基于北斗技術(shù)的大型灌區(qū)工程GNSS控制網(wǎng)平差＊

葉達(dá)忠，陳耿，丁林磊，樂(lè)文強(qiáng)，肖增華，葉德權(quán)

（1.廣西壯族自治區(qū)水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530023；2.廣西南寧水利電力設(shè)計(jì)院有限公司，廣西 南寧 530023）

0 引言

本文的研究項(xiàng)目為廣西桂西北治旱龍江河谷灌區(qū)，該項(xiàng)目地處石山區(qū)和滇桂黔石漠化片區(qū)，是集革命老區(qū)、少數(shù)民族地區(qū)、大石山區(qū)、貧困地區(qū)和水庫(kù)淹沒(méi)影響區(qū)“五區(qū)一體”的地區(qū)，被列入國(guó)家“十四五”水安全保障規(guī)劃。工程開(kāi)發(fā)任務(wù)為農(nóng)業(yè)灌溉及城鄉(xiāng)供水，保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水安全，為保障區(qū)域糧食生產(chǎn)安全、鞏固扶貧攻堅(jiān)成果、實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興創(chuàng)造條件。

項(xiàng)目規(guī)劃在龍江河谷構(gòu)建一個(gè)大型現(xiàn)代化灌區(qū)，總規(guī)劃灌溉面積為5.5萬(wàn)hm2，其中自流灌溉面積為4.9萬(wàn)hm2、提水灌溉面積為0.6萬(wàn)hm2。擬新建輸水干管5條（全長(zhǎng)約181.66 km），支管28條，分支管15條，總長(zhǎng)201.4 km；總干渠首設(shè)計(jì)流量為5m3/s。灌區(qū)位于東經(jīng)107°36′～109°00′，北緯24°06′～25°12′，平均高程為250 m，屬于3°帶第36帶區(qū)域，測(cè)區(qū)交通不便，山區(qū)地形為喀斯特地貌，植被茂盛，通視困難，屬于復(fù)雜地區(qū)類(lèi)別。

為獲得高精度灌區(qū)整體GNSS控制網(wǎng)，國(guó)內(nèi)行業(yè)做法通常是在隨機(jī)軟件導(dǎo)出基線解算，再導(dǎo)入武漢大學(xué)CosaGNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)求解網(wǎng)平差結(jié)果。這種方式的不足之處是隨機(jī)軟件與CosaGNSS需要轉(zhuǎn)換和銜接，并且后者不具備導(dǎo)入高程模型的功能，因此獲得的高程平差不理想。本項(xiàng)目基于我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)和難點(diǎn)，利用“天寶”GNSS后處理系統(tǒng)Trimble Business Center（以下簡(jiǎn)稱TBC），結(jié)合國(guó)內(nèi)行業(yè)規(guī)范《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》［1］，進(jìn)行平差計(jì)算。這種方式能較好地利用高程模型且較好地結(jié)合和利用了我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的同步衛(wèi)星技術(shù)以及多星座非同步衛(wèi)星的先進(jìn)技術(shù)。

1 數(shù)據(jù)采集

通過(guò)對(duì)廣西桂西北治旱龍江河谷灌區(qū)控制網(wǎng)圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，Ⅰ南柳74（C154）、萬(wàn)里山小學(xué)（C299）、民族小學(xué)（C179）等一批C級(jí)GPS控制點(diǎn)可以作為本項(xiàng)目控制網(wǎng)平面坐標(biāo)起算點(diǎn)數(shù)據(jù)；水準(zhǔn)網(wǎng)擬采用Ⅰ南柳74、Ⅰ南柳78、Ⅰ南柳80、Ⅲ奇庚31、Ⅲ英德14、Ⅱ金浮1基等國(guó)家高等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)作為水準(zhǔn)網(wǎng)起算點(diǎn)。測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)編寫(xiě)及測(cè)量作業(yè)的依據(jù)為《工程測(cè)量通用規(guī)范》（GB55018）、《工程測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB50026）、《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》（SL197）。項(xiàng)目的首要任務(wù)是在工程區(qū)域內(nèi)建立四等、五等GNSS平面控制網(wǎng)［2-3］。

