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浅析RTK在线路勘测中关于转换参数问题

北极星电力网技术频道    作者:黄 杰   2012/5/3 14:03:47   

 关键词:  RTK 线路勘测 转换参数

一. 引言

GPS RTK(Real Time Kinematic)定位系统是基于载波相位观测值的实时动态差分技术发展而来的,它能够实时地提供测点在指定坐标系中的三维定位结果,并达到厘米级精度。基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站接收GPS卫星和基准站发射的数据,将两者进行差分处理,求解出基准站和流动站在WGS-84参考椭球体下的相对位置关系,然后通过WGS-84坐标系和地方坐标系之间的转换参数,将WGS-84坐标系下的成果转换到地方坐标系中。因而,获得WGS-84坐标系和地方坐标系之间的转换参数是RTK测量中的必要条件之一。鉴于高压线路勘测的特点,这里浅析在线路应用中关于求取转换参数的相关问题。

二. 地方坐标转换参数的原理

WGS-84坐标系与地方坐标系(1980国家坐标系、1954北京坐标系或各地独立的地方坐标系)或工程坐标之间的转换大概分为校正参数、一步法、经典三维(七参数) 和拟合参数等方法,按照原理可分为三维转换和平面加高程转换两种模式。

三维转换模式是在空间直角坐标系下进行的,大多采用bursa-wolf模型,可分为七参数以及简化的三参数方法,七参数转换模型比较严密,适合于大区域,如30-50km。简化的三参数方法适合于小区域,10km以内。平面加高程转换模式是将平面转换和高程转换分别进行,这种方式易于实现,也适合于小区域。平面加高程转换模式中平面转换参数通常包括平移参数( , )、尺度参数 和旋转参数 。由于WGS-84坐标系数据可以用空间直角坐标、大地坐标、平面直角坐标等形式表示,对于不同表示形式的起算数据,尺度参数和旋转参数代表的含义只是会有所不同。

三. 在线路勘测中通常使用的求取参数的方法

RTK在输电线路中的应用主要用于定线,定位,直线桩位及塔位的放样,另外还有平断面的测量。GPS所能直接提供的数据形式就是坐标,RTK最主要的两大功能就是实时测图和工程放样,我们所用的基本都是放样功能。对于平断面测量时也同样是利用放样直线功能记录下每个地物的点坐标,利用事先约定的点标识来区别不同的地物;也可以利用同样的方法测量塔位地形图。RTK技术应用到输电路的必然与其特点密切相关:对于线路中的相邻的转角之间要比较高的精度要求,在同一耐张段所有杆位桩的精度在技术规程里要求<180°±1′的偏角值。故在线路勘测中相邻控制点之间相对精度要求比较高,才能满足线路定位要求。那么只有求取高质量的可应用于本工程区域的转换参数是首要的质量保证。

1. 获取参数方法通常有以下三种

①、同时有地方坐标和WGS-84坐标的两种成果。工程附近区域有符合起算精度要求的高等级控制点,这些点同时又具有统一的约束平差后的WGS-84坐标,利用我们前面说到的三维转换和平面加高程转换来计算得出转换参数,但前提是这些点的WGS-84坐标必须有精确的相对位置关系。

②、如果高等级控制点没有对应WGS-84坐标,或者点比较少。这时我们要根据实地情况做GPS加密的控制测量,将静态数据进行整体网统一平差,给出相对精度准确的WGS84坐标和地方坐标再求解参数。

③、RTK方式直接测取WGS-84坐标以转换。只有地方坐标成果,可以在一个开阔位置较高地方设GPS基站,以基准站为起算位置(这个起算位置的坐标由GPS接收机观测确定,是一个精度有限的大地坐标,但它不影响RTK观测的相对位置关系),确定各控制点之间相对精确的位置关系,并实时测定WGS84大地坐标。该方法具体实施时可能会遇到难处,比如控制点的距离太远,而RTK的作用距离有限。

在惠州龙门勘测220kV仰天至昆山线路定测中利用以上第1、3 种方法建立坐标系,同样测量了10控制点,其检测结果见表1。

表1 RTK测量重合点检测表

需要说明的是,上面三种情况中,不管是那一种情况,控制点的地方坐标必须是相对准确的,同时控制点的大地坐标也应该是相对准确的。静态数据平差得到的大地坐标,不能同RTK实时观测的大地坐标混合在一起来求地方坐标转换参数,因为他们起算的基准可能不一样。另外,如果有两个静态控制网,没有进行统一平差,分别给出的大地坐标,也可能不能混合在一起来求地方坐标转换参数,因为一个网中的点和另一个网中的点的大地坐标,其位置关系可能不准确。对于WGS84坐标,我们应该保留至少十万分之一秒。

