GPS技术在水电工程中的应用及展望

20世纪90年代初，美国的全球定位系统（GPS）投入了运行，90年代中期，俄罗斯的GLONASS系统完成构建，从而为开创现代卫星定位技术打下了基础。就测绘领域而言，卫星定位技术的应用，不仅使测绘学科本身发生了根本性变革，而且对许多相关学科的发展也起着重要的推动作甩GPS主要由空间星座、地面监控和用户设备等3部分组成GPS的空间星座部分的24颗卫星基本上均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面相对赤道平面的倾角为55*各轨道平面之间的交角为60*每个轨道平面内的卫星相差90*任一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30*每颗卫星每天约有5h在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而不同，可为4颗~11颗GPS的地面监控部分目前主要由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星检测站、主控站和信息注入站GPS的空间星座部分和地面监控部分是用户应用该系统进行导航和定位的基础，均由美国所控制。GPS的用户设备部分主要由接收机硬件和处理软件组成用户通过用户设备接收GPS卫星信号，经信号处理而获得用户位置、速度等信息，*终实现利用GPS进行定位、对时或导航的目的GPS技术相比于传统的测绘作业及方法，有着显著的特点和优越性它不受天气的干扰，点位间可以互不通视，容易实施很长距离的精确定位，有实时测量功能，可以对动态物体进行监测；具备良好的自动化和集成性能，特别适用于进行动态和静态安全监测以及在较大工程区域内满足现代施工所需的复杂测量工作其优越的工作性能及广泛的适应性，是常规测量作业难以比拟的。当然，GPS技术也有不足之处，它要求测点所处的天空应具备良好的敞开度，才能确保接收到4颗以上卫星的、图形较好的卫星信号为了进一步提高定位精度和扩大GPS技术的应用领域，广大科技工作者及测量人员多年来进行了不懈的努力和潜心研究，取得了可喜的成果。从早期的卫星定轨理论、受摄状态运动方程的解算、相位差分处理技术整周模糊度的解算、卫星定位的各种误差分析及处理等方面的研究成果，直至近期在信号抗干扰和克服多路径效应、精密动态定位处理技术实时自动定位系统、一机多天线技术、精密GPS处理软件、电磁波大气折射模型等方面的研究成果，使GPS技术在精度、可靠性以及不良环境条件下正常工作的适应性均有显著提高。现有测量成果表明，GPS平面定位的精度达到±于安全监测的相对定位精度可以达到±1mm于是，不仅从根本上改变了人们对GPS技术应用初期的一些误解和不必要的疑虑，而且对进一步推广该技术在各领域的应用起着十分重要的作甩1GPS技术的近期进展进一步提高GPS定位的精度和自动化集成化程度，为现代工程建设服务，是GPS技术发展的一个重要方向从近期来看，应用于各种工程建设的GPS技术的进展主要有如下一些方面。

1.1接收机（仪器）方面的进展各种型号的精密测地型GPS大量投入使用，早期单频的GPS接收机普遍更新换代，进一步提高了定位精度，在精密测量作业中日益发挥着重要作用。

