準(zhǔn)[6]；宋麗琴在江津圩河道工程中，布置了四等GNSS平面控制網(wǎng)[7]。

海上風(fēng)電項(xiàng)目施工區(qū)域多數(shù)情況下遠(yuǎn)離海岸線，測(cè)量的難點(diǎn)在于如何準(zhǔn)確測(cè)量待測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程，確保其精度滿足項(xiàng)目建設(shè)及施工需要。為了準(zhǔn)確測(cè)量待測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)及高程，需要在風(fēng)電場(chǎng)范圍內(nèi)建立GNSS控制網(wǎng)。海上風(fēng)電GNSS控制網(wǎng)較傳統(tǒng)陸地GNSS控制網(wǎng)建立有其特殊性，傳統(tǒng)陸地GNSS控制網(wǎng)中控制點(diǎn)是均勻分布在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)，而海上風(fēng)電項(xiàng)目的測(cè)區(qū)都在海上，因此無(wú)法在海上布設(shè)控制點(diǎn)，只能在陸地上布設(shè)控制點(diǎn)，造成海上風(fēng)電GNSS控制網(wǎng)不能將測(cè)區(qū)全面覆蓋，使得利用GNSS-RTK技術(shù)測(cè)量測(cè)區(qū)待測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)及高程的可靠性無(wú)法得到保障。

江蘇響水海上風(fēng)電項(xiàng)目位于陸地外側(cè)海域，風(fēng)電場(chǎng)中心與岸線最近點(diǎn)的直線距離約10 km，沿海岸線方向長(zhǎng)約13.4 km，垂直于海岸線方向?qū)捈s2.6 km，風(fēng)電場(chǎng)涉海面積34.7 km2，場(chǎng)區(qū)水深8～12 m(平均海平面起算)。本文以該海上風(fēng)電項(xiàng)目為例，研究了海上風(fēng)電GNSS控制網(wǎng)建立方法。首先介紹了海上風(fēng)電GNSS控制網(wǎng)建立的總體技術(shù)思路，然后介紹了海上風(fēng)電GNSS控制網(wǎng)網(wǎng)型設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、測(cè)區(qū)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、待測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)及高程測(cè)量等相關(guān)問題，探討了網(wǎng)型設(shè)計(jì)中關(guān)鍵問題，通過實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證了待測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)及高程精度問題。

1 總體技術(shù)思路

建立海上風(fēng)電GNSS控制網(wǎng)的技術(shù)思路如圖1所示，主要包括選點(diǎn)及網(wǎng)型設(shè)計(jì)、外業(yè)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算測(cè)區(qū)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)、利用GNSS-RTK技術(shù)測(cè)量待測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)及高程。

圖1 建立海上風(fēng)電GNSS控制網(wǎng)的技術(shù)流程Fig.1 Technique flow of GNSS control network establishment for offshore wind power

2 控制網(wǎng)布網(wǎng)方案與施測(cè)

2.1 GNSS控制網(wǎng)網(wǎng)型設(shè)計(jì)

GNSS控制網(wǎng)網(wǎng)型設(shè)計(jì)[8-10]，首先考慮起算點(diǎn)的位置和圖形強(qiáng)度，遵循從整體到局部、分級(jí)布網(wǎng)的原則進(jìn)行布設(shè)。網(wǎng)型設(shè)計(jì)前，在當(dāng)?shù)販y(cè)繪主管部門收集了解項(xiàng)目所在區(qū)域已有的高等級(jí)控制點(diǎn)，將其展點(diǎn)到奧維地圖軟件上，在地圖上進(jìn)行點(diǎn)位選擇及網(wǎng)型設(shè)計(jì)。

網(wǎng)型設(shè)計(jì)好后，進(jìn)行測(cè)點(diǎn)實(shí)地踏勘，控制點(diǎn)的實(shí)際位置選擇需要避開不利的環(huán)境因素，以降低環(huán)境因素對(duì)測(cè)量造成的誤差，同時(shí)控制點(diǎn)要選在交通方便的地方，便于控制點(diǎn)水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)。

理論上，海上風(fēng)電GNSS控制網(wǎng)控制點(diǎn)應(yīng)均勻分布在風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目測(cè)區(qū)，然而考慮到海上風(fēng)電項(xiàng)目的特殊性，不可能在海上布設(shè)控制點(diǎn)，只能在陸地上布設(shè)控制點(diǎn)。本文所建立的控制網(wǎng)網(wǎng)型如圖2所示，按照D級(jí)網(wǎng)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，G2、G3、G7為國(guó)家B級(jí)控制點(diǎn)，P1～P7為項(xiàng)目布置控制點(diǎn)，控制網(wǎng)沿海岸線方向長(zhǎng)約30.0 km，垂直于海岸線方向?qū)捈s27.0 km，其中控制網(wǎng)沿著邊緣(P1-P2-P3)對(duì)稱鏡像可以將風(fēng)電場(chǎng)測(cè)區(qū)覆蓋。

圖2 海上風(fēng)電項(xiàng)目控制網(wǎng)布置Fig.2 The layout of GNSS control network for offshore wind power

