金 星

GRPS與GPS RTK在肥東縣小水庫除險(xiǎn)加固測(cè)量中的應(yīng)用

金 星

一、引言

GPRS (GeneralPacketRadio Service)是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱，是在現(xiàn)有GSM（Global System for Mobile communications）系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，它充分利用了現(xiàn)有GSM系統(tǒng)的無線結(jié)構(gòu)，在GSM無線網(wǎng)絡(luò)中增加數(shù)據(jù)處理單元等形成了無線系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)平臺(tái)，充分體現(xiàn)了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與無線業(yè)務(wù)的融合。GPRS允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源。從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。其理論可達(dá)171.2kb/s，實(shí)際應(yīng)用帶寬大約在10～70kb/s，具有“永遠(yuǎn)在線”、“高速傳輸”等優(yōu)點(diǎn)。目前全國幾乎各城市均有GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋，且按照流量計(jì)費(fèi)，且費(fèi)用低廉。利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸基站的數(shù)據(jù)，可以擴(kuò)大測(cè)量的范圍、提高效率。

二、系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

1.系統(tǒng)的構(gòu)成及RTK的定位原理

GPS RTK系統(tǒng)是由一個(gè)基準(zhǔn)站和若干個(gè)移動(dòng)站組成?；鶞?zhǔn)站由GPS天線、主機(jī)、GPRS網(wǎng)關(guān)服務(wù)器及系統(tǒng)管理軟件、電源等組成，移動(dòng)站由GPS天線、主機(jī)、電池、GPRS無線數(shù)據(jù)終端（WDT）組成。RTK的工作原理是將一臺(tái)接收機(jī)置于基準(zhǔn)站上，另一臺(tái)或幾臺(tái)接收機(jī)置于載體（稱為流動(dòng)站）上，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站同時(shí)接收同一時(shí)間、同一GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，基準(zhǔn)站所獲得的觀測(cè)值與已知位置信息進(jìn)行比較，得到GPS差分改正值。然后將這個(gè)改正值通過無線電數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)及時(shí)傳遞給共視衛(wèi)星的流動(dòng)站精化其GPS觀測(cè)值，從而得到經(jīng)差分改正后流動(dòng)站較準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)位置。

2.系統(tǒng)的工作原理

GPS移動(dòng)站的WDT通過GPRS網(wǎng)絡(luò)登錄到具有靜態(tài)IP地址的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，GPS基準(zhǔn)站主機(jī)通過Internet和GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)不斷地向網(wǎng)關(guān)服務(wù)器輸出標(biāo)準(zhǔn)格式的差分?jǐn)?shù)據(jù)系統(tǒng)管理軟件從基站服務(wù)器讀出差分?jǐn)?shù)據(jù)，再通過Internet和GPRS網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送到已登錄到基站服務(wù)器的移動(dòng)站W(wǎng)DT，WDT把接收到的差分?jǐn)?shù)據(jù)傳遞給移動(dòng)站主機(jī)，移動(dòng)站通過計(jì)算進(jìn)行實(shí)時(shí)精確定位。

三、應(yīng)用實(shí)例

2010年4 月，肥東縣實(shí)施14個(gè)小二型水庫除險(xiǎn)加固工程測(cè)量任務(wù)。

根據(jù)安全評(píng)估報(bào)告，列入本次除險(xiǎn)加固的水庫大多存在以下問題：

（1）水庫大壩干砌石護(hù)坡?lián)p壞，倒塌嚴(yán)重；

（2）正常溢洪道消力池沖毀，海漫、護(hù)坦未建，兩側(cè)翼墻開裂；

（3）非常溢洪道為土口；

（4）放水涵平涵開裂，進(jìn)出口墻損壞嚴(yán)重，出水部分未做；

（5）大壩腳下取土坑，塌方嚴(yán)重；

（6）水庫管理房破舊，已成危房，無觀測(cè)設(shè)施，無固定電話。

為確保水庫大壩安全，提高水庫防洪能力，發(fā)揮水庫應(yīng)有的效益，須對(duì)水庫進(jìn)行除險(xiǎn)加固。提供水庫樞紐工程1∶1000地形圖，每100m測(cè)一條橫斷面。

由于工程是在初步設(shè)計(jì)階段，小水庫在肥東縣內(nèi)分布廣泛且交通不便，所以在測(cè)量中采用GPRS技術(shù)最終取得了良好效果。接受此任務(wù)的測(cè)繪小組有3臺(tái)南方S86接收機(jī)，一般情況下采用1+2、電臺(tái)傳輸?shù)哪Ｊ绞褂?，每個(gè)測(cè)區(qū)均需臨時(shí)架設(shè)基準(zhǔn)站，且要多次搬移基準(zhǔn)站，作業(yè)效率和GPS接收機(jī)利用效率低。本工程在平面系統(tǒng)上使用假設(shè)坐標(biāo)，只要上圖到1∶50000圖上，可以使用GPS RTK進(jìn)行平面校正和高程擬合。由于GPS RTK最遠(yuǎn)的距離只有20km左右，無法滿足要求。GPRS沒有距離限制，只要能接收到手機(jī)信號(hào)的地方就能進(jìn)行GPS擬合。遂使用此方法進(jìn)行測(cè)區(qū)的平面和高程的擬合。

