GPS在風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用

1、 GPS技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)控制測(cè)量中的應(yīng)用Application of GPS Technology in control Surveying of Wind Energy Farm 毛克1 劉江龍1 劉永強(qiáng)2 趙玉明2 （內(nèi)蒙古電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院）Abstract: GPS Technology become to one of the main ideas which are used in Electric Power Surveying industry and wind power electric field Surveying, this article talk about desi

2、gn of control net , GPS data processing ，checking of the initial triangulation point and altitude control，research and attempt to resolve some key point of control survey in Wind Energy Farm.摘要： GPS技術(shù)已經(jīng)成為電力行業(yè)測(cè)量和風(fēng)電場(chǎng)測(cè)量主要采用的方式，本文就在控制網(wǎng)設(shè)計(jì)、GPS數(shù)據(jù)處理、起算點(diǎn)檢驗(yàn)以及高程控制等幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行討論，探討風(fēng)電場(chǎng)GPS控制測(cè)量要解決的幾個(gè)主要問(wèn)題。一、 引言隨著全球傳統(tǒng)化石能

3、源的日漸短缺，風(fēng)力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，我國(guó)也大力提倡發(fā)展風(fēng)電以滿足迫切的能源需求。由于風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)一般選擇在較為遼闊的高原地帶，而且風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)往往占地面積較大，而且迫切的需要高精度的基礎(chǔ)測(cè)繪資料來(lái)滿足風(fēng)力發(fā)電設(shè)計(jì)的需要，傳統(tǒng)的測(cè)量在大面積控制、測(cè)圖、施工放樣精度和效率往往比較低，這就為目前應(yīng)用日漸成熟的GPS技術(shù)在風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中發(fā)揮了不可替代的作用。本文重點(diǎn)就利用GPS技術(shù)在風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址前期的控制網(wǎng)建設(shè)以及數(shù)據(jù)處理、粗差探測(cè)等方面的應(yīng)用詳加探討，望與同行共同指正批評(píng)。二、 基準(zhǔn)設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)一般位于風(fēng)力資源較為豐富的高原地帶，這也就決定了風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的特殊性。為了滿足工程控制網(wǎng)的精度要求，滿足

4、測(cè)區(qū)內(nèi)投影所引起的長(zhǎng)度變形不大于2.5cm是建立或選擇平面坐標(biāo)系統(tǒng)的前提條件，因?yàn)槊壳组L(zhǎng)度變形為2.5cm時(shí)，即其相對(duì)中誤差為1/40000，這樣的長(zhǎng)度變形可以滿足大部分場(chǎng)區(qū)建設(shè)放樣測(cè)量精度不低于1/20000的要求。由概略公式: （為高程歸化值與高斯歸化值之和）可以得知工程采用投影至測(cè)區(qū)平均高程面上的高斯投影平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)是否滿足滿足規(guī)范要求。三、 GPS布網(wǎng)及施測(cè)設(shè)計(jì)GPS控制網(wǎng)的布設(shè)，既要考慮風(fēng)電場(chǎng)長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃的需要，又要考慮近期建設(shè)的需要，包括工程選址、控制點(diǎn)加密、數(shù)字化測(cè)圖、施工放樣、工程驗(yàn)收等，應(yīng)確保測(cè)量精度、效率高、費(fèi)用低的原則布設(shè)。GPS控制網(wǎng)的布設(shè)既不能制定過(guò)低而影響網(wǎng)的精度