2.2 外業(yè)測(cè)量

GNSS控制測(cè)量采用6臺(tái)Leica GNSS雙頻接收機(jī)，其靜態(tài)平面精度是3 mm±0.5×10-6km，高程精度是6 mm±0.5×10-6km，每個(gè)觀測(cè)時(shí)段為4 h；同時(shí)對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，采用徠卡DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀，按照三等水準(zhǔn)測(cè)量要求進(jìn)行。

3 數(shù)據(jù)處理

GNSS數(shù)據(jù)處理主要包括：外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核、基線解算及質(zhì)量檢核、基線向量無(wú)約束平差和約束平差等。

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核

評(píng)價(jià)外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的精度指標(biāo)主要有：獨(dú)立閉合環(huán)或附合路線坐標(biāo)閉合差及坐標(biāo)分量閉合差；同步閉合環(huán)閉合差；復(fù)測(cè)基線長(zhǎng)度較差。

(1) 獨(dú)立閉合環(huán)或附合路線坐標(biāo)閉合差Ws和各坐標(biāo)分量閉合差(Wx，Wy，Wz)需要滿足公式(1)：

(1)

(2) 同步閉合環(huán)閉合差需要滿足公式(2)：

(2)

(3) 復(fù)測(cè)基線長(zhǎng)度較差ds需要滿足公式(3)：

(3)

(4) 基線測(cè)量中誤差σ(mm)計(jì)算如公式(4)：

(4)

式中：a為固定誤差，b為比例誤差系數(shù)，采用外業(yè)測(cè)量時(shí)使用的GNSS接收機(jī)的標(biāo)稱精度；d為實(shí)際平均邊長(zhǎng)，km。

3.2 GNSS網(wǎng)平差

GNSS網(wǎng)平差主要包括三維無(wú)約束平差和約束平差。

GNSS網(wǎng)的三維無(wú)約束平差是指在WGS84空間直角坐標(biāo)系下，以某一點(diǎn)的單點(diǎn)定位坐標(biāo)(X0，Y0，Z0)為起算依據(jù)進(jìn)行的無(wú)約束平差。三維無(wú)約束平差是利用基線解算所得到的三維靜態(tài)基線向量(ΔXij，ΔYij，ΔZij)及協(xié)方差陣D構(gòu)成平差的隨機(jī)模型，求解GNSS網(wǎng)中待定點(diǎn)的三維坐標(biāo)并評(píng)定GNSS網(wǎng)的內(nèi)符合精度，同時(shí)改善GNSS網(wǎng)的質(zhì)量[11-12]。

GNSS網(wǎng)的約束平差是指利用無(wú)約束平差后的觀測(cè)量，在國(guó)家大地坐標(biāo)系或地方獨(dú)立坐標(biāo)系中進(jìn)行的三維約束平差或二維約束平差。平差中，約束條件有：已知點(diǎn)的坐標(biāo)、已知距離和已知方位角。約束平差后獲得測(cè)量點(diǎn)在相應(yīng)坐標(biāo)系中的三維或二維坐標(biāo)[13]。

3.3 項(xiàng)目數(shù)據(jù)處理

利用LEICA Geo Office軟件對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先進(jìn)行基線解算，基線解算采用“手工”處理模式，按照設(shè)計(jì)的網(wǎng)型選擇需要解算的基線，基線向量精度檢驗(yàn)符合要求后，將基線解算結(jié)果輸出成ASCII文件，利用同濟(jì)大學(xué)TGPPS平差軟件對(duì)閉合環(huán)進(jìn)行檢驗(yàn)和處理，環(huán)閉合差檢驗(yàn)合格后，在WGS84坐標(biāo)系下進(jìn)行無(wú)約束平差。無(wú)約束平差結(jié)果符合要求后，在北京54坐標(biāo)系下進(jìn)行約束平差。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，獲得控制點(diǎn)在WGS84坐標(biāo)系下的大地坐標(biāo)(B，L，H)和在北京54坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)(X，Y)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本控制網(wǎng)中閉合環(huán)共9個(gè)，閉合環(huán)閉合差滿足限差要求；無(wú)約束平差中，最弱邊為P4-P1，邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1/2 200 057，滿足限差要求；約束平差中，最弱點(diǎn)為P3，縱軸誤差為5.8 mm，橫軸誤差為5.5 mm，點(diǎn)位中誤差為8.0 mm。P1～P7控制點(diǎn)坐標(biāo)見表1。

表1 控制點(diǎn)坐標(biāo)Tab.1 Coordinates of control point

3.4 測(cè)區(qū)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

利用GNSS-RTK技術(shù)測(cè)量待測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)及高程時(shí)，實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)為待測(cè)點(diǎn)在WGS84坐標(biāo)下的大地坐標(biāo)(B，L，H)。通常情況下，需要的是待測(cè)點(diǎn)在特定坐標(biāo)系(北京54、西安80，國(guó)家2000)下的坐標(biāo)。因此在實(shí)際工作中，需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，不同空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模型主要有布爾莎模型、莫洛金斯基模型和武測(cè)模型等[14]。本文利用布爾莎模型計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

