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测量试验六
GPS测量技术在水工施工中的应用
张玉龙
摘要:
本文主要通过GPS测量技术在长江口二期航道整治工程中的应用,阐述其施工原理与控制方法。
关键词:
定位原理软件施工技术
1、概述
长江口深水航道治理二期工程南导堤SⅡB标位于长江口南港北槽下游水域九段沙北侧滩地上,距横沙岛东滩陆地施工基地距离约40~50km。
包括一段长约6377m的导堤及两座丁坝,其施工工序主要包括工前测量、砂被铺设、塑料排水板施打、软体排铺设、抛石整平、安装半圆体、抛石护坡等。
2、施工测量特点
由于施工现场距离陆地较远且地形复杂,按常规测量方法进行施工定位测量具有难度大、测量精度难以保证等特点,故采用了先进的GPS测量技术作为本工程的主要施工测量方法;结合本工程施工现场工序多、施工船舶集中、锚位密布、移锚频繁等特点,根据不同的施工工艺在施工船舶上安装不同的GPS定位软件来满足施工要求。
由于海上作业受潮汐影响,根据九段沙潮汐表安排每日的生产是施工中重要的一环。
潮汐的特点决定了施工作业的全天候性(24小时作业),更加突出了GPS测量在施工中的重要作用。
3、GPS测量定位的特点及基本要求
3.1RTK定位基本原理
GPS测量作业模式有静态、快速静态、准动态、动态相对定位等。
但本工程测量中利用这些定位模式,若不与数据传输系统相结合,其定位结果均需通过观测数据的测后处理而获得。
由于观测数据需测后处理,所以上述各种定位模式,不仅无法实时地给出观测站(流动站)的定位结果,而且也无法对基准站和用户站观测数据的质量进行实时的检核,因而难免出现在数据后处理中发现不合格的测量成果需要进行返工重测情况,这完全降低了GPS定位工作效率,也不能满足本项目施工测量要求。
RTK测量定位是实时动态定位技术(RealTimeKinematic)的简称。
是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS(RTDGPS)定位技术,见附图1。
附图1:
RTK-GPS定位示意图
其基本原理为:
在基准站上安置1台GPS接收机,对所有可见GPS卫星进行连续地观测,并将其观测数据通过无线电传输设备实时地发送给用户观测站。
在用户站(流动站)上,GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时,通过无线电接收设备,接收基准站传输的观测数据,然后根据相对定位原理,实时地计算并显示用户站三维坐标及其精度。
这样,通过实时计算的定位结果,便可监测基准站与用户观测成果的质量和计算结果的收敛情况,从而可实时地判断解算结果是否正确以减少冗余观测,缩短观测时间。
3.2GPS定位基本要求
3.2.1基本原理
在基准站上安置1台GPS接收机,对所有可见GPS卫星进行连续地观测,并将其观测数据通过无线电传输设备实时地发送给用户观测站。
在用户站(流动站)上,GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时,通过无线电接收设备,接收基准站传输的观测数据,然后根据相对定位原理,实时地计算并显示用户站三维坐标及其精度。
这样,通过实时计算的定位结果,便可监测基准站与用户观测成果的质量和解算结果的收敛情况,从而可实时地判断解算结果是否正确以减少冗余观测,缩短观测时间。
3.2.2基准站的建立
由业主委托上海航道局在国家GPS控制网内加密三个GPS控制点作为长江口航道整治项目的首级控制点,即横沙点、丁坝N6点、牛皮礁中继站三个控制点。
它基本覆盖了长江口项目从一期到三期施工区域。
选择横沙点、丁坝N6点两个控制点作为GPS基准站,全天候发射GPS差分信息给用户站(流动站),两年来完全满足了施工测量的需要。