為更好地應(yīng)用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，首先，要確保衛(wèi)星接收機(jī)兼容北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，如使用南方SOUTH S86-2013GNSS接收機(jī)。其次，若采用非隨機(jī)后處理解算軟件，則必須確認(rèn)Rinex數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器使用3.02以上的版本，保證含有北斗星座衛(wèi)星信號(hào)。采集流程為數(shù)據(jù)采集—基線解算—網(wǎng)平差（包括自由平差及約束平差）—精度評(píng)定［4-5］。

2 網(wǎng)平差后處理參數(shù)設(shè)置

本項(xiàng)目采用TBC進(jìn)行網(wǎng)平差后處理，在此之前還需要對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2.1 基線處理設(shè)置

打開(kāi)項(xiàng)目后，在工程設(shè)置中的“基線處理”和“衛(wèi)星”中勾選“北斗”。依據(jù)參考文獻(xiàn)［1］中的“表4.2.1”“公式（4.2.6-1）”“公式（4.2.6-2）”計(jì)算基線長(zhǎng)度中誤差和重復(fù)基線差值限差［1，3］：

其中：σ為相應(yīng)基線長(zhǎng)度的中誤差；三等、四等σ值為31.6mm，可取值3 cm；a2為相應(yīng)等級(jí)控制網(wǎng)的固定誤差；b為相應(yīng)等級(jí)控制網(wǎng)的比例誤差；D為平均邊長(zhǎng)；ds為重復(fù)基線測(cè)量的差值。

通過(guò)TBC進(jìn)行驗(yàn)算，四等控制網(wǎng)重復(fù)性基線計(jì)算應(yīng)設(shè)置為8 ppm，二等應(yīng)設(shè)置為1，三等應(yīng)設(shè)置為4 ppm。

2.2 同步環(huán)、異步環(huán)設(shè)置

異步環(huán)各坐標(biāo)分量閉合差及環(huán)線全長(zhǎng)閉合差應(yīng)滿足《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》中“公式（4.2.6-3）”的要求［1］。

其中：n為閉合環(huán)中的邊數(shù)；Wx、Wy、Wy為各坐標(biāo)分量閉合差；W為環(huán)線全長(zhǎng)閉合差。

經(jīng)計(jì)算（往高精度方向取整），二等、三等、四等異步環(huán)的環(huán)線全長(zhǎng)閉合差限值分別為6mm、15mm、30mm；而同步環(huán)的環(huán)線全長(zhǎng)閉合差限值則取異步環(huán)限值的一半。

3 建立區(qū)域水準(zhǔn)面模型及坐標(biāo)組

3.1 區(qū)域水準(zhǔn)面模型

項(xiàng)目位于河谷狹長(zhǎng)帶狀，高程異常較為顯著。為提高GNSS高程擬合精度，建立灌區(qū)區(qū)域精化水準(zhǔn)面模型，該區(qū)域水準(zhǔn)面模型定制為Grid_LongJiang。在EGM2008（1′×1′）的模型上選擇EGM2008 Gridmaker，輸入灌區(qū)區(qū)域的邊界為東經(jīng)107.6°～109.0°，北緯24.1°～25.2°；內(nèi)插方法選擇Bi-Quadratic，采樣間隔spceing選擇1分，然后選擇Grid_LongJiang輸出文件，組成85×67格網(wǎng)文件。采用二等水準(zhǔn)測(cè)量，在區(qū)域內(nèi)均勻地布設(shè)10個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，并進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為4 h的GNSS三等同步觀測(cè)，得到準(zhǔn)確的高程異常值，從而對(duì)區(qū)域模型進(jìn)行精化。在Coordinate System Manager中導(dǎo)入更新的模型Grid_LongJiang。

