GPS 靜態(tài)相對定位技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用

張鳳梧 劉亞楠

(1.三門峽市金土地勘測規(guī)劃中心，河南 三門峽 472000; 2.水電十三局天津勘測設(shè)計研究院有限公司，山東 德州 253000)

1 GPS簡介

GPS(Global Positioning System)即全球定位系統(tǒng)，是美國國防部歷時23年，于1994年3月28日全面建成的全天候、全球性、連續(xù)的衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，它可提供實時的三維測速、三維定位和高精度的授時信息。由于GPS定位技術(shù)具有速度快、成本低、精度高等顯著特點，因此在工程控制網(wǎng)的建立、更新與改造中得到了日益廣泛的應(yīng)用。

1.1 GPS定位系統(tǒng)的組成

GPS定位系統(tǒng)包括三大部分:

1)空間衛(wèi)星部分;

2)地面監(jiān)控部分;

3)用戶接收部分。

1)GPS空間衛(wèi)星部分由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個軌道平面內(nèi)，每個軌道面內(nèi)有4顆衛(wèi)星運行，衛(wèi)星距地面的平均高度為20 200 km。6個軌道面相對于地球赤道面的傾角為55°，各軌道面之間的交角為60°，運行速度為3 800 m/s，每顆衛(wèi)星可覆蓋全球38%面積。所以，在地球表面上任何地點任何時刻，在衛(wèi)星高度角15°以上，平均可同時觀測到6顆GPS衛(wèi)星，最多可觀測到11顆衛(wèi)星。

2)GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控部分由1個主控站，5個監(jiān)控站和3個注入站組成。主控站擁有以大型電子計算機為主體的數(shù)據(jù)收集、計算、傳輸、診斷等設(shè)備，其主要作用是收集各監(jiān)測站獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)計算各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星狀態(tài)、時鐘改正、大氣傳播改正等，并將這些數(shù)據(jù)編制成導(dǎo)航電文，把導(dǎo)航電文及時傳送給注入站，另外主控站還負責檢測與協(xié)調(diào)各監(jiān)控站和注入站系統(tǒng)是否正常，修正衛(wèi)星運行軌道等工作。監(jiān)控站是無人值守的數(shù)據(jù)自動采集中心，它在主控站的遙控下采集數(shù)據(jù)，并將算得的偽距、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送給主控站，為主控站編算導(dǎo)航電文提供可靠的數(shù)據(jù)。注入站是無人值守的工作站，它的主要作用是在主控站的控制下，將主控站編算的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電文和其他指控指令等注入到相應(yīng)的衛(wèi)星儲存系統(tǒng)，并檢測注入信息的正確性。

3)用戶接收部分由GPS接收機、機內(nèi)軟件、數(shù)據(jù)后處理軟件及終端設(shè)備(如PC)等組成，其作用是接收、測量、變換、跟蹤和解算GPS衛(wèi)星所發(fā)射的GPS信號，以達到導(dǎo)航和定位的目的。

1.2 GPS定位的基本原理

利用GPS進行定位，就是把衛(wèi)星視為“動態(tài)”的控制點，在已知其瞬時坐標的條件下，以GPS衛(wèi)星和用戶接收機天線之間的距離為觀測量，進行空間距離后方交會，從而確定用戶接收機天線所處的位置。相對定位又稱為差分定位，是采用兩臺以上的接收機(含兩臺)同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定接收機天線間的相互位置關(guān)系的一種方法。其最基本的情況是用兩臺接收機分別安置在基線的兩端(見圖1)，同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，確定基線端點在世界大地坐標系統(tǒng)中的相對位置或坐標差(基線向量)，在一個端點坐標已知的情況下，用基線向量推求另一待定點的坐標。相對定位可以推廣到多臺接收機安置在若干條基線的端點，通過同步觀測GPS衛(wèi)星確定多條基線向量。

圖1 相對定位示意圖

由于同步觀測值之間有著多種誤差，但其影響因素是大體相同的，這些誤差在相對定位過程中可以得到消除或減弱，從而使相對定位獲得極高的精度。相對定位中，又包括靜態(tài)定位和動態(tài)定位兩種方式，其中靜態(tài)相對定位一般均采用載波相位觀測值為基本觀測量。這種定位方法是當前GPS測量定位中精度最高的一種方法，在大地測量、工程測量、物探測量、地籍測量等精度要求較高的測量工作中被普遍采用。

2 應(yīng)用實例

2.1 工程概況

卡塔爾多哈路塞開發(fā)項目位于卡塔爾多哈市北郊，工程區(qū)域約為7 km長，5 km寬，計劃通過場地平整、建造觀景海灘、修筑航道護岸等工程來改造目前的海岸線。此工程特點是占地面積廣，且地形起伏較大，所以為了提高工作效率，決定采用GPS靜態(tài)相對定位技術(shù)，來建立D級GPS加密控制網(wǎng)。本測區(qū)內(nèi)，現(xiàn)有業(yè)主提供的二級控制點 6 個分別為 QT2，QT3，QT4，6007，6006，7003。