两基准站GPS双频接收机型号为:
DassaujtSercel5002SK,其中横沙基准站发射频率为421.3MHZ,N6基准站发射频率为421.6MHZ。
其基准站控制点成果见附表1。
基准站控制点成果汇总表附表1
基站
WGS-84坐标
BJ-54坐标
B
L
H
X
Y
Z
横沙
31°18′19.1041″
121°50′14.775″
37.141
3465459.276
389240.614
26.350
N6
31°14′25.7074″
122°07′58.668″
25.5205
3458011.406
417319.423
13.677
3.2.3GPS接收机在该系统的检验
长江口二期航道整治工程引进法国产品SCORPIO6502SK/MK双频接收机,其作业半径远达40km,初始化时间约30秒,其精度指标为:
静态:
5mm+0.5ppm(平面)10mm+1ppm(高程)
动态:
10mm+0.5ppm(平面)20mm+1ppm(高程)
对采购的GPS接收机采用相对测量的方法进行检验,即固定点比对法:
安装好基准站并进入正常工作状态,将用户台(流动站)架设在已知固定点上,精确对中,然后打开GPS接收机连续观测半小时,记录其改正后的坐标,按(X,Y)n=(n-1)/n×(x,y)n-1+1/n×(X,Y)n公式计算该台GPS接收机测量成果的点位中误差,以及平均值来衡量GPS接收机的系统性能。
3.2.4GPS系统转换参数的求解
差分GPS测量是在WGS-84坐标系中进行的,而长江口航道整治工程施工坐标系统采用北京-54坐标系统,存在着两坐标系的转换问题。
选择本地区至少三个国家控制点,利用THALESGPS静态测量(该测值为USER坐标系)进行相对测量,求解出各点的GPS边长及基线分量,然后利用如下严密转换公式进行计算。
第一步:
USER坐标系转换到WGS-84坐标系:
XWGS=K′·Rz(-εz′)·Ry(-εy′)·Rx(-εx′)×Xuser+δx′……
(1)
YWGS=K′·Rz(-εz′)·Ry(-εy′)·Rx(-εx′)×Yuser+δy′……
(2)
ZWGS=K′·Rz(-εz′)·Ry(-εy′)·Rx(-εx′)×Zuser+δz′……(3)
第二步:
WGS-84坐标系转换到BJ-54坐标系:
XBJ=K·Rx(εx)·Ry(εy)·Rz(εz)·(XWGS+δx)……(4)
YBJ=K·Rx(εx)·Ry(εy)·Rz(εz)·(YWGS+δy)……(5)
ZBJ=K·Rx(εx)·Ry(εy)·Rz(εz)·(ZWGS+δz)……(6)
实际上,考虑到εx、εy、εz很小,近似认为sinεx=εx、cosεy=1、sinεz=εz,cosεx=1、sinεy=εy、cosεz=1,这个近似计算方法即为布尔莎(Bursa)转换模型。
本施工测量坐标系统转换采用布尔莎转换模型公式求解坐标系转换的七个参数,进行坐标系之间的转换。
坐标系转换的几个注意事项:
(1)要在至少三个以上的大地点(控制点)上,利用具有静态测量功能的GPS接收机进行相对测量,求解出各点间的GPS边长及基线分量,然后利用转换公式进行计算。
(2)已知点最好选在测区四周及中心,均匀分布,这样能有效地控制测区,如果选在测区的一端,应计算出满足给定精度而控制的范围,切记不可从一侧无限制地向另一侧外推。
(3)一般选用2个点即可求解出四参数,但为了提高精度,最好选用三个以上的点,利用最小二乘法求解转换参数,为了校验计算出转换参数,建议留下几个已知点不参与计算,而起校核作用,经过校核满足要求的转换参数是完全可靠的。
(4)如果在测区只有一个点,此时,将基准站的地心坐标与当地坐标之差作为平移参数,仍然可以满足一定精度要求的转换参数。
4、施工测量