2.起算控制点的数量、分布及精度都对求取参数的影响

①、控制点的数量应足够。一般来讲,平面控制应至少三个(如果是两个我们可以采用求取参数的第二种方法),高程控制应视线路方向地形地貌条件,山地起伏,数量要求会更多(比如4个或以上)以确保拟合精度要求。

②、 控制点的控制范围和分布的合理性。控制范围应以能够覆盖线路沿线工区为原则,一般情况下,相邻控制点之间的距离在1km~5km,所谓分布的合理性主要是指控制点分布的均匀性,控制点网形基本能覆盖施测的线路沿线区域,不能偏离太远。当然控制点是越多越好。

某线路工程起算共有四个比较均匀同等精度已知点组成。取其中3个和4个采用三参数法求得不同坐标转换参数,分别测得线路转角桩的成果。可以看出对于分布在已知点构成的网形周围越近的区域高程较差越小,越偏离于网形之外越远较差越大,而对于平面影响则比较小。

表2 起算点数量不同的观测成果比较

③、控制点之间应具备相互位置关系精确的WGS84大地坐标BLH和地方坐标XYZ,以确保转换关系的正确性,也保证在施放线路同一耐张段的直线塔位的过程中,因摆设不同基准站而对流动站放样造成精度影响。

四. 转换参数在线路工程中的误差来源及措施

1、采用GPS RTK放样定线,其成果精度及质量主要取决于:其一是GPS的测量误差,其二是坐标转换带来的误差。对于使用Trimble GPS,前者在实时测量时可以从手簿上看得到(H RMS 和 V RMS);对于坐标转换误差来说,又可能有两个误差源,一是投影带来的误差,二是已知点误差的传递。Trimble 5800的RTK控制软件所采用的投影为抵偿投影(中央子午线为基准站所在点的经度,投影面可选为测区平均高程面),所以,可以忽略投影误差,只需考虑已知点误差的影响。

当平面已知点为三个以上时,计算转换七参数(或四参数)的同时会给出转换参数的残差(北方向分量和东方向分量。值得注意的是,如果此时发现转换参数中误差比较大(比如,大于5cm),而在采集点时实时显示的测量误差在标称精度范围之内,则可以判定是已知点的问题,有可能已知点的精度不够,也有可能已知点的分布不均匀。当平面已知点只有两个时,则只能满足计算坐标转换四参数的必要条件,无多余条件,也就不能给出坐标转换的精度评定。此时,可以从以下方面入手检验坐标转换的精度,一是看转换参数之一----尺度比ρ,该值理想值为1,如果发现ρ偏离1较多(比如: |ρ-1|≧1/40000,超出了工程精度),则在保证GPS测量精度满足要求的情况下,可判定已知点有问题。

在RTK线路测量坐标转换转换参数时,一般情况下,对于范围小于100平方公里的区域采用三参数法,大于100平方公里的区域采用七参数法。这期间待测点坐标的精度存在着坐标转换的损失,与控制点的精度和分布有关。如果选取的已知点精度高、分布均匀且能覆盖整个测区,可较好的控制转换参数引起的精度损失。

五. 结束语

在测量工作中参数转换工作是影响工程质量的一个重要环节。在作业前收集测区的控制点的详细情况,如中央子午线、整体精度情况等,网形的设计决定参数的可靠性,而网形的设计又受限于所收集的控制点,故收集尽量多的控制点也是必要的。再者是选择转换参数的方法的选取也是根据所收集的控制点情况。但在实际工程初设中不管测量工作遇到的是那种情况,区域性的地方转换参数,总可以利用点校正来求取。点校正的方法在实践中是可靠的。点校正必须知道每个控制点的WGS84坐标和地方坐标。点校正的广泛应用,在于它有以下几个显著的特点: ⑴点校正可以为RTK测量提高平面精度; ⑵ 点校正可以检验控制点的平面相对精度和高程相对精度;⑶足够的点参与点校正,RTK就可以进行高程测量;⑷点校正可以求取区域地方坐标转换参数;

参考文献:

[1] 徐绍铨, 张华海, 杨志强等. GPS 测量原理及应用[ M] . 武汉: 武汉测绘科技大学出版社,1998 .

[2] 《35kV~220kV架空线路测量技术规程》 (DL/T5146-2001)

[3] 顾胜东、刘长义.浅谈GPS RTK转换参数对平面精度的影响. 山西建筑,100926825 (2008) 1420359202

来源:中国有色金属工业长沙勘察设计研究院珠海分院
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