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2010年6月 第3期
毛 克，刘江龙，刘永强，赵玉明
(内蒙古电力勘测设计院，内蒙古 呼和浩特 010020)
GPS 技术在风力发电场控制测量中的应用
摘要：GPS 技术已经成为电力行业测量和风电场测量主要采用的方式，本文就在控制网设计、GPS 数据处理、起算点检验以及高程控制等几个问题进行讨论，探讨风电场GPS 控制测量要解决的几个主要问题。关键词：GPS ；风力发电厂；控制测量。
中图分类号：P2 文献标志码：B 文章编号：1671-9913(2010)03-0022-04
Application of GPS Technology in Control Surveying in Wind Power Plant
MAO Ke, LIU Jiang-long, LIU Yong-qiang, ZHAO Yu-ming
(Inner Mongolia Power Exploration and Design Institute, Hohhot 010020, China)
Abstract: GPS Technology become to one of the main ideas which are used in Electric Power Surveying industry and wind power electric ? eld Surveying, this article talk about design 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 power plant.
Key words: GPS; wind power plant; control surveying.
* 收稿日期：2010-03-18
作者简介：毛克(1963-)
，男，江苏丹阳人，高级工程师，主任工程师。
随着全球传统化石能源的日渐短缺，风力发电正在世界上形成一股热潮，我国也大力提倡发展风电以满足迫切的能源需求。风力发电场往往占地面积较大，目前我国一般选择在辽阔、风资源丰富的高原区域。为满足风力发电场的设计、施工需要，测量专业就必须及时准确地提供高精度的工程测绘资料。传统的测量在大面积控制、测图、施工放样精度和效率往往比较低，这就使目前应用较为成熟的GPS 技术在风电场建设中发挥了不可替代的作用。本文重点就利用GPS 技术在风电场场址前期的控制网建设以及数据处理、粗差探测等方面的应用进行探讨。
1 基准设计
风力发电场一般位于风力资源较为丰富的
高原地带，这也就决定了风力发电场工程控制网的特殊性。测区内投影所引起的长度变形不大于2.5cm 是建立或选择平面坐标系统的前提条件，因为每千米长度变形为2.5cm 时，即其相对中误差为1/40000，这样的长度变形可以满足大部分场区建设放样测量精度不低于1/20000的要求。由概略公式：
V s s
—— = —— - — —— 2
V s s H m R y m R m
12(——为高程归化值与高斯归化值之和)可以得知工程采用投影至测区平均高程面上的
高斯投影平面直角坐标系统是否满足满足规范要求，再考虑是否采用3°带抵偿面平面坐标系统。
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2 GPS 布网及施测设计
风电场GPS 控制网的布设，既要考虑风电场长远规划，又要考虑近期选址、控制点加密、数字化测图、施工放样、工程验收的要求，应确保测量精度、效率高、费用低的原则布设。为了提高控制网的精度和实际需求，采用分级布设的方案，首级控制网采用C 级GPS 控制网，相邻点平均间距约为5km 左右，见图1
。
图1 PS 控制网布设图
图2 历预报图
表1 各级GPS 测量基本要求规定
