GPS測(cè)量技術(shù)在施工控制網(wǎng)中的應(yīng)用

王榮威

中國(guó)神華煤制油化工有限公司北京工程分公司 北京 100011

1 GPS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 GPS系統(tǒng)概況

GPS系統(tǒng)的全稱是衛(wèi)星測(cè)時(shí)導(dǎo)航／全球定位系統(tǒng)（Navigation Satellite Timing And Ranging/GlobalPositioning System），它是美國(guó)國(guó)防部于1973年12月批準(zhǔn)研制的以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由三大部分組成：空間GPS衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及用戶設(shè)備GPS接收機(jī)。該系統(tǒng)具有全能性（海、陸、空及航天）、全球性、全天候、連續(xù)性、實(shí)時(shí)性的導(dǎo)航、定位和定時(shí)的功能，它可以向數(shù)目不限的全球用戶連續(xù)地提供三維坐標(biāo)、速度及時(shí)間信息。2000年5月以來，美國(guó)政府取消了“SA”、“AS”等限制民用精度的政策，并研發(fā)了一系列提高民用精度的技術(shù)（L2載波上增加C/A碼、加入第三民用頻率L5），進(jìn)一步改善系統(tǒng)的可用性、安全性和可靠性，使得該系統(tǒng)開始廣泛應(yīng)用于各種運(yùn)載工具的導(dǎo)航以及高精度的大地測(cè)量、精密工程測(cè)量等領(lǐng)域。

1.2 GPS系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

（1）定位精度高。實(shí)踐證明，用載波相位觀測(cè)量進(jìn)行靜態(tài)相對(duì)定位在小于50km的基線上可達(dá)1ppm；300～1500m工程精密定位中，平面位置誤差小于1mm（1h以上觀測(cè)）。

（2）觀測(cè)時(shí)間短。目前，20km以內(nèi)靜態(tài)相對(duì)定位的時(shí)間僅需15～20min，快速靜態(tài)定位只需2min左右，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位每站觀測(cè)1～2s就可完成。

（3）測(cè)站間無需通視。這是GPS技術(shù)區(qū)別于常規(guī)測(cè)量的最大優(yōu)點(diǎn)，可省去大量的傳算點(diǎn)、過渡點(diǎn)的測(cè)量，大大減少測(cè)量作業(yè)時(shí)間和費(fèi)用，同時(shí)也使選點(diǎn)布網(wǎng)變得非常靈活。

（4）操作簡(jiǎn)便。GPS接收機(jī)自動(dòng)化程度非常高，外業(yè)觀測(cè)時(shí)，測(cè)量人員的任務(wù)只是安置儀器、連接線纜（一體化機(jī)則不需要）、量取天線高、開關(guān)機(jī)及監(jiān)視儀器工作狀態(tài)，野外測(cè)量工作輕松愉快。

（5）全球全天候測(cè)量。目前衛(wèi)星數(shù)已達(dá)30顆，正常情況下隨時(shí)都可以進(jìn)行測(cè)量定位。除雷電、臺(tái)風(fēng)天氣不宜觀測(cè)外，其它如陰天黑夜、起霧下雨均不影響，這一點(diǎn)也是常規(guī)測(cè)量所無法相比的。

2 GPS技術(shù)的應(yīng)用

2.1 工程簡(jiǎn)介

某項(xiàng)目位于中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)礦區(qū)，占地面積約2km2。由于該測(cè)區(qū)屬于丘陵地區(qū)，并且有其他施工隊(duì)伍正在施工，車輛、堆積物眾多，使得有些方格網(wǎng)點(diǎn)無法通視。為了測(cè)量任務(wù)的順利進(jìn)行，本次測(cè)量采用全球定位系統(tǒng)GPS進(jìn)行測(cè)量。

2.2 建筑方格網(wǎng)布設(shè)及主要技術(shù)要求

因?yàn)榉礁窬W(wǎng)控制面積較大，為了避免測(cè)量過程中的誤差累積，保證方格網(wǎng)點(diǎn)的高精度，本方格網(wǎng)測(cè)量分為兩級(jí)進(jìn)行。整個(gè)方格網(wǎng)共布設(shè)方格網(wǎng)點(diǎn)24個(gè)，其中Ⅰ級(jí)點(diǎn)11個(gè)（A01～A11），Ⅱ級(jí)點(diǎn)13個(gè)（B01～B13）。

