GPS系統在房屋工程控制測量中的應用技術淺析

摘要：GPS全球定位系統由空間衛星群和地面監控系統兩大部分組成，除此之外，測量用戶當然還應有衛星接收設備。GPS全球定位系統在房屋工程測量中的應用，在最近的兩年得到了迅速推廣，這主要依賴于GPS系統可以向全球任何用戶全天候地連續提供高精度的三維坐標、三維速度和時間信息等技術參數。本文分析了GPS系統的定位原理和技術特點，并探討了GPS系統在房屋工程測量中的應用方法與步驟。

關鍵詞：全球定位系統 工程測量 特點 應用

1 GPS定位原理

GPS系統是一種采用距離交會法的衛星導航定位系統。在需要的位置p點架設GPS接收機，在某一時刻ti同時接收了三顆(a、b、c)以上的GPS衛星所發出的導航電文，通過一系列數據處理和計算可求得該時刻GPS接收機至GPS衛星的距離sap、sbp、scp，同樣通過接收衛星星歷可獲得該時刻這些衛星在空間的位置（三維坐標）。從而用距離交會的方法求得p點的維坐標（xp，yp，zp），其數學式為：

sap2=[（xp-xa）2+（yp-ya）2+（zp+za）2]

sbp2=[（xp-xb）2+（yp-yb）2+（zp+zb）2]

scp2=[（xp-xc）2+（yp-yc）2+（zp+zc）2]

式中（xa，ya，za），（xb，yb，zb），（xc，yc，zc）分別為衛星a，b，c在時刻ti的空間直角坐標。

在GPS測量中通常采用兩類坐標系統，一類是在空間固定的坐標系統，另一類是與地球體相固聯的坐標系統，稱地固坐標系統，我們在公路工程控制測量中常用地固坐標系統。有利于表達地面控制點的位置和處理GPS觀測成果，因此在測量中被廣泛的應用。

2 GPS測量的技術特點

2.1 測站之間無需通視

測站間相互通視一直是測量學的難題。GPS這一特點，使得選點更加靈活方便。但測站上空必須開闊，以使接收GPS衛星信號不受干擾。

2.2 定位精度高

一般雙頻GPS接收機基線解精度為5mm+1ppm，而紅外儀標稱精度為5mm+5ppm，GPS測量精度與紅外儀相當，但隨著距離的增長，GPS測量優越性愈加突出。大量實驗證明，在小于50公里的基線上，其相對定位精度可達12×10-6，而在100～500公里的基線上可達10-6～10-7。

2.3 觀測時間短

采用GPS布設控制網時，每個測站上的觀測時間一般在30～40min左右，采用快速靜態定位方法，觀測時間更短。例如使用接收機的rtk法可在5s以內求得測點坐標。

2.4 提供三維坐標

GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時，可以精確測定觀測站的大地高程。

2.5 操作簡便

GPS測量的自動化程度很高。目前GPS接收機已趨小型化和操作傻瓜化，觀測人員只需將天線對中、整平，量取天線高打開電源即可進行自動觀測，利用數據處理軟件對數據進行處理即求得測點三維坐標。而其它觀測工作如衛星的捕獲，跟蹤觀測等均由儀器自動完成。

3 GPS衛星定位系統在工程測量中的應用

GPS工程控制網與大地控制網相比有其自身的特點，其控制區域較小，邊長短，觀測時間短（從快速靜態定位的幾分鐘至一兩個小時）。其布網的原則應結合測量規范，工程要求，實地環境等多方面進行考慮。

3.1 GPS的技術設計

3.1.1 設計依據

GPS測量的技術設計主要依據1993年建設部發布的行業標準《工程測量規范》，1999年建設部發布的行業標準《城市測量規范》及1997年建設部發布的行業標準《全球定位系統城市測量技術規程》。

3.1.2 設計基準和網形

GPS網的基準包括位置基準，方位基準和尺度基準。根據不同的用途，GPS網的圖形布設通常有點連式，邊連式，網連式及邊點混合連接四種基本方式。也有布設成星形連接，符合導線連接，三角鎖形連接等。

3.2 GPS測量的外業施測

3.2.1 選點

GPS測量測站點間不要求一定通視，圖形結構也比較靈活，因此選點比較方便，考慮到gps測量的特點與本工程的實際情況，控制點大多選在大樓的樓頂，根據工程的需要，必須利用常規測量進行一級導線的加密，因此，選擇了三對通視并可落地的點，分別為：WHJD和GMB，DJK和DJW，JYDS和NYT。

3.2.2 觀測

根據GPS作業調度表安排進行觀測，采樣靜態相對定位。衛星高度角15度，時段長度為1小時，采樣間隔10秒，在4個點上同時安置4臺接收機（對中，整平，定向），量取天線高，測量氣象數據，開機觀察，當各項指標達到要求時，按接收機的提示輸入相關的數據，開始觀測。

3.3 GPS測量的內業數據處理

GPS網數據處理分為基線解算和網平差兩個階段。

3.3.1 基線解算

基線向量的解算一般采用多站，多時段自動處理的方法進行，具體處理中應注意以下幾個問題：①基線解算一般采用雙差相位觀測值，對于邊長超過30km的基線，解算時也可采用三差相位觀測值。②在采用多臺接收機同步觀測的一個同步時段中，可采用單基線模式解算，也可以只選擇獨立基線按多基線處理模式統一解算。③同一級別的GPS網，根據基線長度不同，可采用不同的數據處理模型，但是0.8km內的基線須采用雙差固定解。30km以內的基線，可在雙差固定解和雙差浮點解中選擇最優結果。30km以上的基線，可采用三差解作為基線解算的最終結果。

基線向量解算是一個復雜的平差計算工程。解算時要顧及觀測時段中信號間斷引起的數據剔除，觀測數據粗差的發現和剔除，星座變化引起的整周未知參數的增加等問題。基線向量檢核合格后，便可進行基線向量的網平差計算，平差后求得各GPS之間的相對坐標差值，加上基準點的坐標值，求得各GPS的坐標。

3.3.2 網平差計算

GPS基線向量網的平差分為三種類型：一是經典的自由網平差，又叫無約束平差，平差時固定網中某一點的坐標，平差的主要目的是檢驗網本身的內部符合精度以及向量之間有無明顯的系統誤差和粗差，同時為用GPS大地高與公共點正高聯合確定GPS點的正高提供平差處理后的大地高程數據；二是非自由網平差，又叫約束平差，平差時以國家大地坐標系或地方坐標系的某些點的坐標，邊長和方位角為約束條件，顧及GPS網與地面網之間的轉換參數進行平差計算；三是GPS網與地面網聯合平差。

在內業的處理中，對經過檢核超限的基線在充分分析的基礎上，對其進行處理時應注意以下問題：①無論何種原因造成一個控制點不能與兩條合格獨立基線相聯結，則在該點上應補測或重測不少于一條獨立基線。②可以舍棄在復測基線邊長較差，同步環閉合差，獨立環閉合差檢驗中超限的基線，但必須保證舍棄基線后的獨立環所含基線數，不得超過規范的規定；否則，應重測該基線或者有關的同步圖形。③由于點位不符合GPS測量要求而造成一個測站多次重測仍不能滿足各項限差技術規定時，可按技術設計要求另增選新點進行重測。