5、要求，也沒(méi)有必要盲目的追求過(guò)高的精度造成不必要的經(jīng)濟(jì)支出。為了提高控制網(wǎng)的精度和實(shí)際需求，采用分級(jí)布設(shè)的方案，首級(jí)控制網(wǎng)采用C級(jí)GPS控制網(wǎng)，相鄰點(diǎn)平均間距約為5km左右，如下圖1：圖1觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度定于30分鐘60分鐘之間，具體時(shí)間取決與觀測(cè)時(shí)間段的星歷預(yù)報(bào)見(jiàn)圖2： 圖2 星歷預(yù)報(bào)圖例如2008年10月10日進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)，通過(guò)星歷預(yù)報(bào)圖可知在早晨8：40分至11：40分之間的觀測(cè)時(shí)段不佳，需要延長(zhǎng)，落在此時(shí)間區(qū)間內(nèi)的時(shí)段適當(dāng)順延至12點(diǎn)，保證外業(yè)的觀測(cè)效率。圖形布設(shè)為滿足C級(jí)GPS測(cè)量單站重復(fù)觀測(cè)1.6個(gè)時(shí)段的要求，采用網(wǎng)連式布設(shè)，見(jiàn)表一， 表一級(jí)別項(xiàng)目AAABCDE衛(wèi)星截至高度角101

6、015151515同時(shí)觀測(cè)有效衛(wèi)星數(shù)444444有效觀測(cè)衛(wèi)星總數(shù)20209644觀測(cè)時(shí)段數(shù)106421.61.6考慮到控制測(cè)量可采用的設(shè)備為四臺(tái)套Trimble5700GPS接收機(jī)，這種網(wǎng)型由獨(dú)立的同步三角形環(huán)或獨(dú)立的多邊形環(huán)構(gòu)成，根據(jù)經(jīng)典傳統(tǒng)測(cè)量可知，這種圖形的幾何結(jié)構(gòu)強(qiáng)，具有良好的自檢能力，既能夠有效地發(fā)現(xiàn)觀測(cè)成果的粗差，保障網(wǎng)的可靠性，同時(shí)經(jīng)平差后網(wǎng)中相鄰點(diǎn)間基線向量精度分布均勻。進(jìn)行GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)時(shí)，我們經(jīng)常采用效率指標(biāo)來(lái)衡量某種網(wǎng)設(shè)計(jì)方案的效率，以及在采用某種布網(wǎng)方案作業(yè)時(shí)所需要的作業(yè)時(shí)間、消耗等。在布設(shè)一個(gè)GPS網(wǎng)時(shí)，在點(diǎn)數(shù)、接收機(jī)數(shù)和平均重復(fù)設(shè)站次數(shù)確定后，則完成該網(wǎng)測(cè)設(shè)所需的理

7、論最少觀測(cè)期數(shù)（同步觀測(cè)的時(shí)段數(shù)）就可以確定。GPS網(wǎng)可靠性可以分為內(nèi)可靠性和外可靠性。GPS網(wǎng)的內(nèi)可靠性就是指所布設(shè)的GPS網(wǎng)發(fā)現(xiàn)粗差的能力，即可發(fā)現(xiàn)的最小粗差的大小，而GPS網(wǎng)的外可靠性就是指GPS網(wǎng)抵御粗差的能力，即未剔除的粗差對(duì)GPS網(wǎng)所造成的不良影響的大小。由于內(nèi)、外可靠性指標(biāo)在計(jì)算上過(guò)于煩瑣，在實(shí)際的GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)中采用一個(gè)計(jì)算較為簡(jiǎn)單的反映GPS網(wǎng)可靠性的數(shù)量指標(biāo)，該指標(biāo)就是整網(wǎng)的多余獨(dú)立基線數(shù)與總的獨(dú)立基線數(shù)的比值，稱(chēng)為整網(wǎng)的平均可靠性指標(biāo)，本網(wǎng)可靠性指標(biāo)為62.5。 外業(yè)觀測(cè)外業(yè)觀測(cè)中是獲取數(shù)據(jù)最重要的一環(huán)，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)作業(yè)計(jì)劃的規(guī)定。其中重點(diǎn)注意事項(xiàng)如下：1. 避免由對(duì)中

