GPS技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電場控制測量中的應(yīng)用

毛 克，劉江龍，劉永強(qiáng)，趙玉明

(內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

隨著全球傳統(tǒng)化石能源的日漸短缺，風(fēng)力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，我國也大力提倡發(fā)展風(fēng)電以滿足迫切的能源需求。風(fēng)力發(fā)電場往往占地面積較大，目前我國一般選擇在遼闊、風(fēng)資源豐富的高原區(qū)域。為滿足風(fēng)力發(fā)電場的設(shè)計(jì)、施工需要，測量專業(yè)就必須及時準(zhǔn)確地提供高精度的工程測繪資料。傳統(tǒng)的測量在大面積控制、測圖、施工放樣精度和效率往往比較低，這就使目前應(yīng)用較為成熟的GPS技術(shù)在風(fēng)電場建設(shè)中發(fā)揮了不可替代的作用。本文重點(diǎn)就利用GPS技術(shù)在風(fēng)電場場址前期的控制網(wǎng)建設(shè)以及數(shù)據(jù)處理、粗差探測等方面的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 基準(zhǔn)設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電場一般位于風(fēng)力資源較為豐富的高原地帶，這也就決定了風(fēng)力發(fā)電場工程控制網(wǎng)的特殊性。測區(qū)內(nèi)投影所引起的長度變形不大于2.5cm是建立或選擇平面坐標(biāo)系統(tǒng)的前提條件，因?yàn)槊壳组L度變形為2.5cm時，即其相對中誤差為1/40000，這樣的長度變形可以滿足大部分場區(qū)建設(shè)放樣測量精度不低于1/20000的要求。由概略公式：為高程歸化值與高斯歸化值之和)可以得知工程采用投影至測區(qū)平均高程面上的高斯投影平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)是否滿足滿足規(guī)范要求，再考慮是否采用3°帶抵償面平面坐標(biāo)系統(tǒng)。

2 GPS布網(wǎng)及施測設(shè)計(jì)

風(fēng)電場GPS控制網(wǎng)的布設(shè)，既要考慮風(fēng)電場長遠(yuǎn)規(guī)劃，又要考慮近期選址、控制點(diǎn)加密、數(shù)字化測圖、施工放樣、工程驗(yàn)收的要求，應(yīng)確保測量精度、效率高、費(fèi)用低的原則布設(shè)。為了提高控制網(wǎng)的精度和實(shí)際需求，采用分級布設(shè)的方案，首級控制網(wǎng)采用C級GPS控制網(wǎng)，相鄰點(diǎn)平均間距約為5km左右，見圖1。

圖1 PS控制網(wǎng)布設(shè)圖

觀測時段長度定于30h～60h之間，具體時間取決與觀測時間段的星歷預(yù)報(bào)見圖2。

圖2 歷預(yù)報(bào)圖

例如2008年10月10日進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集時，通過星歷預(yù)報(bào)圖可知早晨8∶40分至11∶40分之間的觀測時段不佳，需要延長，落在此時間區(qū)間內(nèi)的時段適當(dāng)順延至12點(diǎn)，保證外業(yè)的觀測質(zhì)量。圖形布設(shè)為滿足C級GPS測量單站重復(fù)觀測≥2個時段的要求(見表一)，采用網(wǎng)連式布設(shè)。

表1 各級GPS測量基本要求規(guī)定

考慮到控制測量可使用的設(shè)備為四臺Trimble5700GPS接收機(jī)，網(wǎng)型由獨(dú)立同步三角形環(huán)或獨(dú)立的多邊形環(huán)構(gòu)成，根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)典理論可知，這種圖形的幾何結(jié)構(gòu)強(qiáng)，具有良好的自檢能力，能夠有效地探測粗差，保障網(wǎng)的可靠性，且經(jīng)平差后網(wǎng)中相鄰點(diǎn)間基線向量精度分布均勻。

當(dāng)我們完成風(fēng)電場GPS控制網(wǎng)的布設(shè)后，采用效率指標(biāo)和可靠性指標(biāo)對風(fēng)電場控制網(wǎng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評價(jià)。在點(diǎn)數(shù)、接收機(jī)數(shù)和平均重復(fù)設(shè)站次數(shù)確定后，則完成該網(wǎng)測設(shè)所需的理論最少觀測期數(shù)(同步觀測的時段數(shù))就可以確定網(wǎng)的效率指標(biāo)。GPS控制網(wǎng)可靠性可以分為內(nèi)可靠性和外可靠性，GPS網(wǎng)的內(nèi)可靠性就是指所布設(shè)的GPS網(wǎng)發(fā)現(xiàn)粗差的能力，即可發(fā)現(xiàn)的最小粗差的大?。欢鳪PS網(wǎng)的外可靠性就是GPS網(wǎng)抵御粗差的能力，即未剔除的粗差對GPS網(wǎng)所造成的不良影響的大小。由于內(nèi)、外可靠性指標(biāo)在計(jì)算上過于煩瑣，在實(shí)際的GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)中采用一個較為簡單的計(jì)算反映GPS網(wǎng)可靠性的指標(biāo)，該指標(biāo)就是整網(wǎng)的多余獨(dú)立基線數(shù)與總的獨(dú)立基線數(shù)的比值，稱為整網(wǎng)的平均可靠性指標(biāo)。

