GPS在风电场中的应用

GPS 技术在风力发电场控制测量中的应用
Ap plication of GPS Technology in control Surveying of Wind Energy Farm
毛克1 刘江龙1 刘永强2 赵玉明2 （内蒙古电力勘测设计院） 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 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 Energy Farm.
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。

一、 引言
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。

由于风力发电场一般选择在较为辽阔的高原地带，而且风力发电场往往占地面积较大，而且迫切的需要高精度的基础测绘资料来满足风力发电设计的需要，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，这就为目前应用日渐成熟的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详加探讨，望与同行共同指正批评。

二、 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的特殊性。

为了满足工程控制网的精度要求，满足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:
2
12m m m H y Vs s R R ⎛⎫=- ⎪⎝⎭ （Vs s
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。

三、 GPS 布网及施测设计
GPS 控制网的布设，既要考虑风电场长远规划的需要，又要考虑近期建设的需要，包括工程选址、控制
点加密、数字化测图、施工放样、工程验收等，应确保测量精度、效率高、费用低的原则布设。

GPS 控制网的布设既不能制定过低而影响网的精度要求，也没有必要盲目的追求过高的精度造成不必要的经济支出。

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，如下图1：
图1
观测时段长度定于30分钟～60分钟之间，具体时间取决与观测时间段的星历预报见图2：
图2 星历预报图
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在早晨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，保证外业的观测效率。

图形布设为满足C 级GPS 测量单站重复观测≥1.6个时段的要求，采用网连式布设，见表一，
考虑到控制测量可采用的设备为四台套Trimble5700GPS 接收机，这种网型由独立的同步三角形环或独立的多边形环构成，根据经典传统测量可知，这种图形的几何结构强，具有良好的自检能力，既能够有效地发现观测成果的粗差，保障网的可靠性，同时经平差后网中相邻点间基线向量精度分布均匀。

进行GPS 网的设计时，我们经常采用效率指标来衡量某种网设计方案的效率，以及在采用某种布网方案作业时所需要的作业时间、消耗等。

在布设一个GPS 网时，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。

GPS 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 网的外可靠性就是指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计算较为简单的反映GPS 网可靠性的数量指标，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，本网可靠性指标为62.5％。

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。

其中重点注意事项如下： 1. 避免由对中和量取仪器高所带来的误差。

2. 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5~3 度。

3. 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。

4.架设天线不宜过低，一般应距地面1米以上。

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。

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。

从数据处理流程的角度来看，GPS控制网的数据处理包括数据准备阶段、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，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。

在基
大多数商
对特殊情况下的数据处理有较好的选择性。

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Residual）、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软件的单基线解的模式缺陷性无法准确的通过数理统计方
式来准确判断粗差，仅作为参考，因此需要通过无约束平差通过闭合环的闭合差来判定数据的质量，因
为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处理的依据。

在基线处理结束后，最直接有效的方式就是通过环闭合差报告来判定那条基线的质量是否超限，对于风力发电场区测量控制，环闭合差σ5
3222n
w w w w z y x ≤
++=
，对于基线分量的改正数σ2≤V n ∆，本项必须满足。

图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中、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，在网平查报告也探测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：a 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，如图6a
图6a 图6b
，当L2相位为全波长时，可尽量采用无电离层折射延迟组合消除电离层折射影响，当L2相位为半波长，对于短基线，可尝试仅使用L1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。

b 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统性走势，如图7所示表明模糊度未确定正确或周跳未被完全修复。

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。

图7
在基线精化处理后，进行环闭合差的检验，一般采取从严的原则，环闭合差分量控制在5ppm以内方可进行下一步的约束平差。

约束平差
在无约束平差通过后，在约束平差阶段重点对起算点的坐标进行兼容性的检查，主要用三种方法检查：1，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。

2，尺度参数分析法，就是将起算点组合分成几组分别进行平差求得尺度参数，若各组起算点的尺度比有一致性，则说明起算点的相关精度较好。

3，方差因子检验（χ2检验）法，检验约束平差的验后方差因子与无约束平差的验后方差因子是否一致。

但是，需要注意的是，不要将χ 2检验是否通过作为网是否合格的指标，χ2检验未通过通常可能由下列原因所引起：首先在无约束平差中给定了不适当的先验单位权方差，观测值之间的权比关系不合适，也可能是观测值中可能存在粗差；其次在约束平差中起算数据与GPS网不相容。

在起算点的检核结束后就可进行约束平差，约束平差中最主要的就是投影面的转换问题，在工程的基准设计中就仔细说明了方法，除了进行投影的改算外还可以使用椭球平移法和椭球膨胀法，对于工程坐标系，椭球膨胀法较平移为合适，因为椭球平移前后球面坐标在数值上有较大差异，椭球膨胀法的工程椭球
参数近似的可以通过 , 来计算（为工程椭球的长半轴，为工程椭球的扁率）。

高程拟合
高程拟合目前有很多种方法，其中主要分为大地水准面模型法和几何内插法两种，就TGO软件来说在高差不是很大风力发电场可以使用随机软件提供的OSU91A卫星遥感重力模型就能满足1：5000风电场地形图的高程控制精度要求，在布网时考虑联测尽均匀分布在场区的已知高程点进行拟合，但对风电场升压站控制点重点进行水准测量，保证厂平土方量的准确合理。

精度分析
由于本工程采用分级布设，在检核平面和高程就以加密后的控制点基线边长、方位角和高差的检核，对均匀分布在本风场的10条基线进行检测，检测数据如下：
全站仪检测一览表
经分析，平面结果完全可以满足风力发电场场区施工放样的要求，而高程则检测出有一定的不稳定性，可能一方面也是由于一级三角高程的精度所致，也体现了GPS平差所用的似大地水准面模型的误差，因此，在风电场升压站站址测量还必须使用传统的水准高程。

结语
目前大面积的风电场控制网的建设使用GPS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一下欠缺：
1.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。

2.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，但目前国家有关单位已经开始对区域大地水准面进行精化，相信在不久的将来我们采用精化大地水准面模型的GPS高程拟合可以达到厘米级。

总之，在不远的将来，我们相信GPS技术给工程测量领域带来一场史无前例的技术革命。