8、和量取儀器高所帶來(lái)的誤差。2. 天線的定向標(biāo)志線應(yīng)指向正北，并顧及當(dāng)?shù)卮牌堑挠绊?，以減弱相位中心偏差的影響。天線定向誤差依定位精度不同而異，一般不應(yīng)超過(guò)度。3. 刮風(fēng)天氣安置天線時(shí)，應(yīng)將天線進(jìn)行三方向固定，以防倒地碰壞。4. 架設(shè)天線不宜過(guò)低，一般應(yīng)距地面1米以上。另外，在外業(yè)觀測(cè)過(guò)程中應(yīng)實(shí)時(shí)查看接收機(jī)指示燈，檢查是否正常記錄數(shù)據(jù)，若出現(xiàn)以外應(yīng)立刻與指揮人員聯(lián)系，以便調(diào)整施測(cè)方案。數(shù)據(jù)處理及質(zhì)量分析外業(yè)工作展開(kāi)的同時(shí)，數(shù)據(jù)處理工作應(yīng)分階段進(jìn)行。從數(shù)據(jù)處理流程的角度來(lái)看，GPS控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段、基線處理階段、無(wú)約束平差質(zhì)量檢驗(yàn)階段、約束平差和成果輸出階段，在這些數(shù)據(jù)處理階段中，

9、重點(diǎn)探討可以檢核外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的基線處理階段和無(wú)約束平差階段。TGO數(shù)據(jù)處理流程圖TGO基線處理不合格數(shù)據(jù)準(zhǔn)備（GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星星歷、GPS記錄手簿）等基線處理參數(shù)設(shè)置（截至高度角、模糊度解算長(zhǎng)度、載波頻率類(lèi)型、周跳修復(fù)方法、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、對(duì)流層模型、電離層模型等數(shù)據(jù)輸入（觀測(cè)數(shù)據(jù)、點(diǎn)位信息、天線高及類(lèi)型）無(wú)約束平差檢驗(yàn)約束平差成果輸出及技術(shù)分析基線解算和無(wú)約束平差通常在外業(yè)觀測(cè)期間進(jìn)行，以便對(duì)觀測(cè)質(zhì)量及網(wǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的評(píng)估。在基線解算過(guò)程中，由多臺(tái)GPS接收機(jī)在野外通過(guò)同步觀測(cè)所采集到的觀測(cè)數(shù)據(jù)被用來(lái)確定接收機(jī)之間的基線向量及方差-協(xié)方差陣,就目前基線解算的類(lèi)型來(lái)說(shuō)主要分為單基線解模式和多基線

10、解模式，大多數(shù)商業(yè)軟件都以單基線解模式作為主要的解算方式。單基線解模式模型較為簡(jiǎn)單，一次可求解的參數(shù)較少，計(jì)算量也較小，但該模式存在兩種問(wèn)題：首先，解算結(jié)果無(wú)法反映同步觀測(cè)基線的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，其次無(wú)法充分利用待定參數(shù)的關(guān)聯(lián)性。TGO在基線處理階段可以人為的干預(yù)模糊度解算階段的參數(shù)，主要通過(guò)修改衛(wèi)星截至高度角、模糊度解算長(zhǎng)度、載波頻率類(lèi)型、周跳修復(fù)方法、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、對(duì)流層模型、電離層模型的相關(guān)參數(shù)來(lái)達(dá)到差分觀測(cè)值和線性組合值、基線向量的近似估算值、以及周跳的探測(cè)與處理，對(duì)特殊情況下的數(shù)據(jù)處理有較好的選擇性?；€結(jié)算結(jié)果主要反映了數(shù)據(jù)刪除率、采樣率、數(shù)據(jù)剔除準(zhǔn)則、星歷內(nèi)容綜述、健康標(biāo)志信息、進(jìn)行的數(shù)據(jù)