2.2.1 GPS測(cè)量作業(yè)技術(shù)要求見表1

表1 GPS測(cè)量作業(yè)技術(shù)要求

注解：

PDOP值 (三維位置精度因子：position dilution of precision)：在GPS導(dǎo)航和定位中，我們使用幾何精度因子（DOP，dilutionofprecision）來衡量觀測(cè)衛(wèi)星的空間幾何分布對(duì)定位精度的影響。DOP值的大小與GPS定位的誤差成正比，DOP值越大，定位誤差越大，定位的精度就低。PDOP則直接反映GPS衛(wèi)星的分布情況，當(dāng)PDOP較大時(shí)，表明空中被觀測(cè)的GPS衛(wèi)星幾何分布不是太理想，他們構(gòu)成的圖形周長(zhǎng)太短，定位精度就低，反之亦然。

2.2.2 基線解算的質(zhì)量要求見表2

表2 基線解算的質(zhì)量要求

注解：

同步環(huán)（simultaneousobservationloop）：是指在用全球定位系統(tǒng)（GPS）進(jìn)行測(cè)量中,由3臺(tái)或3臺(tái)以上GPS接收機(jī)，同時(shí)對(duì)同一組衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)（同步觀測(cè))）所獲得的基線向量所構(gòu)成的閉合多邊形。理論上同步環(huán)中各GPS邊的坐標(biāo)增量閉合差應(yīng)等于零，由于各臺(tái)GPS接收機(jī)的觀測(cè)并不能嚴(yán)格同步，而且有可能存在其他的觀測(cè)缺陷，將導(dǎo)致同步環(huán)閉合差并不等于零，觀測(cè)誤差由此產(chǎn)生，但誤差不能超過規(guī)定的限差。若同步環(huán)閉合差較大，就表明觀測(cè)或基線向量解算有嚴(yán)重失誤；同步環(huán)閉合差不超過限差，只能表明觀測(cè)無嚴(yán)重失誤和基線向量的解算合格，但并不足以表明觀測(cè)值的高精度，因?yàn)橹皇遣捎昧艘唤M線性相關(guān)觀測(cè)值的必然結(jié)果，與觀測(cè)精度無關(guān)。

異步環(huán)（non-simultaneousobservation loop）：是在用全球定位系統(tǒng)(GPS)進(jìn)行測(cè)量中，由數(shù)條GPS獨(dú)立邊構(gòu)成的閉合多邊形。在GPS網(wǎng)中，必須保證有足夠數(shù)量的異步環(huán)，才能確保觀測(cè)成果的可靠性和有效地發(fā)現(xiàn)觀測(cè)值中存在的粗差。

2.3 方格網(wǎng)測(cè)量

以四臺(tái)GPS接收機(jī)同時(shí)設(shè)站組成若干大地四邊形，每站測(cè)量完畢，兩臺(tái)儀器滯留、兩臺(tái)儀器遷站，保證兩個(gè)大地四邊形有一條公共邊。因構(gòu)網(wǎng)基本圖形為大地四邊形，圖形強(qiáng)度好、精度高，為方格網(wǎng)點(diǎn)快速趨近設(shè)計(jì)點(diǎn)位創(chuàng)造良好條件。

2.4 測(cè)量數(shù)據(jù)處理

2.4.1 基線解算

基線解算的過程實(shí)際上主要是一個(gè)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)密平差的過程，平差所采用的觀測(cè)值主要是雙差觀測(cè)值，即坐標(biāo)分量閉合差和環(huán)線全長(zhǎng)閉合差。將GPS接收機(jī)采集到的觀測(cè)數(shù)據(jù)提交至計(jì)算機(jī)進(jìn)行基線解算，得出每?jī)蓚€(gè)同步測(cè)站點(diǎn)之間的空間基線向量，按前述技術(shù)要求對(duì)所有基線向量進(jìn)行質(zhì)量檢核，不合格基線及時(shí)進(jìn)行了剔除。GPS基線向量表示了各測(cè)站間的位置關(guān)系，即測(cè)站與測(cè)站間的坐標(biāo)增量。GPS基線向量與常規(guī)測(cè)量中的基線是有區(qū)別的，常規(guī)測(cè)量中的基線只有長(zhǎng)度屬性，而GPS基線向量則具有長(zhǎng)度、水平方位和垂直方位等三項(xiàng)屬性，其是GPS同步觀測(cè)的直接結(jié)果，也是進(jìn)行GPS測(cè)量控制網(wǎng)平差，獲取最終觀測(cè)點(diǎn)位成果的觀測(cè)值。

