多种GPS测量手段在施工前期的应用

多种GPS测量手段在施工前期的应用

张世涛孟志河刘加收

张世涛孟志河刘加收（中国石油天然气华东勘察设计研究院）

摘要：本文以阿尔及利亚OCTOUAT油田阿德拉SORALCHIN炼油厂原油输送管线的GPS测量为例，对采用GPS测量定位技术建立测量控制网的布设、观测和数据处理，以及针对不同的工程要求合理采取不同GPS测量手段等进行了探讨，其结论具有一定的借鉴意义。

关键词：投影分带GPS控制网控制网平差GPS-RTK

1工程概况

阿尔及利亚SORALCHIN炼油厂是由中国和阿尔及利亚两国共同投资兴建的项目，设计年产量为60万吨。拟建管线总长度为114.85km，我们对线路沿中心线两侧各75m进行了带状地形图测量和线路中心桩的测放，以便为管线设计提供资料，为管线施工提供依据。为满足以上各项测绘工作，首先我们布设了覆盖整个管线区域的D级GPS控制网。

2D级GPS控制网的建立：

由于测区横跨0°子午线，分别位于3W和3E两个投影带内，为了方便设计和施工，统一测区坐标系统，建立了一个独立的坐标系统即“施工坐标系（3E+）”，其采用的椭球为Clark-1880椭球，中央子午线为3E，投影面为UTM投影，采用地面边长。高程为地中海高程系统，具体为平均海拔高（M.S.L.）。

2.1布设

2.1.1测区已有资料当地国家石油公司在测区附近有3个控制点，经检查精度满足要求，可作为该测区D级GPS控制网的起算点使用。本地区原来所采用的Clarke-1880平面坐标系统参数见下表：

2.1.2布网在已有的控制点基础上，按设计管线的转点桩布设,平均边长11.0km，全网共由18点组成，共布设同、异步环8个，有效基线26条。其中最长边为22.1km，最短边为2.6km，平均边长为11.0km。D级GPS控制点均埋设预制的混凝土标石并设有指示标牌。

2.2观测采用3台Trimble5700双频接收机进行同步GSP静态观测，观测前根据有关规范和星历预报认真编制了观测计划，保证观测基线的整周模糊度倍率因子在1.5以上；有效观测卫星数均大于4颗，数据采样率为10s；图形强度因子PDOP值小于6；观测时间为60min。观测前后各量取天线高一次至1mm，其较差均小于3mm，取平均数使用等。

3数据处理

3.1验算和平差计算D级GPS控制网的验算和平差计算均使用TGO1.6软件在微机上进行。外业观测数据按规范要求的项目进行全面检核,各项检核的限差如下:①同步环全长相对闭合差的限差:ω≤（3δ）/(5d)(ppm)；②异步环全长相对闭合差的限差:ω≤(9δ)/d(ppm)；③复测基线长度较差的限差:ds≤2δ(mm)。

平差计算首先在WGS-84坐标系内进行三维无约束平差，检查通过后用三个已知点在WGS-84坐标系内的三维坐标进行约束平差。D级GPS控制网平差计算采用强制性约束平差，即所有的起算数据均作为固定值参与平差，忽略起算数据的误差。平差后的精度情况见下表3.1.2：

3.2数据转换D级GPS控制网在WGS-84坐标系下进行约束平差后，在经过鉴定过的TGO1.6软件下进行了如下数据的转换：

3.2.1WGS-84坐标向Clark-1880坐标系统的转换将D级GPS控制网的WGS-84坐标成果转换成Clark-1880椭球上，中央子午线为东3°（3E）的坐标成果。该坐标的转换使用了原GPS控制网提供的转换参数（三参数）进行坐标成果的转换，从结果可以看出该控制网与原有成果的三点即OGM3-2、FPF2-2、CPF1的坐标成果吻合的较好，点位位移均在2·5=±14.1（cm）以内，说明该D级GPS控制网精度可靠。FPF1-B点位位移较大说明该点发生变动或原坐标成果有误，舍弃不用。

3.2.2施工坐标系统(3E+)的确定由于该测区位于经度0°附近，横跨0°子午线，分别位于3W和3E两个投影带内。如果在设计和施工中采用两个投影带的坐标系统，则由于两个投影带的坐标不统一，会给设计和施工带来许多不便。因此，为了方便设计和施工，我们根据业主的批复要求，结合现场的实际情况，采用了统一的测区坐标系统即施工坐标系统(3E+)。施工坐标系统(3E+)实际上是一个独立的坐标系统。采用的椭球为Clark-1880椭球，中央子午线为东3°带(3E)，投影面为UTM投影，采用地面边长。