11、預(yù)處理措施（如對(duì)流層模型）、觀測(cè)值改正數(shù)（殘差Residual）、結(jié)果統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于整周未知數(shù)的確定結(jié)果以及解的質(zhì)量綜述，TGO軟件的單基線解的模式缺陷性無(wú)法準(zhǔn)確的通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方式來(lái)準(zhǔn)確判斷粗差，僅作為參考，因此需要通過(guò)無(wú)約束平差通過(guò)閉合環(huán)的閉合差來(lái)判定數(shù)據(jù)的質(zhì)量，因?yàn)闊o(wú)約束平差的質(zhì)量完全取決與GPS基線向量，在平差過(guò)程中所反映出的觀測(cè)值幾何不一致性的大小，都是觀測(cè)值本身質(zhì)量的真是反映又作為判斷粗差觀測(cè)值及進(jìn)行相應(yīng)處理的依據(jù)。在基線處理結(jié)束后，最直接有效的方式就是通過(guò)環(huán)閉合差報(bào)告來(lái)判定那條基線的質(zhì)量是否超限，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)區(qū)測(cè)量控制，環(huán)閉合差，對(duì)于基線分量的改正數(shù)，本項(xiàng)必須滿足。圖5依據(jù)超

12、限同步環(huán)的出現(xiàn)規(guī)律來(lái)推斷有問(wèn)題的基線。如圖5環(huán)閉合差檢測(cè)報(bào)告中在環(huán)組合1中、環(huán)組合2以及很多組合中都反映出LD04與LD11之間的基線有較大粗差，在網(wǎng)平查報(bào)告也探測(cè)出該基線的殘差較大先判斷該基線互差是否較大，在對(duì)該基線進(jìn)行精化處理，直到該基線通過(guò)閉合環(huán)的檢驗(yàn)為止。在基線精化處理過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)注意一下幾點(diǎn)：a當(dāng)觀測(cè)值殘差普遍較大，且具有一定系統(tǒng)性趨勢(shì)時(shí)，不宜簡(jiǎn)單采用剔除觀測(cè)值的方法，如圖6a 圖6a 圖6b，當(dāng)L2相位為全波長(zhǎng)時(shí)，可盡量采用無(wú)電離層折射延遲組合消除電離層折射影響，當(dāng)L2相位為半波長(zhǎng)，對(duì)于短基線，可嘗試僅使用L1單頻數(shù)據(jù)處理，采用無(wú)電離層折射延遲觀測(cè)值將改善殘差的系統(tǒng)性分布趨勢(shì)，但

13、殘差將會(huì)顯著增大，究竟是否采用，應(yīng)更具具體情況決定，通常情況下，對(duì)流層折射延遲改正模型的差異不大，需根據(jù)實(shí)際處理結(jié)果來(lái)判定最終采用何種模型。b縮短天頂對(duì)流層估計(jì)的間隔將改善殘差的系統(tǒng)性趨勢(shì)，但不一定會(huì)改善成果，究竟是否采用，應(yīng)更具具體情況決定。周跳較多時(shí)，應(yīng)采用修復(fù)的方法；反之，則采用參數(shù)估計(jì)的方法。有時(shí)，浮動(dòng)解要比固定解質(zhì)量好。若基線解算結(jié)果的觀測(cè)值殘差呈現(xiàn)出較強(qiáng)的系統(tǒng)性走勢(shì)，如圖7所示表明模糊度未確定正確或周跳未被完全修復(fù)。良好的基線解算結(jié)果，其觀測(cè)值殘差通常呈現(xiàn)出隨機(jī)分布的特征。 圖7 在基線精化處理后，進(jìn)行環(huán)閉合差的檢驗(yàn)，一般采取從嚴(yán)的原則，環(huán)閉合差分量控制在5ppm以?xún)?nèi)方可進(jìn)行下一步

14、的約束平差。約束平差在無(wú)約束平差通過(guò)后，在約束平差階段重點(diǎn)對(duì)起算點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行兼容性的檢查，主要用三種方法檢查：1，不同起算點(diǎn)平差結(jié)果分析法，將起算點(diǎn)分組進(jìn)行平差后的坐標(biāo)值與已知坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，判斷兼容情況。2，尺度參數(shù)分析法，就是將起算點(diǎn)組合分成幾組分別進(jìn)行平差求得尺度參數(shù)，若各組起算點(diǎn)的尺度比有一致性，則說(shuō)明起算點(diǎn)的相關(guān)精度較好。3，方差因子檢驗(yàn)（ c 2檢驗(yàn)）法，檢驗(yàn)約束平差的驗(yàn)后方差因子與無(wú)約束平差的驗(yàn)后方差因子是否一致。但是，需要注意的是，不要將c 2檢驗(yàn)是否通過(guò)作為網(wǎng)是否合格的指標(biāo)， c 2檢驗(yàn)未通過(guò)通常可能由下列原因所引起：首先在無(wú)約束平差中給定了不適當(dāng)?shù)南闰?yàn)單位權(quán)方差，觀測(cè)值之間的