2.4.2 三維無約束平差

在獲取可靠基線向量的基礎(chǔ)上，首先在WGS-84坐標(biāo)系中進(jìn)行三維無約束平差，根據(jù)平差后輸出的各基線向量三個(gè)坐標(biāo)差觀測(cè)值的改正數(shù)、點(diǎn)位和邊長(zhǎng)精度信息判斷整個(gè)GPS網(wǎng)的內(nèi)部符合精度和觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

基線向量的改正數(shù)絕對(duì)值應(yīng)滿足以下要求：V△x、V△y、V△z≤3σ。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有的基線超限或邊長(zhǎng)精度不高時(shí)，說明該基線或相鄰基線存在粗差，仔細(xì)分析其原因后予以剔除。

注解：WGS-84坐標(biāo)系（WorldGeodeticSystem 1984）：是一種國(guó)際上采用的地心坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為地球質(zhì)心，其地心空間直角坐標(biāo)系的Z軸指向國(guó)際時(shí)間局（BIH）1984.0定義的協(xié)議地極（CTP）方向，X軸指向BIH1984.0的協(xié)議子午面和CTP赤道的交點(diǎn)，Y軸與Z軸、X軸垂直構(gòu)成右手坐標(biāo)系，稱為1984年世界大地坐標(biāo)系。這是一個(gè)國(guó)際協(xié)議地球參考系統(tǒng)（ITRS），是目前國(guó)際上統(tǒng)一采用的大地坐標(biāo)系。

2.4.3 二維約束平差

GPS網(wǎng)經(jīng)三維無約束平差且各項(xiàng)精度指標(biāo)均滿足要求后，利用其起算點(diǎn)作為約束條件，計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)對(duì)GPS網(wǎng)進(jìn)行二維約束平差，得到所有測(cè)量方格網(wǎng)點(diǎn)的坐標(biāo)成果及其平面點(diǎn)位中誤差。

2.5 GPS測(cè)量的精度統(tǒng)計(jì)

2.5.1 WGS-84坐標(biāo)系下三維無約束平差精度統(tǒng)計(jì)，見表3。

表3 WGS-84坐標(biāo)系下三維無約束平差精度統(tǒng)計(jì)

2.5.2 廠區(qū)建筑坐標(biāo)系中二維約束平差精度統(tǒng)計(jì)，見表4。

2.5.3 對(duì)統(tǒng)計(jì)的說明

（1）GPS網(wǎng)無約束與約束平差結(jié)果精度差別小，說明整網(wǎng)變形小，觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，內(nèi)部符合精度高。

表4 廠區(qū)建筑坐標(biāo)系中二維約束平差精度統(tǒng)計(jì)

（2）方格網(wǎng)點(diǎn)點(diǎn)位縱、橫向誤差相近，各個(gè)方向精度分布均勻，誤差橢圓趨于圓形。

（3）各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，點(diǎn)位中誤差小于規(guī)定的限值。

2.6 方格網(wǎng)的精度檢驗(yàn)

全部方格網(wǎng)點(diǎn)采用GPS測(cè)設(shè)完成并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得出方格網(wǎng)點(diǎn)成果后，應(yīng)采用全站電子速測(cè)儀對(duì)方格網(wǎng)部分邊長(zhǎng)和角度進(jìn)行了復(fù)測(cè)檢驗(yàn)，以確保控制網(wǎng)成果的可靠性，檢驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表5、表6。

表5 角度檢驗(yàn)

由以上檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，其精度完全滿足規(guī)范規(guī)定，成果可靠。

表6 邊長(zhǎng)檢驗(yàn)

3 結(jié)論

實(shí)踐表明，在大型開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施階段，采用GPS測(cè)量技術(shù)建立施工測(cè)量控制網(wǎng)，大大提高了測(cè)量成果的可靠性和作業(yè)效率，降低作業(yè)強(qiáng)度，適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)“快節(jié)奏”的作業(yè)要求，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度控制起到積極的作用，同時(shí)也使測(cè)量作業(yè)技術(shù)人員從繁重的測(cè)量工作中解放出來。但是，畢竟GPS測(cè)量有別于常規(guī)測(cè)量，有些錯(cuò)誤或者說是粗差不容易被發(fā)現(xiàn)，還需要廣大測(cè)量技術(shù)人員在工程實(shí)踐中認(rèn)真探索和總結(jié)。

1 《GPS測(cè)量原理及應(yīng)用》武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社 作者：徐紹銓 張華海 楊志強(qiáng) 王澤民編著。

2 《控制測(cè)量學(xué)》武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社 作者：孔祥元，梅是義編著。