布爾莎模型也叫布爾莎七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，模型中含有7個(gè)參數(shù)，即3個(gè)平移量、3個(gè)旋轉(zhuǎn)角和1個(gè)尺度比[15]。布爾莎模型轉(zhuǎn)換公式如下：

(5)

式中：[X1，Y1，Z1]T為O1-X1Y1Z1下的坐標(biāo)；[X2，Y2，Z2]T為O2-X2Y2Z2下的坐標(biāo)；Δx，Δy，Δz為平移參數(shù)；εX，εY，εZ為旋轉(zhuǎn)參數(shù)；k為尺度參數(shù)。

使用表1數(shù)據(jù)，利用公式(5) 求得坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)如表2所列。

表2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)Tab.2 Coordinate transformation parameters

4 風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域測(cè)量及精度分析

4.1 風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域待測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)及高程測(cè)量

測(cè)量采用GNSS-RTK技術(shù)。該項(xiàng)目測(cè)量方法為：在基準(zhǔn)點(diǎn)P2上架設(shè)GNSS接收機(jī)及電臺(tái)組成基準(zhǔn)站，同時(shí)在基準(zhǔn)站中設(shè)置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)；在風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域使用GNSS接收機(jī)組成流動(dòng)站，流動(dòng)站采集衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，實(shí)時(shí)獲得待測(cè)點(diǎn)北京54平面坐標(biāo)和85高程值。為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，流動(dòng)站觀測(cè)時(shí)，每次觀測(cè)歷元數(shù)大于20個(gè)，觀測(cè)次數(shù)為4次，取平均值。

4.2 測(cè)量精度分析

由表1可知：該項(xiàng)目中利用P1～P7共7個(gè)公共點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算求得坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)，可認(rèn)為P1～P7的7個(gè)點(diǎn)所在范圍組成了控制網(wǎng)區(qū)域。由圖1可知：風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域到控制網(wǎng)邊緣(P1-P2-P3)距離為10.0 km，控制點(diǎn)G2、G3到控制網(wǎng)邊緣(P7-G7-P6)距離分別為13.0 km和30.0 km，風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域和控制點(diǎn)G2、G3都不在控制網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)，分別位于控制網(wǎng)區(qū)域兩邊，可以通過分析G2、G3的點(diǎn)位精度，間接獲得海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域的待測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位精度。

分析方法如下：實(shí)驗(yàn)組(G2、G3)、對(duì)照組(P5)3個(gè)點(diǎn)的大地坐標(biāo)(B，L，H)及平面坐標(biāo)與高程(X，Y，h)為已知值，將其平面坐標(biāo)與高程值記作(X真，Y真，h真)；同時(shí)利用G2、G3、P5 3個(gè)點(diǎn)的大地坐標(biāo)(B，L，H)與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)，計(jì)算得到其平面坐標(biāo)與高程值，記為(X計(jì)，Y計(jì)，h計(jì))，將真實(shí)值與計(jì)算值相比較，分析待測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位精度，分析結(jié)果如表3所列。

表3 精度分析結(jié)果Tab.3 The results of precision analysis

由圖1可知：測(cè)點(diǎn)P5本身處于控制網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)，坐標(biāo)計(jì)算值與真實(shí)值差值在mm內(nèi)，測(cè)點(diǎn)G2距離控制網(wǎng)邊緣13.0 km，平面坐標(biāo)精度可達(dá)3 cm，高程精度可達(dá)12 cm，間接說明該項(xiàng)目中風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域待測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)及高程精度亦可達(dá)到與測(cè)點(diǎn)G2相當(dāng)精度，能夠滿足海上風(fēng)電測(cè)量精度要求。

5 結(jié) 論

GNSS具有很高的相對(duì)定位精度，具有工作效率高、外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度小、施測(cè)成本低且可以全天候?qū)崟r(shí)連續(xù)觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，故在海上風(fēng)電項(xiàng)目控制網(wǎng)建立中具有很強(qiáng)的實(shí)用性。本文研究了海上風(fēng)電GNSS測(cè)量網(wǎng)型設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、測(cè)區(qū)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、待測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)及高程測(cè)量、精度分析等相關(guān)問題，得出以下結(jié)論：

(1) 該項(xiàng)目建立的海上風(fēng)電GNSS控制網(wǎng)精度滿足工程建設(shè)要求，在海上風(fēng)電測(cè)量中具有較強(qiáng)的實(shí)用性；

(2) GNSS控制網(wǎng)選點(diǎn)時(shí)，可充分利用奧維地圖等地圖軟件，可以實(shí)現(xiàn)選點(diǎn)的可視化，提高工作效率；

(3) 海上風(fēng)電GNSS控制網(wǎng)網(wǎng)型布設(shè)原則為沿著控制網(wǎng)邊緣對(duì)稱鏡像時(shí)需要將風(fēng)電場(chǎng)測(cè)區(qū)覆蓋；

(4) 該項(xiàng)目中待測(cè)點(diǎn)距離控制網(wǎng)邊緣13.0 km，其平面坐標(biāo)精度可達(dá)3 cm，高程精度可達(dá)12 cm。