GPS在水面流速流向测量中的应用.docx

1、第I期2006年3月水利水文自动化AutomationinWaterResourcesandHydrologyNO.lMar.2006GPS在水面流速流向测量中的应用章茂林（长江三峡水文水资源勘测局，湖北宜昌443000）摘要：传统的水面流速流向制量多采用岐外仪文会法，此法*要大量的人力和设备，工作量大旦费时。近几年，随着会球定位系统（GPS）的广逝应用和实戏，在一定尼图内,来用GPS定位法瞽代径纬仪文会法袍测水面流速流向。介绍了GPS定位法的制量原理、设备，以及删!方法。通过对GPS定位法的精度和优缺点的分析，得出朱用GPS定位法拖测水面流速流向具有检高的推广价值。关键词：GPS；水面；流速

2、流向；测量；应用中图分类号:TV21文献标识码:A文««:1672-3279（2006）01-0033-030前言传统的水面流速流向测量多采用经纬仪交会法“这种方法需要大量的人力和设备。在长程水面流速流向测最中，还要花费大量的时间进行测站布置、控制测量等工作。同时，由于该测最方法所需测站较多，其内业数据处理虫很大。近几年，随着全球定位系统（GPS）的广泛应用和实践，在一定范围内，采用GPS定位法替代经纬仪交会法施测水面流速流向，取得了很好的效果。1 GPS定位法GPS是美国第二代卫星导航系统。由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。全球定位系统的空间部分使用24颗

3、高度约2.02万km的卫星组成卫星星座。分布在六个轨道面上（每轨道而四颗），轨道倾角为55。这些卫星全天候、实时地向地面发送卫星星历等定位和授时信息。用户接收机根据接受到的卫星信息，实时计算所处的位置坐标，从而达到全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位的目的。按定位方式,GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它采用伪距观测址，定位误差较大，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法,GPS接收机对收到的卫星信号，进行载波相位解算，由基准站发送改正数，为用户站

4、接收并对其测量数据进行改正，以获得精确的定位结果。大地测量或工程测量均采用相位观测值进行相对定位。采用GPS定位法施测水面流速流向的出发点：由GPS采集的水面点点位坐标可计算得到水面流向值；由两测点间位移量和位移历时（GPS定位点间时间间隔）很容易计算出水面流速值。1.1外部设备采用GPS定位法施测水面流速流向所需主要设备为:GPS、特制浮标、测船等。（1）浮标制造：以充足气体的汽车轮内胎为浮标主体，上面固定一薄体硬质木板即可。（2）设备连接:将GPS接收机天线固定在硬质木板上,GPS接收主机置于测船内，两者以长线缆（约810m）相连。扣除两端连接部分，线缆入水部分约为5m。另外,用一细绳将浮

5、标与测船相连，以保护GPS连接线缆的安全。同时，为了减小设备对水体流态的影响，还需以泡沫浮子承载细绳和GPS连接线缆。详见图1。由于细绳和GPS连接线缆（入水部分）质量较小，所以泡沫浮子承载后形成相对独立的小浮标。小浮标与主体浮标在相同的水力条件下运动。由风浪和线缆造成的小浮标局部微小变形不会对主体浮标造成影响。实验证明：这种浮标结构和连接方式对水体自然流态的影响完全可以忽略。（3）设备操作：将浮标置于水面，测船尾随其旁。因为仪器设备和测量人员较少（12名）,所以测船不需太大。实际工作中，一般在测区内租赁配3434水利水文自动化2006.3(2)进入单，选择方式；(3)选择'房；叫进行

6、作业参数设置，主要内容包括：根据现场流速及测图比例尺大小设置合适的测点时间间隔，设置测线名称及起始点号；(4)作业参数设置完成后，按函通锤，测量开始,GPS自动采集并储存数据;(5)按键返回主菜单，进人麋单，选可以查看GPS自动采集的实时有动力设备的小渔船。这种小渔船对水体表层的破坏力较小，也比较容易控制，不会影响到主体浮标的自然运动。这样，也就保证了流态资料的真实性。现场作业时，最重要的是要控制好测船与主体浮标的距离,使连接浮标与测船的细绳和GPS连接线缆不受测船的外力作用。确保浮标处于自然状态。同时，测船与主体浮标的距离也不能太小。如果距离太近，测船会对GPS天线形成遮挡，从而影响GPS信

7、号的接收。实践证明：控制测船与主体浮标距离的技术，并没有想象的那样困难。对于长期从事水上作业的渔船驾驶员来说，可以很轻松的按照技术要求完成这项工作。1.2测方法将GPS岸台架设于已知点，经过必需的GPS平面定位检校，完成船台设备连接后，便可以开始正式测量。现以美国Trimble5700GPS为例，简要介绍其测散过程C1.2.1RTK方式RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在RTK作业模式下，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。流动站不仅通过数据链接收来白基准站的数据，还要采集GPS观

