海上风电工程GNSS控制网建立方法研究

张 靖

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

中国海上风能资源丰富，具备大规模发展海上风电的资源条件。海上风电场因具有不占用土地资源、基本不受地形地貌影响、海上风速高、风电机组单机容量大、年利用小时数高等优点，目前已成为我国风电开发的重要方向[1-2]。海上风电项目的顺利实施，离不开基础的测量工作，当前海上风电测量主要采用全球卫星定位(GNSS)技术。

GNSS技术具有全天候、精度高、高时间分辨率、作业方便等特点，在陆地项目控制网建立及测量中具有广泛应用。张勤等利用GNSS技术对西安市地面沉降与地裂缝进行监测，为了研究监测西安地区地面沉降与地裂缝灾害的变化情况，建立了该地区高精度GNSS监测网，通过监测获取了西安地面沉降和地裂缝近期活动的有关数据信息，获得了与精密水准结果和地质资料具有较好一致性结果[3]；张国强研究了GNSS定位技术在精密工程测量中的应用，研究表明其精度可满足绝大多数精密工程测量的要求，且具有低成本、高效率、自动化程度高的多方面优势[4]；吴迪军等利用GNSS技术对港珠澳大桥首级控制网进行复测研究[5]；邱国辉等在引江济汉工程中采用了GNSS施工控制网，研究表明引江济汉工程施工控制网提供了可靠的测绘基准[6]；宋丽琴在江津圩河道工程中，布置了四等GNSS平面控制网[7]。

海上风电项目施工区域多数情况下远离海岸线，测量的难点在于如何准确测量待测点的平面坐标及高程，确保其精度满足项目建设及施工需要。为了准确测量待测点平面坐标及高程，需要在风电场范围内建立GNSS控制网。海上风电GNSS控制网较传统陆地GNSS控制网建立有其特殊性，传统陆地GNSS控制网中控制点是均匀分布在测区范围内，而海上风电项目的测区都在海上，因此无法在海上布设控制点，只能在陆地上布设控制点，造成海上风电GNSS控制网不能将测区全面覆盖，使得利用GNSS-RTK技术测量测区待测点平面坐标及高程的可靠性无法得到保障。

江苏响水海上风电项目位于陆地外侧海域，风电场中心与岸线最近点的直线距离约10 km，沿海岸线方向长约13.4 km，垂直于海岸线方向宽约2.6 km，风电场涉海面积34.7 km2，场区水深8～12 m(平均海平面起算)。本文以该海上风电项目为例，研究了海上风电GNSS控制网建立方法。首先介绍了海上风电GNSS控制网建立的总体技术思路，然后介绍了海上风电GNSS控制网网型设计、数据处理、测区坐标转换、待测点平面坐标及高程测量等相关问题，探讨了网型设计中关键问题，通过实验的方法验证了待测点平面坐标及高程精度问题。

1 总体技术思路

建立海上风电GNSS控制网的技术思路如图1所示，主要包括选点及网型设计、外业测量、数据处理、计算测区坐标转换参数、利用GNSS-RTK技术测量待测点平面坐标及高程。

图1 建立海上风电GNSS控制网的技术流程Fig.1 Technique flow of GNSS control network establishment for offshore wind power

2 控制网布网方案与施测

2.1 GNSS控制网网型设计

GNSS控制网网型设计[8-10]，首先考虑起算点的位置和图形强度，遵循从整体到局部、分级布网的原则进行布设。网型设计前，在当地测绘主管部门收集了解项目所在区域已有的高等级控制点，将其展点到奥维地图软件上，在地图上进行点位选择及网型设计。