1.建立測(cè)區(qū)平面和高程控制網(wǎng)

平面系統(tǒng)：此平面系統(tǒng)采用任意直角坐標(biāo)系統(tǒng)，磁北方位角。因?yàn)樗鶞y(cè)的地形圖后期將放入1∶50000圖中，遂決定用兩個(gè)國家Ⅰ等三角點(diǎn)進(jìn)行平面的投影變換。

高程系統(tǒng)：進(jìn)行地形測(cè)量的14個(gè)?。?）型水庫，10座位于淮河流域，4座位于長(zhǎng)江流域，為保持與原規(guī)劃成果高程系統(tǒng)一致，位于長(zhǎng)江流域的水庫，高程系統(tǒng)采用吳淞零點(diǎn)，位于淮河流域的水庫，高程系統(tǒng)采用廢黃河零點(diǎn)。在利用RTK擬合高程時(shí)先把高程系統(tǒng)都換算到一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)中，由于此次測(cè)區(qū)大部分水庫是廢黃河零點(diǎn)，遂采用廢黃河高程對(duì)全區(qū)進(jìn)行擬合。在測(cè)量4個(gè)長(zhǎng)江流域的水庫時(shí)將高程換算為吳淞零點(diǎn)。

工程測(cè)量范圍內(nèi)四等以上高程點(diǎn)較多，且位置和精度分布均勻，本次高程控制測(cè)量方法采用GPS擬合。參與高程擬合參數(shù)校正的高程點(diǎn)應(yīng)較均勻的分布于測(cè)區(qū)的四周和中心，校正點(diǎn)間距宜不大于10km,且不少于6點(diǎn)。對(duì)GPS高程轉(zhuǎn)換參數(shù)和擬合的高程成果應(yīng)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)分布于測(cè)區(qū)內(nèi)具有代表性位置且不少于5點(diǎn)。

同組各標(biāo)石之間的高差用水準(zhǔn)儀復(fù)核測(cè)量，校差應(yīng)滿足規(guī)范要求，并用水準(zhǔn)測(cè)量高差的標(biāo)石高程進(jìn)行平差修正。

2.求取地方坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)

合理選擇控制網(wǎng)中已知的WGS84和北京54坐標(biāo)（或地方獨(dú)立網(wǎng)格坐標(biāo)）以及高程的公共點(diǎn)，求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，為RTK動(dòng)態(tài)測(cè)量做好準(zhǔn)備。此次測(cè)量高程很重要，選擇轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)要注意以下兩個(gè)問題：①高程擬合已知點(diǎn)要選測(cè)區(qū)四周及中心的控制點(diǎn)，均勻分布；②為提高轉(zhuǎn)化精度，最少用7個(gè)高程點(diǎn)，利用最小二乘法求解轉(zhuǎn)換參數(shù)。

3.外業(yè)操作

首先進(jìn)行儀器的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置：用隨機(jī)所附帶的串口線將主機(jī)和電腦進(jìn)行連接后對(duì)主機(jī)進(jìn)行設(shè)置，在主機(jī)正常開機(jī)后，按電源鍵（綠色），在主機(jī)液晶屏幕會(huì)顯示設(shè)置工作模式和模塊設(shè)置兩個(gè)界面，按F2，選擇進(jìn)入模塊設(shè)置界面，按F2，選擇GPRS網(wǎng)絡(luò)，按綠鍵確認(rèn)，主機(jī)會(huì)顯示“模塊配置模式，按任意鍵退出”，打開CM320-GTM900-VER2軟件，選擇合適的儀器類型（必須要一致）；選擇合適的通訊端口，要確定串口可以正常使用；網(wǎng)絡(luò)設(shè)置下面，在IP一欄先選擇“自定義”，輸入自己的服務(wù)器IP及端口號(hào)，如果是用基站直接做發(fā)射端，須掛廣州的服務(wù)器，則輸入IP地址58.248.35.130，Port為6060，其他的不需設(shè)置；模式設(shè)置選擇合適的模式，如果是掛廣州的服務(wù)器則只要選擇默認(rèn)的EAGLE，本機(jī)機(jī)號(hào)欄輸入所調(diào)試主機(jī)自身的儀器編號(hào)，BASE編號(hào)如果主機(jī)是基準(zhǔn)站狀態(tài)則需要輸入自身的儀器編號(hào)，如果主機(jī)是移動(dòng)站狀態(tài)則需要輸入基準(zhǔn)站主機(jī)的儀器編號(hào)；輸入完畢后，點(diǎn)擊“打開串口”，系統(tǒng)出現(xiàn)端口打開后，點(diǎn)擊“設(shè)置”，系統(tǒng)會(huì)提示各個(gè)參數(shù)設(shè)置成功的提示。