8、测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不到Is。采用GPS的RTK方式进行测最的显著特点是:所需设备少、操作简便,CPS自动采集数据并储存于手簿控制眷中，便于内业数据处理。具体操作如下：(I) 在菜单中新建作业文件；流态过程;(6)测最结束后，利用GPS后处理软件(TGO)导出数据，转入内业数据处理。继而按技术要求制作流态图。这种方法虽然具有设备少、易操作、效率高的优点，但需要特别指出的是：采用RTK方式进行测量，对卫星条件要求较高，要求至少接收5颗以上卫星信号才能固定。而RTK方式只有在固定的状态下才能完成连续地形的自动采集。因此，在山区的峡谷河段或在近岸

9、有高大建筑、障碍物的河段,这种作业方式往往失效。1.2.2DGPS方式DGPS方式的接收机只要能接收到不少于4颗卫星的信号，GPS便可以在DGPS方式下正常作业，进行水面流速流向测量。采用DGPS方式进行水面流速流向测置，需另外添加计算机设备和导航软件(如：Hypack软件)。具体操作过程如下：(1) 连接所有外部设备；(2) 运行Hypack导航软件，进行作业参数设置，包括数据存储文件与路径、数据采集时间间隔以及测线名称和起始点号；(3) 开始测量，GPS自动采集并将数据储存于计算机内，Hypack导航软件界面上显示实时流态过程。(4)测微结束后，利用Hypack后处理软件导出数据,转入内业

10、数据处理。显然,DGPS方式比RTK方式更容易收集到水面流速流向资料。相对而言，DCPS方式较RTK方式受测区自然条件约束较小。因此，实际工作中，在设备(计算机、导航软件)充分的情况下，常采取DGPS方式进行水面流速流向测最。第1期章茂林:CPS在水面流速流向测量中的应用352 测置精度在实际工作中，经检测已知控制点，GPS的RTK平面定位精度一般在±3cm左右.DGPS平面定位精度一般也不超过0.1mo经纬仪交汇法限差为62乂0.1必伽时式中沏一测图比例尺分母。可见GPS检测精度远高于经纬仪交会法限差8。3 GPS定位法的优缺点GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点寂得广

11、大测绘工作者的信赖。与经纬仪交会法相比，采用GPS定位法施测水面流速流向还具有投入设备和人员少、易操作、效率高的优点。另外,GPS定位法不需通视条件，能彻底解决有零天气的野外测虽问题，这是经纬仪交会法无法比拟的。但GPS定位法也有其缺点，即易受测区条件影响“因此,在实际工作中，应注意以下几点：(1) 测点周围15。以上不应有障碍物，以减少GPS信号被遮挡或障碍物吸收。(2) 测区应远离大功率无线电发射源(如电视台、微波站等)其距离不小于200m；远离高压输电线，其距离不得小于50m。以避免电磁场对GPS值号的干扰。4 结语(1) 采用GPS定位法施测水面流速流向时，在设备允许的情况下，可使用多

12、台GPS流动台(船台)同时作业。并根据测区具体环境特点选择相应的GPS工作方式。这样有利于外业工作时的设备调配。(2) GPS定位法在时效和精度等方面均优于经纬仪交会法。但必须指出的是:GPS定位法并不能完全替代经纬仪交会法。在高洪或河势险峻、水流浦急、素乱的河段，考虑安全因素,GPS定位法往往难以实施。(3) 目前，在三峡河段，采用GPS定位法已成功收集到30OOOmVs流量级的水面流速流向资料。因此，在安全得到保证的前提下，采用GPS定位法施测水面流速流向具有较高的推广价值。ApplicationofGPSinSurfaceCurrentVelocityandDirectionMeasur

13、ementZHANGMao-lin(THreeGorgesHydrology&WaterResourceSurveyDepartmentofYangtzeRiverWaterResourcesCommittee,Yichang443000,China)Abstract:Traditionally,surfacecurrentvelocityanddirectionmeasurementmostlyadoptsintersectionmethodwiththeodolite,whichrequiressignificantamountofmanpowerandinstruments;wh

14、at'smore,ittakesbothtimeandeffort.Inrecentyears,withthedevelopmentandwidelyuseofglobalpositionsystem,insomefields,GPSmethodisusedtotaketheplaceofintersectionmethodwiththeodolitetoperformsurfacecurrentvelocityanddirectionmeaaurement.Thisarticlepresentsmeasurementprinciple,equipmentandmethodofGPS.Throughanalysisofprecis