从2002年6月初开工至今项目总投入船舶50余艘,其中施工船舶10余艘,全部配备了6502SK/MK型GPS测量定位系统,并根据不同的施工工序配置了相应的GPS施工软件,用以指导施工。
同时配备了多台单机背包GPS接收机,进行单点测量及系统复核。
其施工测量基本流程见附图2。
附图2:
施工测量基本流程
4.1GPS测量定位软件系统
见附图3。
4.2施工测量
在船型参数测量时,通过船型参数输入测量软件系统,GPS系统间接定位排位1、2点的实际位置,从而控制定位铺排作业,见附图4。
因此,测量船型参数的准确度是保证GPS测量系统精度的保证之一。
由于船舶在水域中是动态的,加上安装GPS1、GPS2天线点间距不太长,只有23.973m,相对船体尺寸误差大,需选择水面平静无波浪、船体稳定时在近岸处对定位点1、2及GPS1、GPS2四点平面几何关系用经纬仪或全站仪精确测量几个测回取平均值,力求准确误差小。
另外,安装在船顶平台上的GPS天线要求稳固、视野开阔,无遮挡,保证GPS卫星信号及差分信号的接收。
附图3:
GPS测量软件系统示意图
软件系统的调试是保证两台GPS接收机的测量数据顺利传输到系统程序中进行船位定位,这个工作是细致严谨的,哪怕是一个微小的程序编排或数据输入错误,差之毫厘,失之千里。
2002年8月初安装、调试铺排船铺排软件时曾出现80多m的船位错误就是明证。
在附图4的铺排船控制室中,两台GPS接收机通过RS232通讯电缆接入电脑软件系统,通过软
附图4:
铺排船作业定位示意图
件系统设置好当前排位理论位置(如72m×39.5m排)。
当船位不在施工区域,通过软件导航系统将船舶拖航到排位施工区,根据铺排软件系统实时显示船位与当前排位关系指导抛锚定位;在铺排作业中,通过软件系统实时显示滑板端部1、2点的排体位置与理论排位的相互关系并实时调整船位,使滑板上的排布均匀铺设在理论排位上。
从船体定位到铺排作业完毕,整个过程始终在GPS测量软件系统中得到监控,并记录在软件文档中。
其它施工船舶平面定位原理上基本相同,只是在有高程控制的整平、抛石等作业中,高程精度要求高,GPS高程测量只有在卫星锁定且质量因子HDOP值满足一定要求时才实施施工测量,并以单机背包GPS测量复核。
半圆体安装测量均是背包GPS单点测量,通过配置PDA(掌上通)程序软件包,直接测量该半圆体安装点的三维坐标进行安装定位作业。
5、成果与分析
5.1取得的主要成果
工程趋近尾声,GPS差分定位技术的应用取得了较好的效果,技术日趋成熟,GPS测量放样精度完全达到了设计要求。
主要体现在以下几个方面:
(1)在长达两年的铺排作业中,铺排软件控制铺设的近300张软体排在定位排体平面位置、控制搭接宽度均达到施工设计要求,排体平均有效进尺得到了保证,取得了相当的经济效益;
(2)软基处理施工阶段,在船体定位软件控制砂被铺设和塑料排水板施打中,测量软件系统有效地控制了砂被铺设位置及塑料排水板的设计间距;
(3)在抛石整平过程中,尤其在控制高程方面,无论在粗抛石、精平还是控制抛石方量方面,测量软件系统控制的结果科学合理,基床标高、平整度100%达到规范要求,为半圆体顺利安装打下坚实的基础;
(4)在半圆体安装工序中,每个半圆体安装定位控制在平面位置偏差<5cm、高程偏差<5cm的设计要求内,在第一阶段性导堤完工验收中,验收工程达到优良;
(5)无验潮水深测量系统在工程施工中准确地反映了各阶段河床的高程变化,为软体排铺设、砂被冲刷、软基处理、基床抛石方量控制等方面提供了足够的数据,为科学施工提供了分析的依据。
5.2存在的问题
GPS施工测量中所存在的问题主要来自以下两个方面:
5.2.1信号传播误差
主要是信号通过电离层和对流层影响,以及在海面作业中,信号传播的多路径效应影响。