网型设计好后，进行测点实地踏勘，控制点的实际位置选择需要避开不利的环境因素，以降低环境因素对测量造成的误差，同时控制点要选在交通方便的地方，便于控制点水准联测。

理论上，海上风电GNSS控制网控制点应均匀分布在风电场项目测区，然而考虑到海上风电项目的特殊性，不可能在海上布设控制点，只能在陆地上布设控制点。本文所建立的控制网网型如图2所示，按照D级网要求进行设计，G2、G3、G7为国家B级控制点，P1～P7为项目布置控制点，控制网沿海岸线方向长约30.0 km，垂直于海岸线方向宽约27.0 km，其中控制网沿着边缘(P1-P2-P3)对称镜像可以将风电场测区覆盖。

图2 海上风电项目控制网布置Fig.2 The layout of GNSS control network for offshore wind power

2.2 外业测量

GNSS控制测量采用6台Leica GNSS双频接收机，其静态平面精度是3 mm±0.5×10-6km，高程精度是6 mm±0.5×10-6km，每个观测时段为4 h；同时对控制点进行水准联测，采用徕卡DNA03数字水准仪，按照三等水准测量要求进行。

3 数据处理

GNSS数据处理主要包括：外业数据质量检核、基线解算及质量检核、基线向量无约束平差和约束平差等。

3.1 外业数据质量检核

评价外业数据质量的精度指标主要有：独立闭合环或附合路线坐标闭合差及坐标分量闭合差；同步闭合环闭合差；复测基线长度较差。

(1) 独立闭合环或附合路线坐标闭合差Ws和各坐标分量闭合差(Wx，Wy，Wz)需要满足公式(1)：

(1)

(2) 同步闭合环闭合差需要满足公式(2)：

(2)

(3) 复测基线长度较差ds需要满足公式(3)：

(3)

(4) 基线测量中误差σ(mm)计算如公式(4)：

(4)

式中：a为固定误差，b为比例误差系数，采用外业测量时使用的GNSS接收机的标称精度；d为实际平均边长，km。

3.2 GNSS网平差

GNSS网平差主要包括三维无约束平差和约束平差。

GNSS网的三维无约束平差是指在WGS84空间直角坐标系下，以某一点的单点定位坐标(X0，Y0，Z0)为起算依据进行的无约束平差。三维无约束平差是利用基线解算所得到的三维静态基线向量(ΔXij，ΔYij，ΔZij)及协方差阵D构成平差的随机模型，求解GNSS网中待定点的三维坐标并评定GNSS网的内符合精度，同时改善GNSS网的质量[11-12]。

GNSS网的约束平差是指利用无约束平差后的观测量，在国家大地坐标系或地方独立坐标系中进行的三维约束平差或二维约束平差。平差中，约束条件有：已知点的坐标、已知距离和已知方位角。约束平差后获得测量点在相应坐标系中的三维或二维坐标[13]。

3.3 项目数据处理

利用LEICA Geo Office软件对观测数据进行处理。首先进行基线解算，基线解算采用“手工”处理模式，按照设计的网型选择需要解算的基线，基线向量精度检验符合要求后，将基线解算结果输出成ASCII文件，利用同济大学TGPPS平差软件对闭合环进行检验和处理，环闭合差检验合格后，在WGS84坐标系下进行无约束平差。无约束平差结果符合要求后，在北京54坐标系下进行约束平差。经过数据处理，获得控制点在WGS84坐标系下的大地坐标(B，L，H)和在北京54坐标系下的平面坐标(X，Y)。

根据计算结果，本控制网中闭合环共9个，闭合环闭合差满足限差要求；无约束平差中，最弱边为P4-P1，边长相对中误差为1/2 200 057，满足限差要求；约束平差中，最弱点为P3，纵轴误差为5.8 mm，横轴误差为5.5 mm，点位中误差为8.0 mm。P1～P7控制点坐标见表1。