15、權(quán)比關(guān)系不合適，也可能是觀測(cè)值中可能存在粗差；其次在約束平差中起算數(shù)據(jù)與GPS網(wǎng)不相容。在起算點(diǎn)的檢核結(jié)束后就可進(jìn)行約束平差，約束平差中最主要的就是投影面的轉(zhuǎn)換問(wèn)題，在工程的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)中就仔細(xì)說(shuō)明了方法，除了進(jìn)行投影的改算外還可以使用橢球平移法和橢球膨脹法，對(duì)于工程坐標(biāo)系，橢球膨脹法較平移為合適，因?yàn)闄E球平移前后球面坐標(biāo)在數(shù)值上有較大差異，橢球膨脹法的工程橢球參數(shù)近似的可以通過(guò)a1=N+H1-e2sin2B , e1=NN+H來(lái)計(jì)算（a1 為工程橢球的長(zhǎng)半軸，e1為工程橢球的扁率）。高程擬合高程擬合目前有很多種方法，其中主要分為大地水準(zhǔn)面模型法和幾何內(nèi)插法兩種，就TGO軟件來(lái)說(shuō)在高差不是很大風(fēng)力

16、發(fā)電場(chǎng)可以使用隨機(jī)軟件提供的OSU91A衛(wèi)星遙感重力模型就能滿足1：5000風(fēng)電場(chǎng)地形圖的高程控制精度要求，在布網(wǎng)時(shí)考慮聯(lián)測(cè)盡均勻分布在場(chǎng)區(qū)的已知高程點(diǎn)進(jìn)行擬合，但對(duì)風(fēng)電場(chǎng)升壓站控制點(diǎn)重點(diǎn)進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量，保證廠平土方量的準(zhǔn)確合理。精度分析由于本工程采用分級(jí)布設(shè)，在檢核平面和高程就以加密后的控制點(diǎn)基線邊長(zhǎng)、方位角和高差的檢核，對(duì)均勻分布在本風(fēng)場(chǎng)的10條基線進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)如下：全站儀檢測(cè)一覽表 點(diǎn)號(hào)點(diǎn)號(hào)邊長(zhǎng)平距互差方位角互差三角高程互差LD11LD121024.152m0.014m0°00'04"0.144mLD13LD14983.169m0.011m0°0

17、0'03"0.023mLD04LD091132.585m0.015m0°00'02"0.045mLD28LD271002.238m0.004m0°00'04"0.091mLD28LD30882.320m0.002m0°00'05"0.022mLD18LD14633.494m0.020m0°00'07"0.024mLD50LD291100.090m0.015m0°00'04"0.125mLD46LD471036.075m0.001m0°00'03"0.087mLD43LD44756.298m0.004m0°00'06"0.022mLD36LD37584.870m0.005m0°00'07"0.030m 經(jīng)分析，平面結(jié)果完全可以滿足風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)施工放樣的要求，而高程則檢測(cè)出有一定的不穩(wěn)定性，可能一方面也是由于一級(jí)三角高程的精度所致，也體現(xiàn)了GPS平差所用的似大地水準(zhǔn)面模型的誤差，因此，在風(fēng)電場(chǎng)升壓站站址測(cè)量還必須使用傳統(tǒng)的水準(zhǔn)高程。結(jié)語(yǔ)目前大面積的風(fēng)電場(chǎng)控制網(wǎng)的建設(shè)使用GPS體現(xiàn)出