GPS信号经过电离层和对流层时,信号的路径会产生弯曲,传播速度也会发生变化,此项误差影响较大。
这方面的影响主要通过GPS接收机及软件包系统进行双频误差改正、电离层模型改正及同步观测求差等。
另一方面,在进行GPS定位测量时,天线周围的反射物质(主要来自海水)所反射的卫星信号(反射波)进入接收机天线,便将与直接来自卫星的信号产生干涉,从而造成观测值偏离真实值产生多路径误差。
解决办法:
安置在船顶平台上的天线尽量避开船顶钢结构建筑物,天线高度架设足够高。
同时建议在大面积水域施工中,在GPS天线下配置抑径板或购买防多路径效应较好的天线。
5.2.2观测误差和地面接收设备误差
由于操作过程中人为因素的原因以及船机作业时船体受风力、涌浪影响而摇晃造成天线不垂直、水深测量时船体因船速、风、涌浪因素,船体加速度过大而造成GPS暂时失锁现象。
另外,施工现场船舶密集,过往的大型船舶电台频繁也造成地面接收设备的误差。
主要解决办法:
(1)提高施工人员技术能力,取得施工过程中处理GPS失锁情况下突发处理能力,保证施工不中断;严密收听天气预报及基准站信息,做到早预防处理GPS可能发生的问题,避免造成意外施工中断;
(2)随着GPS技术的不断开发研究,2002年底生产商法国泰莱兹公司对GPS接收机进行设备升级,提高接收机接收信号的抗干扰能力;2003年底在平台增设一台播发GPS差分信息电台,保证差分信息的接收;
(3)在进行导堤、丁坝变形观测时,应有防风、防滑措施,改善测量人员观测条件,保证GPS观测不出偏差。
6、结束语
GPS技术作为一种全新的测量定位手段,在我局尤其在外海工程施工测量中已逐步得到应用,其技术的先进性、优越性已为众多的工程技术人员所认同。
GPS定位技术的优点主要体现在不存在误差积累、精度高、速度快、全天候、无需通视,点位不受限制等方面,并可同时提供平面和高程的三维位置信息。
为确保施工工程质量,提高GPS接收机信号手段、信号处理方法和软件开发是当前所需。
另外,从业GPS技术人员素质普遍偏低,企业要加大从业技术人员的知识更新工作力度。
Excel在施工控制网平差计算中的应用
牛春峰
摘要:
本文通过实例讨论了采用Excel解决工程测量中施工控制网的测量平差计算问题,并编制了计算程序;同时提出了利用Excel表格强大的计算功能以及为以后更多的工程测量进行数据处理的可行性。
关键词:
Excel施工控制网导线测量平差计算
1、前言
Excel是Microsoft公司office办公系统中集成的功能强大的电子表格,具有强有力的数据管理功能、图表功能、分析能力以及丰富的宏命令和函数;其中它强大数据处理功能对我们的日常工作有着巨大的帮助。
在工程测量中,施工测量控制网的建立与测量平差计算是一个比较繁琐的过程,虽然近期出现了许多平差软件及平差程序,但由于某种限制性原因,使用效果并不尽如人意。
本文运用Excel表格的计算功能根据实例对施工测量控制网的平差计算做了详细的讨论,它能有效地解决平差数据计算的繁琐问题,使测量工作效率得到提高,数据的正确性得以保证,并能快速打印相应计算成果。
2、施工控制网的建立与测量
2.1施工控制网的建立
在工程施工之前,首先要建立施工测量控制网,它的主要作用是控制建筑物或构筑物的主要轴线,然后根据测量“由高级到低级,由整体到局部”的原则,逐级布设施工测量控制网。
施工测量控制网不同于其他的测图控制网,它的主要主要特点是:
①控制的范围小,控制点的密度大,精度要求较高;②使用频繁;③受施工干扰。
因此根据其特点,在布设施工测量控制网时一定要保证其精度,同时在施工过程中为了保质保量完成施工任务,要经常对控制网进行复测,以避免控制点因使用频繁和施工干扰发生变化。
2.2施工控制网的测量
根据不同的施工项目,施工测量控制网要求布设的等级是不同的,就公路和桥梁而言,其平面控制测量的等级要求见附表1。