表1 控制点坐标Tab.1 Coordinates of control point

3.4 测区坐标转换

利用GNSS-RTK技术测量待测点平面坐标及高程时，实时采集的数据为待测点在WGS84坐标下的大地坐标(B，L，H)。通常情况下，需要的是待测点在特定坐标系(北京54、西安80，国家2000)下的坐标。因此在实际工作中，需要进行坐标转换，不同空间直角坐标系的转换模型主要有布尔莎模型、莫洛金斯基模型和武测模型等[14]。本文利用布尔莎模型计算坐标转换参数，进行坐标转换。

布尔莎模型也叫布尔莎七参数转换模型，模型中含有7个参数，即3个平移量、3个旋转角和1个尺度比[15]。布尔莎模型转换公式如下：

(5)

式中：[X1，Y1，Z1]T为O1-X1Y1Z1下的坐标；[X2，Y2，Z2]T为O2-X2Y2Z2下的坐标；Δx，Δy，Δz为平移参数；εX，εY，εZ为旋转参数；k为尺度参数。

使用表1数据，利用公式(5) 求得坐标转换七参数如表2所列。

表2 坐标转换参数Tab.2 Coordinate transformation parameters

4 风电场区域测量及精度分析

4.1 风电场区域待测点平面坐标及高程测量

测量采用GNSS-RTK技术。该项目测量方法为：在基准点P2上架设GNSS接收机及电台组成基准站，同时在基准站中设置坐标转换参数；在风电场区域使用GNSS接收机组成流动站，流动站采集卫星观测数据，并通过数据链接收来自基准站的数据，在系统内组成差分观测值进行实时处理，实时获得待测点北京54平面坐标和85高程值。为了保证测量数据准确性，流动站观测时，每次观测历元数大于20个，观测次数为4次，取平均值。

4.2 测量精度分析

由表1可知：该项目中利用P1～P7共7个公共点坐标计算求得坐标转换七参数，可认为P1～P7的7个点所在范围组成了控制网区域。由图1可知：风电场区域到控制网边缘(P1-P2-P3)距离为10.0 km，控制点G2、G3到控制网边缘(P7-G7-P6)距离分别为13.0 km和30.0 km，风电场区域和控制点G2、G3都不在控制网覆盖范围内，分别位于控制网区域两边，可以通过分析G2、G3的点位精度，间接获得海上风电场区域的待测点点位精度。

分析方法如下：实验组(G2、G3)、对照组(P5)3个点的大地坐标(B，L，H)及平面坐标与高程(X，Y，h)为已知值，将其平面坐标与高程值记作(X真，Y真，h真)；同时利用G2、G3、P5 3个点的大地坐标(B，L，H)与坐标转换七参数，计算得到其平面坐标与高程值，记为(X计，Y计，h计)，将真实值与计算值相比较，分析待测点的点位精度，分析结果如表3所列。

表3 精度分析结果Tab.3 The results of precision analysis

由图1可知：测点P5本身处于控制网覆盖范围内，坐标计算值与真实值差值在mm内，测点G2距离控制网边缘13.0 km，平面坐标精度可达3 cm，高程精度可达12 cm，间接说明该项目中风电场区域待测点平面坐标及高程精度亦可达到与测点G2相当精度，能够满足海上风电测量精度要求。

5 结 论

GNSS具有很高的相对定位精度，具有工作效率高、外业劳动强度小、施测成本低且可以全天候实时连续观测等优点，故在海上风电项目控制网建立中具有很强的实用性。本文研究了海上风电GNSS测量网型设计、数据处理、测区坐标转换、待测点平面坐标及高程测量、精度分析等相关问题，得出以下结论：

(1) 该项目建立的海上风电GNSS控制网精度满足工程建设要求，在海上风电测量中具有较强的实用性；

(2) GNSS控制网选点时，可充分利用奥维地图等地图软件，可以实现选点的可视化，提高工作效率；

(3) 海上风电GNSS控制网网型布设原则为沿着控制网边缘对称镜像时需要将风电场测区覆盖；

(4) 该项目中待测点距离控制网边缘13.0 km，其平面坐标精度可达3 cm，高程精度可达12 cm。