3 外業(yè)觀測

外業(yè)觀測中是獲取數(shù)據(jù)最重要的一環(huán)，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)作業(yè)計(jì)劃的規(guī)定。其中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)事項(xiàng)如下：

⑴ 避免由對中和量取儀器高所帶來的誤差。

⑵ 天線的定向標(biāo)志線應(yīng)指向正北，并顧及當(dāng)?shù)卮牌堑挠绊懀詼p弱相位中心偏差的影響。天線定向誤差依定位精度不同而異，一般不應(yīng)超過±3°～5°。

⑶ 刮風(fēng)天氣安置天線時，應(yīng)將天線進(jìn)行三方向固定，以防倒地碰壞。

⑷ 架設(shè)天線不宜過低，一般應(yīng)距地面1m以上。

另外，在外業(yè)觀測過程中應(yīng)實(shí)時查看接收機(jī)指示燈，檢查是否正常記錄數(shù)據(jù)，若出現(xiàn)以外應(yīng)立刻與指揮人員聯(lián)系，以便調(diào)整施測方案。

4 數(shù)據(jù)處理及質(zhì)量分析

外業(yè)工作展開的同時，數(shù)據(jù)處理工作應(yīng)分階段進(jìn)行。如圖3所示，GPS控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段、基線處理階段、無約束平差質(zhì)量檢驗(yàn)階段、約束平差和成果輸出階段，在這些數(shù)據(jù)處理階段中，本文重點(diǎn)探討可以檢核外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的基線處理階段和無約束平差階段。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程圖

基線解算和無約束平差通常在外業(yè)觀測期間進(jìn)行，以便對觀測質(zhì)量及網(wǎng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)時的評估。在基線解算過程中，由多臺GPS接收機(jī)在野外通過同步觀測所采集到的觀測數(shù)據(jù)被用來確定接收機(jī)之間的基線向量及方差-協(xié)方差陣?；€解算的類型來說主要分為單基線解模式和多基線解模式，單基線解模式模型較為簡單，也是大多數(shù)商業(yè)軟件的主要解算模式，一次可求解的參數(shù)較少，計(jì)算量也較小，但該模式存在缺陷，首先解算結(jié)果無法反映同步觀測基線的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，其次無法充分利用待定參數(shù)的關(guān)聯(lián)性，因此基線結(jié)算結(jié)果主要反映了數(shù)據(jù)刪除率、采樣率、數(shù)據(jù)剔除準(zhǔn)則、星歷內(nèi)容綜述、健康標(biāo)志信息、進(jìn)行的數(shù)據(jù)預(yù)處理措施(如對流層模型)、觀測值改正數(shù)(殘差)、結(jié)果統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果。對于整周未知數(shù)的確定結(jié)果以及解的質(zhì)量綜述，TGO單基線解模式的缺陷性無法準(zhǔn)確通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)方式來準(zhǔn)確判斷粗差，僅作為參考。無約束平差的質(zhì)量完全取決與GPS基線向量，在平差過程中所反映出的觀測值幾何不一致性的大小，都是觀測值本身質(zhì)量的真是反映又作為判斷粗差觀測值及進(jìn)行相應(yīng)處理的依據(jù)，因次通過閉合環(huán)的閉合差來判定數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

通過環(huán)閉合差報(bào)告來判定那條基線的質(zhì)量是否超限，對于風(fēng)力發(fā)電場區(qū)控制測量，環(huán)閉合差對于基線分量的改正數(shù)本項(xiàng)必須滿足。

圖4 失敗的閉合環(huán)細(xì)節(jié)

依據(jù)超限同步環(huán)的出現(xiàn)規(guī)律來推斷有問題的基線。如圖5環(huán)閉合差檢測報(bào)告中在環(huán)組合1、環(huán)組合2以及很多組合中都反映出LD04與LD11之間的基線有較大粗差，平差后觀測值也反映出該基線的殘差較大，先判斷該基線互差是否較大，在對該基線進(jìn)行精化處理，直到該基線通過閉合環(huán)的檢驗(yàn)為止。

在基線精化處理過程中，應(yīng)重點(diǎn)注意一下幾點(diǎn)：①當(dāng)觀測值殘差普遍較大，且具有一定系統(tǒng)性趨勢時，不宜簡單采用剔除觀測值的方法。