2.2 GPS測量的技術(shù)依據(jù)及精度指標

1)設(shè)計依據(jù)。a.GB/T 18314－2009全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范;b.CJJ 73－97全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程;c.QNG95(卡塔爾國家控制網(wǎng))和QNHD95(卡塔爾國家高程數(shù)據(jù))。

2)精度指標。平面控制網(wǎng)精度要達到D級GPS網(wǎng)要求，相鄰控制點幾何精度應(yīng)符合下式要求:

其中，e為固定誤差，mm;p為比例誤差，mm;s為相鄰點間距離，km。

2.3 GPS外業(yè)數(shù)據(jù)采集

嚴格按照規(guī)范要求布設(shè)控制網(wǎng)，在布設(shè)控制網(wǎng)時以四邊形為主，采用邊連式構(gòu)成整網(wǎng)，網(wǎng)中各點分布均勻。D級GPS加密網(wǎng)展點圖見圖2。

圖2 D級GPS加密網(wǎng)展點圖

外業(yè)觀測應(yīng)按照事先編制好的GPS作業(yè)調(diào)度表進行，使用4臺Trimble R6 GPS接收機(標稱精度:水平5 mm+0.5 ppm;垂直5 mm+1 ppm)進行同步觀測。具體方法為，以已知控制點6007～6006為控制網(wǎng)起算基準邊，分別在 6007，6006，SG28，SG29架設(shè)GPS進行同步觀測，待各項指標都達到要求時，同時關(guān)閉4臺GPS，再把架設(shè)在6007，6006控制點上的GPS遷到SG13，SG14兩控制點，以同樣的方法進行同步觀測。以此類推，對53個加密控制點進行數(shù)據(jù)采集，并最后閉合到已知控制點QT2上。為確保GPS網(wǎng)的可靠性，應(yīng)按照規(guī)范規(guī)定的操作方法進行觀測，天線嚴格對中整平，開機前和關(guān)機后均量測天線高以作校核，一時段觀測過程中，嚴禁將GPS接收機關(guān)閉再重啟。

GPS D級控制網(wǎng)觀測基本技術(shù)要求見表1。

表1 D級控制網(wǎng)觀測基本技術(shù)要求

2.4 GPS數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理用專業(yè)GPS數(shù)據(jù)處理軟件TGO(Trimble Geomatics Office)進行基線解算和網(wǎng)平差。基線解算前，先編輯周跳，刪除周跳嚴重的時間段，以保證基線解算結(jié)果的質(zhì)量。經(jīng)基線解算得知，GPS加密網(wǎng)共觀測基線235條，全部解算合格;閉合環(huán)數(shù)目539個，全部解算通過，Trimble缺省值控制，即比率大于1.5，參考變量小于10，均方差(RMS)＜0.03，解算結(jié)果均符合規(guī)范要求。基線解算合格后，再進行網(wǎng)平差。首先，在WGS84坐標系統(tǒng)下進行無約束平差，根據(jù)網(wǎng)平差報告分析獨立基線的觀測精度和網(wǎng)的內(nèi)符合精度。然后，在無約束平差通過的基礎(chǔ)上進行卡塔爾QNG95坐標系統(tǒng)下的約束平差。約束平差后，基線最大相對誤差為1∶162 768，最小相對誤差 1∶846 563，平均相對誤差 1∶348 082。綜上所述，本次施測的D級GPS加密控制網(wǎng)各技術(shù)參數(shù)均符合《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》的規(guī)定。

3 結(jié)語

通過GPS靜態(tài)相對定位技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用，得到以下幾點結(jié)論:1)精度高。GPS觀測的精度要明顯高于傳統(tǒng)測量手段，并且接收機基線解算精度為定值，所以，觀測距離越大，優(yōu)勢越明顯。2)速度快。GPS在數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理方面，高度自動化，讓測量工作效率成倍增加。3)全天候。GPS衛(wèi)星圍繞地球24 h工作，所以用戶接收機可以全天候的進行數(shù)據(jù)采集，避免了傳統(tǒng)測量工作只能在白天進行觀測的缺點。4)布點靈活。傳統(tǒng)測量工作，相鄰控制點間要相互通視，而GPS則是直接接收衛(wèi)星信號，所以，控制點間無需通視。

[1] 周建正.GPS定位原理與技術(shù)[M].鄭州:黃河水利出版社，2005:7.

[2] 徐紹銓，張華海，楊志強，等.GPS測量原理與應(yīng)用[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2008:7.

[3] 劉大杰.全球定位系統(tǒng)(GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理[M].上海:同濟大學(xué)出版社，1996.