观测时段长度定于30h ～60h 之间，具体时间取决与观测时间段的星历预报见图2
。
例如2008年10月10日进行外业数据采集时，通过星历预报图可知早晨8∶40分至11∶40分之间的观测时段不佳，需要延长，落在此时间区间内的时段适当顺延至12点，保证外业的观测质量。图形布设为满足C 级GPS 测量单站重复观测≥2个时段的要求(见表一)，采用网连式布设。
考虑到控制测量可使用的设备为四台Trimble5700GPS 接收机，网型由独立同步三角形环或独立的多边形环构成，根据传统经典理论可知，这种图形的几何结构强，具有良好的
自检能力，能够有效地探测粗差，保障网的可靠性，且经平差后网中相邻点间基线向量精度分布均匀。
当我们完成风电场GPS 控制网的布设后，采用效率指标和可靠性指标对风电场控制网设计方案进行评价。在点数、接收机数和平均重复设站次数确定后，则完成该网测设所需的理论最少观测期数(同步观测的时段数)就可以确定网的效率指标。GPS 控制网可靠性可以分为内可靠性和外可靠性，GPS 网的内可靠性就是指所布设的GPS 网发现粗差的能力，即可发现的最小粗差的大小；而GPS 网的外可靠性就是GPS 网抵御粗差的能力，即未剔除的粗差对GPS 网所造成的不良影响的大小。由于内、外可靠性指标在计算上过于烦琐，在实际的GPS 网的设计中采用一个较为简单的计算反映GPS 网可靠性的指标，该指标就是整网的多余独立基线数与总的独立基线数的比值，称为整网的平均可靠性指标。
3 外业观测
外业观测中是获取数据最重要的一环，应严格按照相关作业计划的规定。其中重点强调事项如下：
⑴ 避免由对中和量取仪器高所带来的误差。
⑵ 天线的定向标志线应指向正北，并顾及当地磁偏角的影响，以减弱相位中心偏差的影响。天线定向误差依定位精度不同而异，一般不应超过±3°～5°。
⑶ 刮风天气安置天线时，应将天线进行三方向固定，以防倒地碰坏。
⑷ 架设天线不宜过低，一般应距地面1m 以上。
另外，在外业观测过程中应实时查看接收机指示灯，检查是否正常记录数据，若出现以外应立刻与指挥人员联系，以便调整施测方案。
4 数据处理及质量分析
外业工作展开的同时，数据处理工作应分阶段进行。如图3所示，GPS 控制网的数据处理
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处理的依据，因次通过闭合环的闭合差来判定数据的质量。
通过环闭合差报告来判定那条基线的质量是否超限，对于风力发电场区控制测量，环闭
合差w
=
w 2x + w 2y + w 2z ≤ —— σ，对于基线
分量的改正数V Δ≤ 2 n σ ，本项必须满足。
包括数据准备阶段、基线处理阶段、无约束平差质量检验阶段、约束平差和成果输出阶段，在这些数据处理阶段中，本文重点探讨可以检核外业数据质量的基线处理阶段和无约束平差阶段。
图3 数据处理流程图
图4 失败的闭合环细节
基线解算和无约束平差通常在外业观测期间进行，以便对观测质量及网设计方案进行实时的评估。在基线解算过程中，由多台GPS 接收机在野外通过同步观测所采集到的观测数据被用来确定接收机之间的基线向量及方差-协方差阵。基线解算的类型来说主要分为单基线解模式和多基线解模式，单基线解模式模型较为简单，也是大多数商业软件的主要解算模式，一次可求解的参数较少，计算量也较小，但该模式存在缺陷，首先解算结果无法反映同步观测基线的统计相关性，其次无法充分利用待定参数的关联性，因此基线结算结果主要反映了数据删除率、采样率、数据剔除准则、星历内容综述、健康标志信息、进行的数据预处理措施(如对流层模型)、观测值改正数(残差)、结果统计检验结果。对于整周未知数的确定结果以及解的质量综述，TGO 单基线解模式的缺陷性无法准确通过数理统计方式来准确判断粗差，仅作为参考。无约束平差的质量完全取决与GPS
基线向量，在平差过程中所反映出的观测值几何不一致性的大小，都是观测值本身质量的真是反映又作为判断粗差观测值及进行相应
3n
5