例如，在南京长江第二大桥和润扬长江大桥以ASHTECHZ12建立的GPS首级平面控制网，*弱点位中误差小于±20mm，并采用TC2003全站仪于±3mm浙江省**测绘院采用Trimble5700GPS完成的杭州湾大桥工程首级GPS控制网，以M0.2<10-6mm）进行3条边的比测，误差为±1mmT由此可见，新型接收机在质量和精度方面有显著提高，为今后各种精密工程测量提供了保证。1.2信号和数据处理技术方面的进展与GPS技术应用初期相比，近期GPS信号后处理技术有很大进展，对进一步提高GPS的定位精度起着关键作甩精密解算软件的应用。通常，GPS接收机的随机处理软件比较粗略，在较大范围定位数据的解算中，精度较差，难以满足高精度的要求而己经问世、使用的精密解算软件，例如Gamit等，利用精密星历、精确的电磁波大气折射改正模型，进行多次差分处理，并顾及各种微小量的改正等，使基线向量的解算达到了1CT7~1CT8的高精度。为减弱多路径效应及克服信号干扰，采用有专门防护罩的扼流圈天线，并研究小波分析处理技术扼流圈天线的防护罩可以有效地反射杂散的电磁波信号，确保接收由卫星直接发射的信息，使定位测量中由于接收天线邻近水面和构筑体等不良环境条件引起的反射信号干扰的影响得到有效的控制此外，为了克服卫星电磁波信号传输中受周围环境存在的较强电磁场产生的杂散信号干扰，研究了对卫星接收信号的小波分解和重组，把低频有用信息和高频信息分离，并对高频信息进行阈值滤波，剔除杂散有害的高频干扰，然后重组和恢复信号，从而消除附加在卫星接收信号上的干扰小波分析处理技术在利用GPS进行大坝安全监测工作中是非常有用的，对进一步提高GPS定位精度有显著的作用。这是因为通常的坝区上空覆盖有较密的高压输电网络，形成固有的电磁场区域此外，大坝上、下游库水面和两岸较陡峻的山坡面及覆盖物等环境条件，对卫星接收信号的多路径干扰难以估计和控制。进一步提纯卫星接收信号，排除干扰信息，为GPS技术应用于大坝安全监测创造了条件。为了保证GPS网的质量，控制网的优化也很重要。需要确定所观测卫星构成的图形时段控制网形等，提高基线的精度，实现GPS控制网的优化为了克服和消除GPS控制网可能存在的比例尺度误差并有效地提高精度，在GPS控制网中加测一定数量的精密边长（用M5000或TC2003观测），采用适宜的平差模型，可以有效地提高GPS控制网的精度GPS测量与精密测距仪测边的比例尺度误差有时是较显著的，产生的原因比较复杂，且由多方面因素造成在利用GPS精密测量时，这个问题必须引起注意。通常，大坝安全监测、高边坡及滑坡监测的测点很多，由于每个监测点上都需要安装GPS接收机，使得工程监测费用太高针对此不足，己研制和开发了一机多天线的GPS监测系统，通过微波开关切换技术，经光纤传输，利用1台接收机测控多达10台以上的天线，从而大大降低了工程费甩一机多天线系统还十分有利于高边坡、滑坡体的监测许多大坝的近坝区存在滑坡，为了找到稳定点作为基准，通常采用跨越宽阔水面的对岸观测，有些观测距离长达几千米，不仅观测精度很低，而且每次观测中设置棱镜及照准标志困难造价低的GPS一机多天线系统对于解决高边坡及库区滑坡体的监测具有很好的应用潜力1.4GPS水准高程异常模型的研究由GPS高程获得的是大地高，而各种工程使用的是正常高此外，由于地球表面重力异常的影响，使大地水准面十分复杂，大地高和正常高产生的高程异常值X，将因各点位置的不同而发生变化因此，GPS定位测得的高程不能直接应用于工程中。9基澈向量―密解算和KS癀制网的优Msh*还研究了对建模观测量的异常值检fk对建bookmark1为了解决此问题，不少学者进行了这方面的研究在工程建设区域，由于涉及范围较小，局地的高程异常变化可以由较简便的数学模型精确地表达例如中，作者研究了以二次曲面模型、二次差值模型、神经网络模型建立工程建设区域的高程异常模型。此外，为了使所建模型表述该区域高程异常变化情况更为贴切和推估未知点精度较高，模数据的诊断，不仅确保了模型的优化，还显著地提高了模型推估的精度研究成果表明，以此建立的工程区域范围高程异常模型的精度可以达到±±2mm，从而为GPS高程在工程建设中的直接应用创造了良好的条件。