淺析GPS在工程勘測中的研究應用

劉景維

（遼寧地礦測繪院，遼寧 沈陽 110121）

引言

隨著GPS定位技術的出現和不斷發展完善，使測繪定位技術發生了革命性的變革，為測繪工作提供了嶄新的技術手段和方法。GPS控制網不僅具有很高的平面精度，同時也為用戶提供了比較準確的高程數據。GPS測量是一項技術復雜、要求嚴格、耗費較大的工作，對這項工作總的原則是，在滿足用戶要求的情況下，盡可能地減少經費、時間、和人力的消耗。因此，對其各階段的工作都要精心設計和實施。

1 GPS控制測量

GPS控制測量工作與經典大地測量工作相類似，按其性質可分為外業和內業兩大部分。其中：外業工作主要包括選點(即觀測站址的選擇)、建立觀測標志、野外觀測作業以及成果質量檢核等；內業工作主要包括GPS測量的技術設計、測后數據處理以及技術總結等。如果按照GPS測量實施的工作程序，則大體可分為這樣幾個階段：技術設計；選點與建立標志；外業觀測；成果檢核與處理。

1.1 作業方法：采用兩臺（或兩臺以上）接收機，分別安置在一條（或數條）基線的端點，根據基線長度和要求的精度，按GPS測量系統外業的要求同步觀測四顆以上的衛星數時段，時段長度根據測量等級確定。

1.2 定位精度：基線測量的精度可達±（5mm＋1ppm×D），D為基線長度，以公里計。

1.3 作業要求：采取這種作業模式所觀測的獨立基線邊，應構成閉合圖形（如三角形、多邊形），以利于觀測成果的檢核，增強網的強度，提高成果的可靠性和精確性。

1.4 適用范圍：建立國家大地控制網（二等或二等以下）；建立精密工程控制網，如橋梁測量、隧道測量等；建立各種加密控制網，如城市測量、工程點測量、道路測量、勘界測量等；觀測中至少跟蹤四顆衛星，同時基線邊一般不要超過15km。

1.5 注意事項：所有已觀測基線應組成一系列封閉圖形，已利于外業檢核，提高成果可靠度。

2 控制測量布網方案

2.1 選點。由于GPS測量觀測站之間不一定要求相互通視，而且網的圖形結構也比較靈活，所以選點工作比常規控制測量的選點簡便。但由于點位的選擇對于保證觀測工作的順利進行并保證測量結果的可靠性有著重要的意義，所以在選點工作開始前，除收集和了解有關測區的地理情況和原有測量控制點分布及標架、標型、標石完好情況，決定其適宜的點位外，選點工作還應遵守以下原則：①點位應設在易于安裝接收設備、視野開闊的較高點上。②點位目標要顯著，視場周圍15以上不應有障礙物，以減小GPS信號被遮擋或被障礙物吸收。③點位應遠離大功率無線電發射源，其距離不小于200m；遠離高壓輸電線和微波無線電信號傳送綬道，其距離不得小于50m，以避免電磁場對GPS信號的干擾。④點位附近不應有大面積水域或不應有強烈干擾衛星信號接收的物體，以減弱多路徑效應的影響。⑤點位交通方便有利于其他手段擴展與聯測的地方。⑥地面基礎穩定，易于點的保存。⑦當所選點位需要進行水準聯測時，選點人員應實地踏勘水準路線。根據以上原則選擇了包括測區且分布較均勻的7個GPS點，之后埋設具有中心標志的標石，以精確標志點位，點的標石和標志必須穩定、堅固以利長久保存和利用。