在测区中，距东3°带（3E）中央子午线的最远处（测区边沿）为Ymax=-310km，测区的平均高程为Hm=350m，测区平均曲率半径R=6378249m。根据观测边长归算到参考椭球面上和观测边长投影到平面上的改正公式计算，每公里的投影变形较大，为了检核外业观测边长和坐标反算边长的差距，我们在该测区的东部和西部分别施测了4条边(总计8条边)进行了坐标反算边长和施测边长的比较。根据坐标反算边长和实测边长的反复计算比较，最后确定该测区最理想的边长改正系数为0.999515。

为了减少投影变形的影响，又确保施工坐标成果尽量和原有成果接近，在确定施工坐标系时，进行了坐标的平移和边长的投影改正。在将公共点从WGS-84坐标转换到施工坐标系（3E+）成果时进行了常数设定。

最终我们将实测边长和坐标反算边长的较差算得的相对精度均在1/5000以上，满足了施工的要求。

3.2.3WGS-84坐标系统与施工坐标系统(3E+)转换参数的求解根据测区内已有的D级GPS控制点在WGS-84坐标系中的三维坐标和施工坐标系（3E+）中的三维坐标，进行基准转换参数（七参数）的解算。选取D41、GX11、CPF1、FPF2-2、FPF1-B五个D级GPS控制点作为求解七参数的基准点，利用TGO1.6软件中的GPS点校正功能求解出基准转换参数，基准转换参数的求解

4管线中线桩放样测量

4.1外业放样测量管线中线桩的放样采用Trmble5700GPS-RTK双频接收机放样，作业模式为1+2。

GPS-RTK实时动态测量系统由三部分组成：GPS信号接收部分（即GPS传感器及天线）、实时数据传输部分（即数据链，俗称电台）和实时数据处理部分（即GPS控制器及其内装的实时数据处理软件）。

观测前首先将预先求得的七参数、已知点坐标和精度要求输入流动站终端（手簿）内；观测时，将安装有卫星接收天线安置好，当流动站终端（手簿）上显示的点位中误差符合要求后进行坐标数据的存贮，然后迁至下一站。为确保点的精度，在作业的过程中每个基准站均联测了2个（含重复点）以上的D级GPS控制点，以便于检测。该测区检测D级GPS控制点的精度情况见下表4。放样点的精度为±0.05m，基准站到放样点的距离最大为7.0km，管线中线桩的坐标在管线走向图上求取（原则上每200m一点，当地形有起伏时适当加密。最终管线中线桩为平坦地区100m一点，地形起伏地区25m一点）。为便于后续测图，在放样中线桩的同时用GPS-RTK的方法施测了中线桩点位的高程（这样中线桩就可以作为图根点使用），图根控制点的平面坐标和高程成果取值精确至0.01m。

参考站到流动站的距离一般不超过7km，最大为9.0km。

4.2数据处理外业观测结束后，将流动站终端（手簿）中采集的数据传送到“TGO1.6软件”数据处理器中，然后按自定义格式分别进行三种坐标成果的输出：①施工坐标系（3E+）坐标成果的输出；②UTM31坐标成果的输出；③UTM30坐标成果的输出。

5结论

①从以上情况可知，该控制网质量可靠、精度优良，完全能够满足今后长距离输油管线的设计及施工的要求。②当采用GPS定位技术建立测量控制网时，对于同一地区的GPS控制网(含基准网和新布设网)，当基准网自身的内部符合精度不好时，宜对新布设网作独立网平差，这样能保证新布设网的结构不会受到基准网的扭曲影响。③对于长距离输油管线等跨度大的工程，控制测量时投影带要合理选取，以便保证整个测区内系统的一致性。④采用GPS定位技术建立测量控制网，精度高，速度快，而且受时间限制性小。不同精度等级的GPS测量模式要结合实际情况灵活选用。当测区面积较大及精度要求毫米级时应采用静态GPS测量；当测区面积较小精度要求厘米级时应采用动态GPS-RTK测量；当现场约束条件合适需要时，还可结合采用静态和动态GPS及全站仪等其他有效手段来提高项目管理的综合效益。

参考文献：

[1]刘大杰，施一民，过静捃.全球定位系统（GPS）的原理与数据处理同济大学出版社.1996.8.

[2]控制测量学（上、下册）.武汉测绘出版社.测量平差教程.游祖吉，樊功瑜.测绘出版社.1991.5.

[3]测量数据分析.吴世功，牛林山编译.北京：国防工业出版社.1988.8.

[4]国家技术监督局颁布.全球定位系统（GPS）测量规范(GB/T18314-2

001).中国标准出版社.2001.