當(dāng)L2相位為全波長時，盡量采用無電離層折射延遲組合消除電離層折射影響，當(dāng)L2相位為半波長，對于短基線，可嘗試僅使用L1單頻數(shù)據(jù)處理，采用無電離層折射延遲觀測值將改善殘差的系統(tǒng)性分布趨勢，但殘差將會顯著增大，究竟是否采用，應(yīng)更具具體情況決定，通常情況下，對流層折射延遲改正模型的差異不大，需根據(jù)實(shí)際處理結(jié)果來判定最終采用何種模型。②縮短天頂對流層估計(jì)的間隔將改善殘差的系統(tǒng)性趨勢，但不一定會改善成果，究竟是否采用，應(yīng)更具具體情況決定。周跳較多時，應(yīng)采用修復(fù)的方法；反之，則采用參數(shù)估計(jì)的方法。有時，浮動解要比固定解質(zhì)量好。若基線解算結(jié)果的觀測值殘差呈現(xiàn)出較強(qiáng)的系統(tǒng)性走勢。良好的基線解算結(jié)果，其觀測值殘差通常呈現(xiàn)出隨機(jī)分布的特征。

5 約束平差以及高程擬合

約束平差階段重點(diǎn)需要對起算點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行兼容性的檢查，主要采用不同起算點(diǎn)平差結(jié)果分析法，將起算點(diǎn)分組進(jìn)行平差后的坐標(biāo)值與已知坐標(biāo)進(jìn)行比對，判斷兼容情況。在起算點(diǎn)的檢核結(jié)束后選擇兼容性好的一組控制點(diǎn)進(jìn)行約束平差。

GPS測量可以得到高精度大地高程，即橢球高，而實(shí)際應(yīng)用中所采用的高程為海拔高程，兩者之間差異就需要獲取準(zhǔn)確的高程異常值。高程擬合主要確定的就是高程異常值，方法有大地水準(zhǔn)面模型法和幾何內(nèi)插法兩種。TGO軟件采用的大地水準(zhǔn)面模型法完全可以滿足風(fēng)力發(fā)電場控制網(wǎng)的技術(shù)要求。在數(shù)據(jù)處理過程中，采用高程擬合與平面約束平差分開進(jìn)行的策略，即對無約束平差的成果直接進(jìn)行高程擬合。在擬合的過程中，盡可能選擇均勻分布在風(fēng)電場址內(nèi)部經(jīng)過水準(zhǔn)驗(yàn)證高程點(diǎn)，大地水準(zhǔn)面模型選擇隨機(jī)軟件提供的OSU91A衛(wèi)星遙感重力模型。

6 精度分析

風(fēng)力發(fā)電場GPS控制網(wǎng)采用分級布設(shè)，對數(shù)據(jù)的檢核以加密后所有控制點(diǎn)組合基線邊長、方位角和高差為主，對均勻分布在本風(fēng)場的10條短基線進(jìn)行檢測，檢測數(shù)據(jù)見表2。

經(jīng)分析，平面結(jié)果可以達(dá)到優(yōu)于規(guī)范要求的精度，完全可以滿足風(fēng)力發(fā)電場場區(qū)數(shù)字化測圖、施工放樣、工程驗(yàn)收的要求。在地勢起伏不大的高原丘陵地區(qū)，如果GPS網(wǎng)的覆蓋面積不大(200km2以內(nèi))，只要聯(lián)測6個及以上均勻分布的水準(zhǔn)點(diǎn)，采用OSU91A衛(wèi)星遙感重力模型進(jìn)行擬合計(jì)算，求解的正常高誤差一般在25cm以內(nèi)，可滿足風(fēng)力發(fā)電場1∶5000數(shù)字化測圖、風(fēng)機(jī)定位等對高程精度的要求。另外高程異常的擬合精度與公共點(diǎn)的精度、分布及密度有很大關(guān)系，公共點(diǎn)數(shù)量越多，分布越均勻，則擬合精度越高，必要時可以實(shí)施局部水準(zhǔn)與GPS高程擬合的方法提高高程控制的精度。

表2 基線檢測一覽表

7 結(jié)語

大面積的風(fēng)電場控制網(wǎng)的建設(shè)使用GPS技術(shù)體現(xiàn)出了很大的優(yōu)越性，選點(diǎn)布網(wǎng)方便，外業(yè)數(shù)據(jù)采集也自動化程度高，也能達(dá)到較高的控制測量精度。但就目前運(yùn)用來說本人認(rèn)為還存在以下問題：

⑴ 應(yīng)采用合理的平差軟件，TGO采用單基線解的方式在處理10km一下基線的時候能保證較好的精度，但在長基線的處理中與專業(yè)處理軟件有較大出入。

⑵ 高程異常值的確定，高程異常值由重力場值有關(guān)，在起伏較大的地區(qū)高程擬合誤差較大，目前國家有關(guān)單位已經(jīng)開始對區(qū)域大地水準(zhǔn)面進(jìn)行精化，采用精化后的局部大地水準(zhǔn)面模型可以達(dá)到厘米級高程精度。

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