平面控制测量等级表附表1
等级
公路线路控制测量
桥梁桥位控制测量
隧道洞外控制测量
三等三角、导线
2000~5000m特大桥
4000~6000m特长隧道
四等三角、导线
1000~2000m特大桥
2000~4000m特长隧道
一级小三角、导线
高速公路、一级公路
500~1000m特大桥
1000~2000m特长隧道
3、Excel表格的建立
打开Excel工作簿,在sheet1中建立观测角度的平差表格,见附表2;在sheet2中建立导线的计算表格,见附表3。
附合、闭合导线角度平差计算表附表2
附合、闭合导线计算表附表3
4、观测角度的平差计算
4.1原始数据的输入与处理
在附表4的B、C、D列中分别输入各个观测角度的度、分、秒;然后在E列中计算出各个观测角度的弧度值,具体的操作是在E7方格中输入公式=RADIANS(B7+C7/60+D7/3600)回车,即可得出第一个观测角度的弧度值,然后选中并复制E7,分别粘贴在E8、E9、E10、E11、E12、E13中即可。
附合、闭合导线角度平差计算表附表4
4.2角度闭合差的计算及分配
4.2.1角度闭合差的计算
角度闭合差的计算分附合和闭合导线两种情况:
(1)附合导线角度闭合差的计算:
附图1所示为附合导线,其闭合差计算公式为:
fβ=T0+[βi]1n+1-n×180-Tn+1(n为推算坐标方位角时正反坐标方位角的转换次数,β为导线左角)。
附图1:
附合导线平面布置图
(2)闭合导线角度闭合差的计算:
附图2所示为闭合导线,其闭合差计算公式为:
fβ=[βi]1n-(n-2)×180(n为观测角个数,β为闭合导线内角)。
在Excel中,附图1附合导线的例子,首先要计算出β角的总和,在E19中输入=SUM(E7:
E13)
附图2:
闭合导线平面布置图
按回车键,然后求fβ,在E21中输入=E18+E16-6×PI()-E19按回车键即可;计算闭合导线也如附合导线的计算步骤,只需要把表格稍做改动即可。
角度闭合差的容许误差,不同导线其要求不同的,其各项主要技术要求见附表5。
导线测量的主要技术要求表附表5
等级
导线长度
km
导线
边长
km
测角
中误差
(″)
测距
中误差mm
测距相对中误差
测回数
方位角闭合差
(″)
相对闭合差
DJ1
DJ2
DJ6
三等
14
3
±1.8
20
≤1/150000
6
10
-
3.6
≤1/55000
四等
9
1.5
±2.5
18
≤1/80000
4
6
-
5
≤1/35000
一级
4
0.5
±5
15
≤1/30000
-
2
4
10
≤1/15000
在一级导线中,角度闭合差的容许误差为:
fβ容=±10
(n为测站数);在上述算例的表格G21中输入=RADIANS(0+0+10/3600)×POWER(7,0.5)回车即可求出所计算导线的角度闭合差容许误差。
4.2.2角度闭合差的分配及水平观测角的计算
附合导线角度闭合差的分配如上例所示为:
(n为推算坐标方位角时正反坐标方位角的转换次数),即在的F7中输入=-$E$21/7回车即可,选中并复制F7,然后将其依次粘贴在F8、F9、F10、F11、F12、F13中;闭合导线中角度闭合差的分配为:
(n为观测角个数)。
4.2.3水平角的计算
在G7中输入=E7+F7然后回车,选中并复制G7,然后依次粘贴在G8、G9、G10、G11、G12、G13中即可。
5、导线坐标的计算
5.1导线方位角的计算
以平行于纵坐标轴(坐标纵线)的方向为基本方向的方位角,称为坐标方位角,它是以x轴正方向为起算方向,见附图3。
从附图3中可知:
α1,2=α2,1-1800或α2,1=α1,2+1800,即一直线的正、反方位角相差±1800。
在由已知方位角求未知方位角时:
α未知=α已知±β,水平角β前的加减号依如下规律而定:
由α已知按顺时针方向经过β角到达α未知时取“+”,逆时针时取“-”。
附图3:
坐标方位图
在Excel中将sheet1中平差后的水平角依次复制到sheet2表格B列中,然后根据方位角的计算公式求解每条边的方位角,而且要保证每条边的方位角都在0~6.283185307之间。
在C9中输入公式=C7+B8-2×PI()回车;
在C11中输入公式=C9+B10+PI()回车;
在C13中输入公式=C11+B12-PI()回车;
在C15中输入公式=C13+B14-PI()回车;
在C17中输入公式=C15+B16-PI()回车;
在C19中输入公式=C17+B18-PI()回车;
在C21中输入公式=C19+B20-PI()回车;
即可求出每条导线边的方位角。
5.2坐标的计算
导线测量的最终目的是要获得各导线点的平面直角坐标,在内业计算时候的原始数据是观测的角度和边长。
根据观测数据将边长依次输到sheet2中表格的D列的D9、D11、D13、D15、D17、D19中,然后在D30中输入=SUM(D9,D11,D13,D15,D17,D19)回车计算出∑D,导线坐标的计算公式为:
XAB=XA+△X=XA+D×cosαAB;YAB=YA+△Y=YA+D×sinαAB。
式子中的D为A、B之间的边长,αAB为从A到B的方位角;其计算表格见附表6。
5.2.1求导线点纵坐标X
(1)在如下表中E列求△X
E9中输入公式=D9×COS(C9)回车;
E11中输入公式=D11×COS(C11)回车;
E13中输入公式=D13×COS(C13)回车;
E15中输入公式=D15×COS(C15)回车;
E17中输入公式=D17×COS(C17)回车;
E19中输入公式=D19×COS(C19)回车。
(2)求∑△X
在E30中输入=SUM(E9,E11,E13,E15,E17,E19)并回车。
(3)求fX
在F31中输入=E30-(G20-G8)并回车。
(4)在F列中求纵坐标的改正值
F9中输入公式=-$F$31/$D$30×D9回车;
F11中输入公式=-$F$31/$D$30×D11回车;
F13中输入公式=-$F$31/$D$30×D13回车;
F15中输入公式=-$F$31/$D$30×D15回车;
F17中输入公式=-$F$31/$D$30×D17回车;
F19中输入公式=-$F$31/$D$30×D19回车。
附合、闭合导线计算表附表6
(5)求改正值的总和
在F30中输入=SUM(F9,F11,F13,F15,F17,F19)并回车。
(6)在G列中求纵坐标值
G10中输入=G8+E9+F9回车,然后选中并复制G10分别粘贴在G12、G14、G16、G18中即可。
5.2.2求导线点横坐标Y
(1)在H列求△Y
H9中输入公式=D9×SIN(C9)回车;
H11中输入公式=D11×SIN(C11)回车;
H13中输入公式=D13×SIN(C13)回车;
H15中输入公式=D15×SIN(C15)回车;
H17中输入公式=D17×SIN(C17)回车;
H19中输入公式=D19×SIN(C19)回车。
(2)求∑△Y
在H30中输入=SUM(H9,H11,H13,H15,H17,H19)并回车。
(3)求fY
在I31中输入=H30-(J20-J8)并回车。
(4)在H列中求横坐标的改正值
H9中输入公式=-$F$31/$D$30×D9回车;
H11中输入公式=-$F$31/$D$30×D11回车;
H13中输入公式=-$F$31/$D$30×D13回车;
H15中输入公式=-$F$31/$D$30×D15回车;
H17中输入公式=-$F$31/$D$30×D17回车;
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