GPS在控制測(cè)量中的應(yīng)用

摘要：隨著現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，GPS 定位技術(shù)已基本上取代了常規(guī)測(cè)量手段成為了主要的技術(shù)手段，本文簡(jiǎn)述了GPS（全球定位系統(tǒng)）的基本結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理，總結(jié)了GPS用于控制測(cè)量所具有的特點(diǎn)，介紹了GPS在控制測(cè)量中的應(yīng)用實(shí)例。

關(guān)鍵詞：GPS 測(cè)量原理 控制測(cè)量 應(yīng)用實(shí)例

0 引言

GPS 是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡(jiǎn)稱，是20世紀(jì)70年代由美國(guó)陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。起初其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、 全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報(bào)收集、核爆監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通訊等一些軍事目的。經(jīng)過(guò)20余年的研究實(shí)驗(yàn)，耗資數(shù)百億美元，到1994年3月，全球覆蓋率高達(dá)98%的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設(shè)完成。

GPS是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無(wú)線電衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，它具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的精密三維導(dǎo)航與定位功能，而且具有良好的抗干擾性和保密性。因此，作為較早采用GPS 技術(shù)的領(lǐng)域，在測(cè)量中它最初主要用于高精度大地測(cè)量和控制測(cè)量建立。現(xiàn)在它除了繼續(xù)在這些領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用外，還在測(cè)量領(lǐng)域的其它方面得到充分的應(yīng)用，如用于各種類型的施工放樣、測(cè)圖、變形觀測(cè)、航空攝影測(cè)量、海測(cè)和地理信息系統(tǒng)中地理數(shù)據(jù)的采集等，尤其是在各種類型的測(cè)量控制網(wǎng)的建立這一方面，GPS 定位技術(shù)已基本上取代了常規(guī)測(cè)量手段成為了主要的技術(shù)手段。本文主要介紹GPS在控制測(cè)量中的應(yīng)用，并提出幾點(diǎn)體會(huì)。

1 GPS簡(jiǎn)介

1.1 GPS構(gòu)成

GPS主要由空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控站及用戶設(shè)備三部分構(gòu)成：

1.1.1GPS空間衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，軌道平面的傾角為55°，繞地球運(yùn)行衛(wèi)星的運(yùn)行周期約為12 恒星時(shí)，每顆GPS 工作衛(wèi)星都用L波段的兩個(gè)無(wú)線電載波向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號(hào)，導(dǎo)航定位信號(hào)中含有衛(wèi)星的位置信息，使衛(wèi)星成為一個(gè)動(dòng)態(tài)的已知點(diǎn)。每顆衛(wèi)星每天約有5h在地平線以上，同時(shí)位于地平線以上的衛(wèi)星至少為4顆，最多可達(dá)11顆。

1.1.2GPS地面監(jiān)控站主要由分布在全球的一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站組成。主控站根據(jù)各監(jiān)測(cè)站對(duì)GPS衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算各衛(wèi)星的軌道參數(shù)、鐘差參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)編制成導(dǎo)航電文，傳送到注入站，再由注入站將主控站發(fā)來(lái)的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)器中。

1.1.3GPS用戶設(shè)備由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及其終端設(shè)備（如計(jì)算機(jī)）等組成。GPS接收機(jī)可捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，跟蹤衛(wèi)星的運(yùn)行，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行交換、放大和處理，再通過(guò)計(jì)算機(jī)和相應(yīng)軟件，經(jīng)基線解算、網(wǎng)平差，求出GPS接收機(jī)中心（測(cè)站點(diǎn)）的三維坐標(biāo)。

1.2 GPS定位原理

GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會(huì)的方法，確定待測(cè)點(diǎn)的位置。如右圖所示，假設(shè)t時(shí)刻在地面待測(cè)點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，可以測(cè)定GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間△t，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個(gè)方程式，從而得到該點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系的精確的三維坐標(biāo)。

1.3 GPS測(cè)量的特點(diǎn)

相對(duì)于常規(guī)測(cè)量來(lái)說(shuō)，GPS測(cè)量主要有以下特點(diǎn)：

1.3.1 測(cè)量精度高。GPS觀測(cè)的精度明顯高于一般常規(guī)測(cè)量，在小于50km的基線上，其相對(duì)定位精度可達(dá)1×10-6，在大于1000 km的基線上可達(dá)1×10-8。

1.3.2 測(cè)站間無(wú)需通視。GPS測(cè)量不需要測(cè)站間相互通視，可根據(jù)實(shí)際需要確定點(diǎn)位，使得選點(diǎn)工作更加靈活方便。

