GPS在大型电厂高精度厂区控制网测量中的应用
摘要：该文结合台山电厂厂区控制网测量工程实践，对GPS在大型电厂高精度厂区控制网测量中的布网原则、观测方法、数据处理以及复测等方面进行了探讨和研究。
关键词：GPS，静态测量，观测墩
1.概述
台山电厂是目前在建的亚洲最大的火力发电厂，厂址位于广东省台山市赤溪镇铜鼓湾畔，规划装机容量为8台600MW等级燃煤发电机组，一期工程建设规模2×600MW（1号、2号机组）。为了确保在电厂各部分之间建立有机的联系，也为满足现阶段工程建设顺利进行的需要，建立一个高精度的、稳定和可靠的厂区控制网是非常必要的。受广东省电力设计研究院的委托，天津市海岸带工程有限公司承担了厂区控制网点的布设、测量以及定期的复测工作。本文结合台山核电厂厂区控制网测量实践，对GPS在大型电厂高精度厂区控制网测量中的布网原则、观测方法、数据处理以及复测等方面进行了探讨和研究。
2.厂区控制网的建立
作为大型的火力发电项目，台山电厂的建设施工周期较长，为便于施工放样以及变形测量的需要，根据国际《工程测量规范》GB50026-93的规定，特建造钢筋混凝土结构的、永久性的观测墩，建立二等变形监测网。观测墩示意图如图1所示，其基础采用钻孔灌注桩，桩端持力层为下伏的中等风化或微风化基岩，每个观测墩上都设有用于平面控制的强制对中底盘（铜制罗盘）以及用于高程控制的上下标（不锈钢圆头）。
厂区控制网布设应以稳定可靠、方便使用、通视良好、便于长期保存为原则。参照台山电厂的总平面图设计，经现场踏勘并与电厂工程部的协商后，计划分两批共建造10个观测墩。先于2001年9月在1号、2号机和规划的3号、4号机外围建造了TD001～TD003、TD009、TD010共5个观测墩；在主厂房基础负挖完成后，又于2002年7月间在主厂区的四周建造了另外5个观测墩。其中，TD009由于施工的原因被毁，补建了TD011。2002年9月首次进场测量时，除TD004有明显倾斜外，其他的观测墩均保存完好，台山电厂厂区控制网便是由这10个观测墩组成的，网中相邻点间距离平均为280m左右，点位分布如图2所示。
3.控制网的施测
3.1观测方案的确定
根据事先设计的测量技术方案，平面控制测量使用LeicaTC1800全站仪，观测方法为多方面测角、侧边，以尽可能增加多余观测的方法来提高整个控制网的测量精度。但由于电厂施工的影响，众多永久性以及临时性的建、构筑物阻碍了大部分观测墩之间的相互通视，仅用全站仪观测有限数量的边和角难以达到二等变形监测网的精度要求。考虑到美国的SA政策已经取消，GPS静态测量精度有所提高，因此，我们决定完全采用GPS技术进行观测，用TC1800高精度的测边对GPS成果加以约束和检测。
3.2GPS控制测量
根据测区中心的概略经纬度和高程，并参照较新的GPS卫星可得到性预报，首次GPS测量定于2002年9月18日上午以及19日上午进行。图3为测区中心2002年9月18、19两日24小时GPS卫星一览图及PDOP、GDOP曲线图，这两天上午的大部分时间内可见卫星数大于7，卫星几何图形强度因子GDOP值小于3，是一个最佳的观测时间段。
外业观测使用4台LeicaSR530双频测量型GPS接收机，该仪器的标称精度为±(5mm+10D)。GPS天线通过强制归心基座安置在观测墩上，其对中误差不大于0.3mm。采用静态测量作业模式，设置卫星截止高度角15°，历元采样间隔为10s，有效观测卫星数不少于5颗，GDOP值小于6。每条基线的同步观测时间不小于20min，并在不同德时段重复观测一次。人员和设备根据事先编制的作业计划进行调度，观测员须随时监视接收机的工作状态，包括可见卫星数、L1/L2当前跟踪到得卫星数、PC卡存储状态、电池剩余容量、GDOP值的大小等。若出现有卫星被遮挡，GDOP值偏大的情况，应适当延长观测时间。
3.3距离测量
相互通视的控制点间距离测量使用LeicaTC1800全站仪，其标称的测角中误差1″，测距精度为2mm+1×10D。全站仪借助强制归心平板、棱镜通过强制归心基座安置在观测墩上，边长测量往返各4个测回，同时量取两端点测边始末的温度和气压值。
3.4水准测量
