2.6 工程控制网技术设计实践
2.6.1 项目概况
新疆某大型抽水蓄能电站枢纽建筑物主要由上水库混凝土面板堆石坝、库盆防渗结构、下水库混凝土面板堆石坝、库尾拦沙坝、下水库泄洪排沙洞及放空洞、补水系统、上、下水库电站进/出水口、输水隧洞、地下厂房和地面开关站、上、下水库沟谷泥石流拦挡设施等建筑物组成。
该抽水蓄能水电站枢纽位于峡谷地带，山体遮挡较严重，为了保证整体精度，本控制网拟采用GNSS与边角混合网进行测量，采用下述流程进行操作。
2.6.2 网形设计
根据该抽水蓄能电站特点,受控制网高精度要求及观测条件恶劣（山体遮挡严重）这两个矛盾条件的限制，依据第3章的相关内容，解析各个基线的共用卫星天空图、卫星可见数、可见性及观测时段的PDOP值情况，通过试验指标进行观测方案的制订，确定详细的观测计划，抑制不利条件的影响。
根据抽水蓄能电站实际情况，结合已有资料 （1∶1000地形图）并在现场踏勘的基础上，初步选择22个平面测量控制点及12个水准点。所有选点周边30m均无成片树木遮挡、无明显电磁干扰、净空条件好，其空间位置如图2.2所示。
图2.2 控制网空间位置图
预选控制网点上库分布8个，下库分布12个，两库之间施工支洞处分布2个。上库与下库预选控制网均分布于两库周围。
2.6.3 技术设计要点
2.6.3.1 “固定基站法”观测方案
为解决在高山峡谷区域，因对空条件差而造成GNSS基线公用卫星偏少、基线成果可靠性降低的现象,拟采用“固定基站法”加以解决。选择收星条件相对良好，几何分布利于控制重要区域的点位上，常设观测仪器和其他控制桩点进行同步观测，这样可较好地解决峡谷区域观测点之间公用卫星偏少的问题。
2.6.3.2 基线解算软件的选择
高精度数据处理方面，建议采用对误差项考虑比较全面的专业软件进行处理。
GNSS基线处理软件采用美国麻省理工学院和Scripps研究所共同研制的GAMIT（Ver 10.6）软件，该软件是国际公认最好的GNSS基线数据处理软件之一。
2.6.3.3 基线处理关键技术
采用IGS数据处理中心经加权给出的IGS精密星历（ITRF框架）SP3格式，其轨道精度优于0.1m。
GNSS相对精密定位数据处理中，定位的基准是由卫星星历和基准站坐标共同给出的。因此，控制网基线处理采用的坐标框架与历元为观测期间IGS事后精密星历所对应的框架和瞬时历元。
通过联测IGS站，用GAMIT软件采用长距离、高精度、长时间的GNSS定位数据处理解算选定基准点ITRF框架下的坐标，用该坐标作为坐标约束，采用精密星历进行全网基线解算。GAMIT软件处理双差观测量，采用最小二乘算法进行参数估计。采用双差观测量的优点是可以完全消除卫星钟差和接收机钟差的影响，同时也可以明显减弱诸如轨道误差、大气折射误差等系统性误差的影响。
项目在基线数据处理中引入高精度全球GNSS跟踪站数据加以控制。比如在该项目中拟在GNSS精密数据处理时引入的跟踪武汉（WUHN）、西安（XIAN）、昆明（KUNM）、拉萨（LASA）等站，将这些全球永久跟踪站作为GNSS控制网的基准，从而使GNSS控制点获得高精度的ITRF坐标。
每个时段GNSS基线数据处理时，主要考虑以下控制参数：
(1)卫星钟差的模型改正，用广播星历中的钟差参数计算。
(2)接收机钟差的模型改正，用根据伪距观测值计算出的钟差计算。
(3)电离层折射影响改正，用LC观测值消除，但对于短基线采用LC组合反而会加大噪声，应采用单频模式。
（4）对流层折射影响改正，根据标准大气模型用萨斯坦莫宁（Saas-tamoinen）模型改正，采用分段线性的方法估算折射量偏差参数。
(5)卫星和接收机天线相位中心改正，接收机天线L1、L2相位中心偏差采用GAMIT软件的设定值。
(6)截止高度角采用15°。历元间隔为15s。考虑卫星轨道的误差，采用相对松弛的IGS轨道。
2.6.3.4 高精度GNSS控制网平差
平差可以采用GLOBK或者科傻软件进行平差。解算中主要对基线重复性、异步环情况、可靠性指标进行控制。由于GAMIT基线处理已经对同步环误差相关性进行了分配，同步环量值非常小，在此不再作为控制指标。最后与地面边角网对局部点位进行联合平差处理，评价精度满足要求后，提交成果。
2.6.4 控制网优化设计
2.6.4.1 实施指标及预期目标