1.3.3 觀測(cè)時(shí)間短。隨著GPS測(cè)量技術(shù)的不斷完善，軟件的不斷更新，在進(jìn)行GPS測(cè)量時(shí)，靜態(tài)相對(duì)定位每站僅需20 min左右，動(dòng)態(tài)相對(duì)定位僅需幾秒鐘。

1.3.4 儀器操作簡(jiǎn)便。目前GPS接收機(jī)自動(dòng)化程度越來(lái)越高，操作智能化，觀測(cè)人員只需對(duì)中、整平、量取天線高及開(kāi)機(jī)后設(shè)定參數(shù)，接收機(jī)即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)和記錄。

1.3.5 全天候作業(yè)。GPS衛(wèi)星數(shù)目多，且分布均勻，可保證在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)連續(xù)進(jìn)行觀測(cè)，一般不受天氣狀況的影響。

1.3.6 提供三維坐標(biāo)。GPS測(cè)量可同時(shí)精確測(cè)定測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其高程精度已可滿足四等水準(zhǔn)測(cè)量的要求。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

本文涉及的工程是由某集團(tuán)公司投資建造的一個(gè)鋼鐵基地項(xiàng)目。該項(xiàng)目位于新疆自治區(qū)阿克蘇地區(qū)拜城縣重化工工業(yè)園區(qū)內(nèi)，用地范圍南北寬約1.7～2.1公里，東西長(zhǎng)約2.3～3.9公里，總占地面積為6.13平方公里。為了該工程的設(shè)計(jì)和施工，需建立首級(jí)控制網(wǎng)。鑒于該區(qū)域基本沒(méi)有測(cè)量控制點(diǎn)，且范圍較大，平面控制擬分級(jí)布設(shè)，首級(jí)控制擬布設(shè)三等GPS網(wǎng)，前期加密布設(shè)施工控制網(wǎng)，以滿足前期場(chǎng)平施工的需要。

2.2 GPS測(cè)量的技術(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)GPS測(cè)量的技術(shù)設(shè)計(jì)主要依據(jù)是2007年發(fā)布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《工程測(cè)量規(guī)范》、1999年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市測(cè)量規(guī)范》、2010年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《衛(wèi)星定位城市測(cè)量技術(shù)規(guī)范》及甲方的有關(guān)要求。

2.2.2 設(shè)計(jì)精度根據(jù)工程需要和測(cè)區(qū)情況，選擇工程三等GPS網(wǎng)作為測(cè)區(qū)首級(jí)控制網(wǎng)。要求平均邊長(zhǎng)小于4.5 km，最弱邊相對(duì)中誤差小于1/70000，GPS接收機(jī)標(biāo)稱精度的固定誤差a≤10mm，比例誤差系數(shù)b≤5×10－6。

2.2.3 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和網(wǎng)形如圖2所示，控制網(wǎng)共13個(gè)點(diǎn)，其中聯(lián)測(cè)已知平面控制點(diǎn)5個(gè)（GD01、GD02、GD03、GD06和GD07），采用4臺(tái)GPS接收機(jī)觀測(cè)，共觀測(cè)8個(gè)時(shí)段，重復(fù)上站率為2.4（規(guī)范要求2.0）。網(wǎng)形布設(shè)采用邊連式和點(diǎn)連式相結(jié)合的方法，要求獨(dú)立觀測(cè)基線的觀測(cè)總數(shù)不小于必要觀測(cè)基線數(shù)的2倍。

2.2.4 觀測(cè)計(jì)劃根據(jù)GPS衛(wèi)星的可見(jiàn)預(yù)報(bào)圖和幾何圖形強(qiáng)度（空間位置因子PDOP），選擇最佳觀測(cè)時(shí)段（衛(wèi)星多于5顆，且分布均勻，PDOP值小于6），并編排時(shí)段安排表。

2.3 GPS測(cè)量的外業(yè)實(shí)施

2.3.1 選點(diǎn)埋標(biāo) GPS測(cè)量測(cè)站點(diǎn)之間不要求一定通視，圖形結(jié)構(gòu)也比較靈活，因此，點(diǎn)位選擇比較方便。但考慮GPS測(cè)量的特殊性，并顧及后續(xù)測(cè)量，選點(diǎn)時(shí)應(yīng)著重考慮：①每點(diǎn)最好與某一點(diǎn)通視，以便后續(xù)測(cè)量工作的使用；②點(diǎn)周圍高度角15°以上不要有障礙物，以免信號(hào)被遮擋或吸收；③點(diǎn)位要遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源、高壓電線等，以免電磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)的干擾；④區(qū)域周邊的三等GPS點(diǎn)盡量布設(shè)在紅線外100m左右，便于保存，保證今后控制網(wǎng)的恢復(fù)有可靠的依據(jù)；廠區(qū)內(nèi)的控制點(diǎn)主要布設(shè)在設(shè)計(jì)道路的邊緣，以便觀測(cè)和日后使用；⑤選點(diǎn)結(jié)束后，按要求埋設(shè)標(biāo)石，并填寫(xiě)點(diǎn)之記。