然后就可以架基準(zhǔn)站、校已知點(diǎn)進(jìn)行外業(yè)地形圖測(cè)量了。本次基準(zhǔn)站架設(shè)在駐地二樓樓頂上，移動(dòng)站作業(yè)半徑30km左右。由于減少了基準(zhǔn)站的移動(dòng)，大大的提高了本次工程的作業(yè)效率。以測(cè)區(qū)中間的控制點(diǎn)校正，檢驗(yàn)了大部分已知點(diǎn)，成果比較見表1。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析,平面點(diǎn)位中誤差為±2.6cm，高程中誤差為±1.9cm，可滿足圖根控制測(cè)量、像控點(diǎn)聯(lián)測(cè)等一般工程的精度要求。

四、GPRS應(yīng)用效果及與原有RTK數(shù)傳電臺(tái)模式的比較

表1 GPS-RTK檢查點(diǎn)成果表

功耗方面，數(shù)傳電臺(tái)功耗和傳輸距離有密切關(guān)系，傳輸距離越遠(yuǎn)發(fā)射功率越大，傳輸超過10km發(fā)射功率一般條件下要大于15瓦，特別是高速數(shù)傳電臺(tái)，同時(shí)對(duì)電源要求很高。GPRS數(shù)傳終端功耗很小，一般發(fā)射平均功耗最大0.6瓦。對(duì)電源要求一般。

傳輸率方面，數(shù)傳電臺(tái)目前高速大多為9.6kb/s和19.2kb/s。GPRS實(shí)際可達(dá)10kb/s到172kb/s。

傳輸距離方面，數(shù)傳電臺(tái)傳輸距離與發(fā)射功率有關(guān)，一般作用距離8km左右。GPRS終端沒有距離限制，由網(wǎng)絡(luò)范圍限制。

耐用性和便利程度方面，用數(shù)傳電臺(tái)需要電臺(tái)、電瓶、發(fā)射天線等，設(shè)備繁瑣沉重、易損壞，操作不便。GPRS終端體積很小（例如手機(jī)）,設(shè)備簡(jiǎn)單、輕便、耐用、操作便利，電源也要求一般。

作業(yè)效率和GPS設(shè)備利用效率方面用數(shù)傳電臺(tái)因傳輸距離近．超過距離的不同作業(yè)區(qū)之間不能共用基站而分別設(shè)站，大多采用1+1模式，即1個(gè)基站帶1個(gè)移動(dòng)站，作業(yè)效率和GPS接收機(jī)利用效率低。而利用GPRS網(wǎng)絡(luò)因能夠一對(duì)多，可共用基站且固定，有效實(shí)現(xiàn)1+n模式，作業(yè)時(shí)不用臨時(shí)設(shè)基站，節(jié)省人力和設(shè)備投入，大大提高作業(yè)效率和GPS接收機(jī)利用效率。

五、結(jié)束語

1.RTK配合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不僅能達(dá)到較高的定位精度，而且大大提高了測(cè)量的工作效率，特別在分布廣泛的小水庫測(cè)量中，GRPS與GPS RTK的校正是效率較高的一種建立測(cè)區(qū)平面和高程控制網(wǎng)的方式，為水利水電GPS RTK測(cè)量提供了一個(gè)實(shí)時(shí)、快捷、經(jīng)濟(jì)和便利的新應(yīng)用模式。

2.通過工程應(yīng)用，GPRS網(wǎng)絡(luò)可以基本保證穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸，基本滿足GPS RTK作業(yè)的要求，但在邊遠(yuǎn)郊區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到無GPRS信號(hào)或少數(shù)信號(hào)弱的局部地區(qū)，存在不能作業(yè)的情況。側(cè)利用RTK架設(shè)外置電臺(tái)的方式作業(yè)，這樣的作業(yè)方式彌補(bǔ)了GPRS和RTK單獨(dú)作業(yè)的缺點(diǎn)，使測(cè)量工程順利完成。

3.由于測(cè)區(qū)范圍涉及江淮分水嶺，水庫有使用廢黃零點(diǎn)的也有使用吳淞零點(diǎn)的。在RTK高程擬合后應(yīng)在測(cè)量吳淞零點(diǎn)的水庫時(shí)將高程換算過來，以免造成不必要的錯(cuò)誤

安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院 233000）