根据该电站各阶段工程施工的需求，为了确保电站的各种水工建筑物、构筑物按设计要求准确施工，参照《水电水利工程施工测量规范》（DL/T 5173—2012），结合该电站的工程规模，拟定该电站施工测量控制网的主要精度指标，见表2.3和表2.4。
表2.3 抽水蓄能电站施工测量网主要精度指标（平面控制类）
表2.4 抽水蓄能电站施工测量网主要精度指标（高程控制类）
该抽水蓄能电站下库枢纽区至施工场地及业主营地段为较为陡峭的U形峡谷，地形相对高差较大，水工建筑物密集，常规边角网的方案受峡谷地形限制，点位布设位置高而多、施测难度大且周期长、精度难以保证；上下库之间落差约500m，山势陡峭、林木密集。因此，根据该电站施工建设的这一特性，经测绘技术人员的实地考查、深入讨论、比较分析，拟定出如下施测方案：
(1)拟定该施工测量控制网的平面部分采用GNSS静态方式测量完成，高程部分采用二等水准和三等三角高程相结合的方式进行施测。
(2)高程分三部分进行施测：一是布设首级高程控制网，采用二等几何水准完成，水准线路从下库坝址至施工场地、业主营地，连接上库控制点；二是布设连接下库及上库部分控制点的水准支线；三是三角高程加密控制，由于本次部分点位布设位置高、交通不便，不利于水准联测，对上库、上下库连接路区域和下库不便联测水准的点位采用三等三角高程进行施测。
2.6.4.2 施工控制网优化设计
1.基准优化设计
(1)位置基准。本工程选取位于上下库中间的FS10作为施工控制网的起算点，起算数据为挂靠于1954年北京坐标系的坐标，与前期规划系统一致。
(2)尺度基准。以区域精密测距边长与GNSS观测值共同作为尺度基准，精密测距边长采用TM30高精度全站仪施测，尺度基准的求算方法参照本书第10章尺度比关系的一致性归算方法,推荐采用加权尺度比求算方法。
（3）方位基准。以FS10为平面基准位置，以FS10至FS11作为方位基准。
2.网形结构优化设计
网形结构优化设计的目的实际上是使未知参数的协因数阵Qxx达到一定的设计要求，也就是网点精度达到一定的设计要求。根据有关优化设计理论，Qxx与GNSS网各网点坐标无关，而与点与点之间的基线数目及基线的权有关。由此，GNSS网形结构强度的设计，就是对独立基线观测量的选用和相互连接方式的设计，实际上就是运用控制网的三级优化设计。
2.6.5 控制网精度评估
2.6.5.1 控制网坐标提取
依据现有1∶1000地形图并结合现场踏勘，将预选点位在1∶1000地形图上标注。室内将所选点位平面位置及高程提取，其平面位置及高程精度均不大于3m，选取成果见表2.5。
2.6.5.2 点位坐标转换
将所选点位平面坐标依克拉索夫斯基椭球为基准，转换为空间直角坐标，其转换成果见表2.6。
2.6.5.3 控制网估算时段设置
本次控制网精度估算采用6台仪器，使用8个时段完成。各时段参与点位见表2.7。
表2.5 预选控制点平面坐标及高程 单位：m
表2.6 预选点位空间直角坐标
表2.7 控制网估算时段设置
2.6.5.4 GNSS观测数据及协方差组织
在已知各预选点点位空间直角坐标条件下，依据各时段组网基线对观测点进行互差处理，即可得到各点位的空间分量。
使用GNSS网设计模块，可实现上述理论过程，并对预选控制点进行平差及精度估算。估算过程中，基线固定误差为3mm，比例误差为1mm，基线水平方位误差为1″,同时在确权中要考虑到所估计出的相对定位精度因子RDOP。
控制网最大边长为FS08至FS11，长度为3002.165m，最短边为FS09至FS10，长度为149.119m，平均边长为1035.328m。控制网实施过程中采用边连式推进方式，共形成120条基线。其中3边同步环160个，重复基线22条，3边异步环76条；必要基线11条，独立基线40条，多余观测基线109条，整网可靠性比为2.7，重复设站率为2.18。
2.6.5.5 控制网估算成果
在GNSS平差软件支持下，以FS10为平面已知点，以FS10至FS11为已知方位进行平差，其平差成果见表2.8。
表2.8 二维坐标精度估算结果 单位：cm
由表2.8可知，经一点一方向平差，控制点平面点位误差最大点为FS13，平面误差为0.41cm。
经模拟估算，由踏勘所选点组成的控制网，满足二等控制网要求，可以继续推进后续工作。