2GPS技术在水电工程中的应用GPS技术在我国水电工程建设中己获得了一些应用。但是，更深层次的开发和推广尚有待进一步开展，主要原因是水电工程特有的地形及环境条件，例如工程区域常位于深山峡谷，对可见卫星信号的接收有困难，以及对GPS定位精度存有疑虑、对目前GPS技术的进展了解不够等。从目前GPS定位精度来看，通过采用必要的数据处理技术，定位精度达至1」±1以1~±2是不困难的因此，只要环境条件允许，在水电工程中积极推广GPS技术，对促进我国水电事业的发展将有积极意义。2.1GPS实时施工测控系统在三峡大坝早期围堰合拢时，GPS实时测量技术曾在合拢口的形态和水文特性的测量中得到应用。其实，GPS在水电工程中的应用可以发挥更大的作用。大型水电工程施工场面很大，构筑物繁多。因此，传统的施工测量作业任务重，内容复杂，需要一支较大的队伍承担此任务通常，施工测量必须建立多级控制网，逐级布设的控制网精度损失严重，受各种构筑物建设环节及位置所限，布网较困难此外，控制网定期检查和复测的工作量也很大利用GPS实时相位差分技术（RTK），通常在几分钟内就很容易达到±10mmr*20mm的定位精度，完全可以满足水工建筑物施工放样的精度要求因此，在环境条件允许时，大型水电工程建设中应该采用GPS实时施工测控系统在整个施工区域内，选定2个~3个GPS固定点作为施测系统的基准点，施工期内进行连续观测，以GPS流动站测放各构筑物部位固定站和流动站间通过无线电通信，以达到精确、实时、快速放样的目的相比于常规的施工测量方法，GPS实时测控系统的建立将显著地改变长期沿袭的施工测量技术精度更均匀、实时快速、使用方便、控制面积更大、施测更灵活、不受通视条件所限的GPS测量系统，可以很方便地完成绝大部分施工平面定位工作。在定法，30min观测时段的定位精度可以达到±±3mm，满足较高精度要求的一些重要部位施工放样的需要。此外，为了解决施工放样的高程精度要求，可以预先施测一些精密水准点，并对这些点进行GPS观测，利用目前GPS水准拟合方法，建立施工区域GPS水准的高程异常模型，实现水电工程施工中用GPS实时测控系统较精确地测放三维坐标。23GPS大坝安全监测系统在大坝安全监测中，GPS技术应用较少，是一个比较薄弱的环节和值得进一步推广应用的领域通常，坝体安全监测的精度要求士这种精度实际上是相对精度（观测变形值的精度）以引张线为例，坝体各测点的变形是两期测得的以引张线基点为标准或倒垂为标准）的偏离值之差。其实，由于坝高、蓄水高程变化以及倒垂锚块埋设深度等多种因素的影响，坝体观测的基准点在不断变化，有时甚至是比较显著的，只是通常不易被人们测出而己此外，现代的一些大坝，通常坝高达200多m，坝型为拱型或双曲拱型。为了加强变形较灵敏的坝顶部位的监测，通常是采用倒垂连接分段正垂线的方法进行。这里存在倒垂埋设深度的问题据，通常倒垂埋设为坝高的3/4以上才有可能使倒垂锚固点因蓄水而产生的变化小于士0.5mm~士1.0mm技此结果分析，对于200多m高的大坝，倒垂的深度应达到200m，这不仅使倒垂钻孔有很大难度，造价十分高，而且，当垂线很长时，为了减弱垂线本身的复位误差，要求浮体很大，从而进一步降低了垂线的灵敏度可以估计，这种深度的倒垂，当考虑锚块本身的稳定性时，其观测精度不可能优于士1mm此外，再考虑正垂联测到坝顶的误差，将使整个监测系统的精度降得很低在固定测站的GPS观测中，GPS相对测量的精度可达到优于士1mm因此，对于现代的高坝曲线型大坝，建立坝顶GPS观测系统是有利的。3结语GPS技术发展到今天，己是一种具有高精度的成熟技术随着广大研究和测量工作者的不懈努力，可以展望将获得更深层次的发展进一步推广和拓展该项技术在水电工程建设中的应用，将有利于我国水电事业的发展