依据超限同步环的出现规律来推断有问题的基线。如图5环闭合差检测报告中在环组合1、环组合2以及很多组合中都反映出LD04与LD11之间的基线有较大粗差，平差后观测值也反映出该基线的残差较大，先判断该基线互差是否较大，在对该基线进行精化处理，直到该基线通过闭合环的检验为止。
在基线精化处理过程中，应重点注意一下几点：①当观测值残差普遍较大，且具有一定系统性趋势时，不宜简单采用剔除观测值的方法。
当L 2相位为全波长时，尽量采用无电离层折射延迟组合消除电离层折射影响，当L 2相位为半波长，对于短基线，可尝试仅使用L 1单频数据处理，采用无电离层折射延迟观测值将改善残差的系统性分布趋势，但残差将会显著增大，究竟是否采用，应更具具体情况决定，通常情况下，对流层折射延迟改正模型的差异不大，需根据实际处理结果来判定最终采用何种模型。②缩短天顶对流层估计的间隔将改善残差的系统性趋势，但不一定会改善成果，究竟是否采用，应更具具体情况决定。周跳较多时，应采用修复的方法；反之，则采用参数估计的方法。有时，浮动解要比固定解质量好。若基线解算结果的观测值残差呈现出较强的系
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表2
基线检测一览表
统性走势。良好的基线解算结果，其观测值残差通常呈现出随机分布的特征。
5 约束平差以及高程拟合
约束平差阶段重点需要对起算点的坐标进行兼容性的检查，主要采用不同起算点平差结果分析法，将起算点分组进行平差后的坐标值与已知坐标进行比对，判断兼容情况。在起算点的检核结束后选择兼容性好的一组控制点进行约束平差。
GPS 测量可以得到高精度大地高程，即椭球高，而实际应用中所采用的高程为海拔高程，两者之间差异就需要获取准确的高程异常值。高程拟合主要确定的就是高程异常值，方法有大地水准面模型法和几何内插法两种。TGO 软件采用的大地水准面模型法完全可以满足风力发电场控制网的技术要求。在数据处理过程中，采用高程拟合与平面约束平差分开进行的策略，即对无约束平差的成果直接进行高程拟合。在拟合的过程中，尽可能选择均匀分布在风电场址内部经过水准验证高程点，大地水准面模型选择随机软件提供的OSU91A 卫星遥感重力模型。
6 精度分析
风力发电场GPS 控制网采用分级布设，对数据的检核以加密后所有控制点组合基线边长、方位角和高差为主，对均匀分布在本风场的10条短基线进行检测，检测数据见表2。
经分析，平面结果可以达到优于规范要求的精度，完全可以满足风力发电场场区数字化测图、施工放样、工程验收的要求。在地势起伏不大的高原丘陵地区，如果GPS 网的覆盖面积不大(200km 2以内)，只要联测6个及以上均匀分布的水准点，采用OSU91A 卫星遥感重力模型进行拟合计算，求解的正常高误差一般在25cm 以内，可满足风力发电场1∶5000数字化测图、风机定位等对高程精度的要求。另外高程异常的拟合精
度与公共点的精度、分布及密度有很大关系，公共点数量越多，分布越均匀，则拟合精度越高，必要时可以实施局部水准与GPS 高程拟合的方法提高高程控制的精度。
7 结语
大面积的风电场控制网的建设使用GPS 技术体现出了很大的优越性，选点布网方便，外业数据采集也自动化程度高，也能达到较高的控制测量精度。但就目前运用来说本人认为还存在以下问题：
⑴ 应采用合理的平差软件， TGO 采用单基线解的方式在处理10km 一下基线的时候能保证较好的精度，但在长基线的处理中与专业处理软件有较大出入。
⑵ 高程异常值的确定，高程异常值由重力场值有关，在起伏较大的地区高程拟合误差较大，目前国家有关单位已经开始对区域大地水准面进行精化，采用精化后的局部大地水准面模型可以达到厘米级高程精度。
参考文献：
[1] 李征航，黄劲松．GPS 原理及其应用[M]． [2] 魏二虎，黄劲松．GPS 测量操作与数据处理[M][3] 徐绍铨，张华海，杨志强．GPS 测量原理及应用(第三
版)[M].