2.2 觀測記錄。在外業觀測工作中，所有信息資料均須妥善記錄。記錄形式主要觀測記錄和測量手簿。測量手簿是在接收機啟動前及觀測過程中，由觀測者隨時填寫的。應記載觀測過程中發生的重要問題，問題出現的時間及其處理方式等。必須認真、及時填寫，堅決杜絕事后補記或追記。外業觀測中存儲介質上的數據文件應及時拷貝一式兩份，分別保存在專人保管的防水、防靜電的資料箱內。存儲介質的外面，適當處應貼制標簽，注明文件名、網區名、點名、時段名、采集日期、測量手簿編號等。接收機內存數據文件在轉錄到外存介質上時，不得進行任何剔除或刪改，不得凋用任何對數據實施重新加工組合的操作指令。具體要求如下：①衛星截止高度角為15°；②有效觀測衛星個數必須超過4個；③采樣間隔為5秒；④時段長度必須大于45分鐘；⑤幾何精度因子（PDOP）必須小于10，（實際觀測數為 PDOP≤4）；(6) 儀器天線高從三個方位量測三次取平均值。

3 GPS數據處理

GPS接收機采集記錄的接收機天線至衛星偽距、載波相位和衛星星歷等數據必須通過GPS數據處理才能得到最終的測量定位成果。

3.1 數據傳輸。GPS接收機采集的數據記錄在接收機的內存模塊上。數據傳輸是用專用電纜將接收機與計算機連接，并在后處理軟件的菜單中選擇傳輸數據選項后，便將觀測數據傳輸至計算機。數據傳輸的同時進行數據分流，生成四個數據文件：載波相位和偽距觀測值文件、星歷參數文件、電離層參數和UTC參數文件、測站信息文件。觀測值文件是容量最大的文件。觀測值記錄中有對應的衛星號、衛星高度角和方位用，C/A碼偽距，L1、L2的相位觀測值，觀測值對應的歷元時間，積分多普勒記數，信噪比等。星歷參數文件包含所有被測衛星的軌道位置信息，根據這些信息可以計算出任一時刻衛星的位置。電離層參數和UTC參數文件中，電離層參數用于改正觀測值的電離層影響，UTC參數用于將GPS時間修正為UTC時間。測站信息文件包含測站名、測站號、測站的概略坐標、接收機號、天線號、天線高、觀測的起止時間、記錄的數據量、初步定位成果等。經數據分流后生成的四個數據文件中，除測站信息文件外，其余均為二進制數據文件。為下一步預處理的方便，必須將它們解譯成直接識別的文件，將數據文件標準化。

3.2 數據預處理。對數據進行平滑濾波檢驗，剔除粗差；統一數據文件格式并將各類數據文件加工成標準化文件，找出整周跳變點并修復觀測值；對觀測值進行各種模型改正。數據處理中要多次進行衛星位置的計算，而GPS廣播皇歷每小時有一組獨立的星歷參數，使得計算工作十分繁雜，需要將衛星軌道方程標準化，以便計算簡便，節省內存空間。GPS衛星軌道方程標準化一般采用以時間為變量的多項式進行擬合處理。來自廣播星歷的衛星鐘差是多個數值，需要通過多項式擬合求得惟一的平滑的鐘差改正多項式。用于確定真正的信號發射時刻并計算該時刻的衛星軌道位置，同時也用于將各站對各衛星的時間基準統一起來以估算它們之間的相對鐘差。不同的接收機提供的數據記錄有不同的格式。例如觀測時刻這個記錄，可能采用接收機參考歷元，也可能是經過改正歸算至GPS標準時間。在進行平差（基線向量的解算）之前，觀測值文件必須規格化、標準化。具體項目包括：記錄格式標準化；記錄項目標準化；采樣密度標準化；數據單位的標準化。

4 高程控制質量的可靠度分析

本區在進行控制測量時，由于沒有收集到水準點高程，所以高程控制采用國家二等三角點高程為起算數據，與布設的GPS控制點進行高程擬合，求得控制點GPS高程。由于GPS高程沒有與水準點高程進行聯測、檢核。所以其可靠程度是人們最關心的問題。實際上人們已經通過大量的試驗證明：如果平差結果的各項精度和指標達到規范要求，GPS高程擬合的模型是全理的，擬合的結果能滿足四等水準測量精度的要求。檢驗方案包括同步環檢驗，異步環檢驗和重復基線檢驗。

[1]喬仰文等.GPS衛星定位原理及其在測繪中的應用.教育科學出版社.2002.5.

[2]高建新.高精度全球差分GPS的應用.測繪信息與工程.2002.4.