水准测量使用的仪器为WILDNA2+GPM3水准仪和铟钢水准尺，其标称精度为每公里高差中误差0.4mm。按国家二等水准测量规范的要求进行观测，以主厂房周围的控制点组成一条闭合水准路线。如图4所示，整条测线共分为8个测段，先连续完成所有测段的往测，随后再连续进行返测。
4.测量数据处理
4.1测距长度处理
全站仪测距长度处理，包括气象（温度和气压）及加、乘常数改正，测距边的水平距离计算，归化投影计算（归算到厂区设计标高，珠江基面4.8m高程面上）几个部分。最后将控制网内最长边TD003~TD011的测距成果，作为GPS网平差后基准转换的一个约束条件（比例因子），以其他的边长测距成果对GPS测量质量进行校核。
4.2GPS数据处理
GPS测量数据采用随机软件LeicaSK1-Pro进行处理，过程包括单点定位、基线解算、网平差以及基准转换等。其中，单点定位和基线解算全部使用缺省参数、选择自动处理模式进行全自动解算，解算后的GPS网形如图5。网平差是在近似WGS-84坐标系统下的无约束三维平差，平差后最大点位中误差为±2.7mm，最大平面中误差为±1.2mm，点位精度比较均匀。GPS网平差后的点位内符合精度统计如表1。
台山电厂厂区控制网采用独立的厂区坐标系和珠江基面高程系。为了确保测量成果与原有资料相互统一，在第一批观测墩建造完成后进行了坐标联测。利用厂区附近的四等导线点IV二湾顶和IV大排作为起算点，与TD002和TD003构成一个大地四边形网，测出TD002和TD003的1954年北京坐标，并按事先设计的转换关系将其转换成为厂区坐标。为了不扭曲高精度GPS网的内部一致性，坐标基准转换只选用一个点的厂区坐标和一条边的方位作为起算数据，以本次测距边长度作为尺度控制。先以TD003的坐标为准固定不动，以所推算的网内最长边TD003~TD011的方位角以及全站仪实测的边长成果计算TD011的平面坐标。在基准/投影计算时，只需采用TD003、TD011这两个点的平面以及TD004、TD005~TD011共7个水准高程计算坐标转换参数，转换类型为一步法。
4.3边长检测比较
为了证明首次GPS测量质量的可靠性，我们对厂区控制网内部分通视的点进行了检测，共检测边长条5条，表2是GPS网平差后的点位坐标反算距离与全站仪实测距离的比较。
5控制网的复测
由于电厂建设施工期间，区域内的观测墩容易受到填挖方、抽水、机械震动、车辆行驶乃至撞击等因素的影响而产生位移；因此，必须对厂区控制网进行定期的复测，通过对测量结果的综合分析来检验控制网点位的稳定性。在台山电厂厂区控制网建成后，三个月内完成第一次全面的复测，以后每半年复测一次。复测时的仪器设备、观测方法以及数据处理等与控制网建立时相同，以复测前后对应控制点位坐标较差限值的大小来判断GPS点位的稳定性。根据误差传播理论，复测前后控制点位坐标较差中误差为M=
式中：M、M--GPS网复测前、后的点位中误差。现以2倍最弱点较差中误差为限值。从前面几期的复测结果来看，还没有出现超限的点位。
6.结束语
GPS定位技术具有精度高、速度快、布网灵活、无须点间通视的特点，用于大型电厂高精度厂区控制网测量（复测）优势明显。由于电厂施工期间场地条件的限制，控制点位上空的GPS信号会受到一定得遮挡，应根据较新的卫星可得到性预报选择最佳的观测时段。在厂区GPS测量中，适当增加同步观测的仪器数量，不仅可以提高作业效率，同时也可以明显增加多余观测量，提高GPS网的精度和可靠性。高精度GPS控制网在转换到地方坐标系统时，为了不受已知点点位误差的影响，可只采用必要的约束条件。
在GPS精度定位测量中，使用双频接收机、利用同步观测值求差都可减弱电离层折射的影响，但还应尽量避免在太阳辐射的正午或在太阳黑子活动的异常期进行观测。特别要指出的是，在广东这个低纬度地区的电离层非常活跃，高精度GPS观测应尽量避开12~15点这个时间段。
参考文献
⑴周忠谟，易杰军，周琪，GPS卫星测量原理与应用.北京：测绘出版社，1997
⑵谢征海，夏定辉.GPS技术在城市轻轨建设中的应用.成都：中国科协2002年学术年会测绘论文集，2002
⑶王岩，岳建平，周保兴，葛世超.工程控制网点位稳定性分析方法的研究.测绘通报，2004(8)