2.3.2外業(yè)觀測(cè)根據(jù)GPS作業(yè)調(diào)度表的安排進(jìn)行觀測(cè)，采用4臺(tái)瑞士Leica GPS雙頻接收機(jī)（標(biāo)稱精度5mm+1ppm），按靜態(tài)方式進(jìn)行觀測(cè)。衛(wèi)星截止高度角15°，有效觀測(cè)衛(wèi)星≥5，時(shí)段長(zhǎng)度60分鐘，采樣間隔10 秒，PDOP≤6。在4個(gè)點(diǎn)上同時(shí)安置4臺(tái)接收機(jī)天線（對(duì)中、整平），量取天線高，測(cè)量氣象數(shù)據(jù)，開(kāi)機(jī)觀察，當(dāng)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到要求時(shí)，按接收機(jī)的提示輸入點(diǎn)名、儀器高等相關(guān)數(shù)據(jù)，則接收機(jī)自動(dòng)記錄，觀測(cè)者填寫(xiě)測(cè)量手簿。

2.4 GPS測(cè)量的數(shù)據(jù)處理

GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理分為基線解算、三維無(wú)約束平差和二維約束平差三個(gè)階段，均采用隨機(jī)軟件Leica Geo Office v7.0進(jìn)行解算。GPS 基線向量解算采用雙差固定解，基線解算完成后對(duì)同步環(huán)、異步環(huán)和復(fù)測(cè)基線進(jìn)行檢驗(yàn)，滿足要求后進(jìn)行三維無(wú)約束平差，經(jīng)三維無(wú)約束平差后，得到各GPS控制點(diǎn)的WGS-84 坐標(biāo)系成果。取用經(jīng)三維無(wú)約束平差檢驗(yàn)通過(guò)后的三維坐標(biāo)成果，以甲方提供的控制點(diǎn)“GD01”、“GD02”、“GD03”、“GD06”、“GD07”的成果作起算依據(jù)，對(duì)三等GPS 網(wǎng)在1980 西安坐標(biāo)系（廠區(qū)平均高程面1360m）上進(jìn)行坐標(biāo)擬合，最后得到各點(diǎn)的1980 西安坐標(biāo)系（1360m 高程面）坐標(biāo)成果。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)GPS在測(cè)量中的應(yīng)用，得到如下體會(huì)：

3.1GPS控制網(wǎng)選點(diǎn)靈活，布網(wǎng)方便，基本不受通視、網(wǎng)形的限制，特別是在地形復(fù)雜、通視困難的測(cè)區(qū)，更顯其優(yōu)越性。當(dāng)精度要求較高時(shí)，應(yīng)避免短邊，無(wú)法避免時(shí)，要謹(jǐn)慎觀測(cè)。

3.2GPS接收機(jī)觀測(cè)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化，且觀測(cè)時(shí)間在不斷減少，大大降低了作業(yè)強(qiáng)度，觀測(cè)質(zhì)量主要受觀測(cè)時(shí)衛(wèi)星的空間分布和衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量影響。因此，應(yīng)嚴(yán)格按有關(guān)要求選點(diǎn)，擇最佳時(shí)段觀測(cè)，并注意手機(jī)、對(duì)講機(jī)等電子設(shè)備的使用。

3.3GPS測(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸和處理采用隨機(jī)軟件完成，只要保證接收衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量和已知數(shù)據(jù)的數(shù)量、精度，即可方便地求出符合精度要求的控制點(diǎn)三維坐標(biāo)。

3.4當(dāng)甲方提供的起算數(shù)據(jù)的等級(jí)不高，而現(xiàn)場(chǎng)又沒(méi)有其他控制點(diǎn)，就需要先將GPS控制成果轉(zhuǎn)化至廠區(qū)平均高程面上，然后進(jìn)行擬穩(wěn)平差。

3.5GPS測(cè)量的高程精度通常不能滿足廠區(qū)施工的要求，需要另外用水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程控制測(cè)量。