3.2 建立恰當(dāng)?shù)耐队皫Ъ巴队懊?/h3>

本測(cè)區(qū)中心處于108°30′附近，平均高程為250 m，采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)3度帶投影至108°00′00″時(shí)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，每千米投影變形值為0.025m，滿足現(xiàn)行《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》中“長(zhǎng)度投影變形值小于5 cm/km”的規(guī)范要求。但是，龍江河谷灌區(qū)東部變形為9.0 cm，超出規(guī)范限值5 cm，需要進(jìn)行投影抵償。本項(xiàng)目宜采取CGCS2000坐標(biāo)系、中央子午線108.5°、投影高程面為250m的獨(dú)立坐標(biāo)系及任意投影面，使變形值控制在毫米級(jí)。

4 平差處理

設(shè)置參數(shù)后，可以開(kāi)始灌區(qū)GNSS控制網(wǎng)平差計(jì)算。為進(jìn)一步確認(rèn)是否選擇的是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，此時(shí)可以打開(kāi)時(shí)段編輯器查找北斗衛(wèi)星信號(hào)時(shí)段顯示。

4.1 基線處理結(jié)果對(duì)比分析

在項(xiàng)目平差處理時(shí)進(jìn)行北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)使用前后的效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)后，基線的水平精度、垂直精度、網(wǎng)的X檢驗(yàn)都有不同程度的提高，有的精度指標(biāo)達(dá)到2 ppm。最弱基線的相對(duì)誤差控制在8 ppm以內(nèi)，小于限差，即25 ppm，符合《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》中“表4.2.1”的技術(shù)設(shè)計(jì)要求。

4.2 同步環(huán)、異步環(huán)比較

未采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)之前，共有XZ08-XZ09-XZ24、XZ07-XZ08-XZ24、XB01-XB03-XB04、WD05-XB01-XB04等8個(gè)同步環(huán)閉合差不合格，其中最差的是XZ08-XZ09-XZ24，相對(duì)閉合差達(dá)到30.261 ppm，采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)之后，只有3個(gè)同步環(huán)不合格，其中NL80-XZ06-XZ07為最差值，相對(duì)閉合差為18.975 ppm。沒(méi)有利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的控制網(wǎng)同步閉合環(huán)計(jì)算詳見(jiàn)表1。閉合差最差值為XZ08-XZ09-XZ24，長(zhǎng)度閉合差為433.361mm，限差為43.230mm，評(píng)定結(jié)果為失敗。

表1 無(wú)北斗技術(shù)的控制網(wǎng)同步閉合環(huán)計(jì)算表

表2 GNSS回線閉合結(jié)果（未采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)）

4.3 GNSS回線閉合比較

GNSS回線閉合結(jié)果如下：采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)前，有1個(gè)回線環(huán)XZ08-XZ09-XZ24未通過(guò)；采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)后，沒(méi)有不合格回線環(huán)（詳見(jiàn)表2、表3）。

表3 GNSS回線閉合結(jié)果（采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)）

驗(yàn)算結(jié)果為Δ3D/回線閉合環(huán)長(zhǎng)度=0.433/14.3=30.2 ppm，與參數(shù)設(shè)計(jì)吻合。

5 高程內(nèi)符合精度

為驗(yàn)證其高程內(nèi)符合精度，進(jìn)行自由網(wǎng)平差單點(diǎn)推算比較，加入北斗數(shù)據(jù)后，基線解、網(wǎng)平差、已知點(diǎn)檢核的精度提高效果顯著（見(jiàn)表4）。

表4 TBC高程單點(diǎn)擬合推算比較

6 結(jié)論

通過(guò)龍江河谷灌區(qū)GNSS控制網(wǎng)在采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)平差前后實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得出如下結(jié)論。

（1）采用北斗衛(wèi)星信號(hào)后的基線處理、同步環(huán)、異步環(huán)的精度均有提高。

（2）加入北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)后，對(duì)提高同步環(huán)精度效果顯著。

（3）對(duì)于4邊、5邊等多邊環(huán)，建議可選擇性導(dǎo)出參考。

（4）對(duì)于GNSS回線閉合精度、GNSS控制網(wǎng)的內(nèi)符合精度也有明顯的提高。

（5）對(duì)于狹長(zhǎng)形河谷的地形中的水利工程控制網(wǎng)，采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)和精化模型后，其GNSS高程精度提高效果顯著，極具推廣價(jià)值。