淺析溫州雁楠公路樂清段中GPS控制測量的應用

武曉龍 徐愛霞 薛敏霞

摘 要：當今社會，高等級公路建設迅猛發展，對勘測技術提出了越來越高的要求。由于線路長、已知點少，地面通視困難等，往往影響常規測量的實施。GPS的應用，使公路的勘測手段和作業方法產生了革命性的變革，在保證測量精度的同時，極大的提高了工作效率。該文基于作者多年從事工程測量的相關經驗，以GPS在道路工程中的應用為研究對象，分析探討了GPS控制測量的工作原理，簡要闡述了GPS外業觀測和內業數據處理方法，說明了GPS控制測量的高效率、高質量、低強度等特點，相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借簽意義。

關鍵詞：GPS 控制測量 原理 閉合差 平差

中圖分類號：U41 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（c）-0047-02

測繪工作必須遵徇“由整體到局部，先控制后碎部，由低級到高級”的原則，先建立控制網，再根據控制網進行碎部測量。控制網布設的優劣和施測直接影響到整個項目的進度和質量，因此控制測量就成為測量工作的關鍵。溫州雁楠公路樂清段線路長約25km，整個區段屬于山嶺重丘區，地形復雜，測量作業難度大；項目亦始，作業組就根據技術設計在整個區段布設一級GPS控制網，先后完成選點、埋石、外業觀測、成果處理等各項工作，大大提高了工作效率，節省了人力和物力，保證了整個項目的作業進度。

1 GPS工作原理

全球衛星定位系統（Global Positioning System，簡稱GPS）是一個高精度、全天候和全球性的無線電導航定位、定時多功能系統。它利用位于距地球2萬多公里高的由24顆人造衛星組成的GPS空間衛星群，來向地球不斷發射定位及時間信號。GPS系統是一種采用距離交會法的衛星導航定位系統。在地面需要的位置P點架設GPS接收機，在某一時刻T同時接收了3顆（A、B、C）以上的GPS衛星所發出的導航電文，通過一系列的數據處理和計算求得該時刻GPS接收機至GPS衛星的距離SAP、SBP、SBP，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）。計算P點三維坐標（XP、YP、ZP）的數學公式為：

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T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，我們在工程控制測量中常用地固坐標系統。如：WGS-84世界大地坐標系和1980年西安大地坐標系以及1954北京坐標系。在實際使用中需要根據坐標系統間的轉換參數進行坐標系統的變換，來求出所使用的坐標系統的坐標。

2 GPS測量的特點

相對常規測量方法，GPS測量具有諸多優點：首先測站之間無需通視，測站上空只需開闊，選點靈活方便；其次定位精度高，觀測時間短，同時提供三維坐標，其高程精度已可以滿足四等水準要求；另外GPS操作簡便，自動化程度高，可以全天候作業，可以在任何地點，任何時間連續進行，一般不受天氣影響。

3 GPS選點和埋石

項目亦始，作業組在1：10 000線狀地形圖上預先標注預選的一級GPS點，然后到現場勘查，確定控制點滿足條件后進行埋設，點間距離一般≤1.5km，≥0.5km，平均邊長約1km為保證觀測質量，作業組嚴格按以下標準選點埋石。

點位均選在土質堅實、穩固可靠，利于長期保存的地方，同時方便儀器安置和安全操作，利于加密和擴展，每個控制點至少有一個通視方向。

點位選在視野開闊的地方，視場內盡量避免高度角>15°的成片障礙物；點位附近避免有強烈干擾接收衛星信號的物體，距離大功率無線電發射源（如電視臺、微波站等）200m以上，距離高壓輸電線50m以上；

為方便線路勘測和施工放樣，點位距離線路中心線一般≥50m，且≤300m，同時盡量選擇在交通方便位置，利于點位尋找和后續使用。

點位選定后，按規格埋設標石，標石表面有點名和施測單位名稱。所有GPS點在埋石時均設置明顯的指向標志，并現場繪制交通路線略圖，填寫點之記。

4 GPS網形布設

GPS控制網對點位圖形結構沒有太多限制，對點位之間的通視條件也沒有嚴格要求，控制點的位置是彼此獨立直接測定的。

GPS網布設應由一個或若干個獨立網構成，可采用點聯式、邊聯式、網連式以及混連式布設，本網采用點聯式。

布設網形時應考慮測區周邊已有控制點的分布情況，原則上聯測不少于4個高等級GPS控制點，并使其均勻分布。

5 GPS施測

此次施測范圍為25km，共布設一級GPS點28個，聯測測區周邊的3個高等級GPS點作為本網起算點。

測量過程中使用3臺雙頻GPS接收機（中海達HD6000）進行靜態觀測。3臺儀器均按要求進行年檢，且年檢合格；同步觀測平均時間均>45min，實際觀測時有效觀測衛星數大都保持6～8顆，衛星高度角>15°，數據采樣間隔為15s。

觀測人員嚴格按照GPS接收機操作手冊的規定進行觀測作業，在現場按規定作業順序填寫觀測手簿，天線安置的對中誤差≤2mm，每時段觀測均在測前、測后分別量取天線高，天線高量取精確至1mm，兩次天線高差值均≤3mm后，取平均值作為天線高；觀測時嚴防人員和其它物體觸動天線或遮擋信號；接收機開始記錄數據后，隨時注意衛星信號和信息存諸情況，一旦出現異常，隨時進行調整，必要時及時通知其它接收機調整觀測計劃。所有遷站工作經檢查所有規定作業項目全部完成，且記錄完整無誤后進行。

6 GPS數據處理

GPS網數據處理分為基線解算和網平差兩個階段，采用隨機軟件完。經基線解算、質量檢核、外業重測和網平差后，最后得到GPS控制點的三維坐標。

6.1 剔除不合格的基線

通過設置衛星高度角，采樣間隔、有效歷元等參數對基線進行優化。GPS外業觀測的全部數據均經過過同步環閉合差、異步環閉合差和復測基線檢核，然后舍棄不合格基線。當觀測數據不能滿足檢核要求時，對成果進行全分析，舍棄不合格基線。

同步環各坐標分量閉合差及環線全長閉合差應滿足：

WX≤σ，WY≤σ，

WZ≤σ，W≤σ

異步環各坐標分量閉合差及環線全長閉合差應滿足

WX≤2σ，WY≤2σ，

WZ≤2σ， W≤2σ

復測基線長度較差應滿足：

△d≤2σ。

6.2 無約束平差

在有效基線中提取必要的基線組成異步環（邊數不超過6條），運用隨機軟件進行異步環解算進一步剔除含有粗差的基線觀測量。即在WGS84坐標系中進行無約束平差，平差時無任何已知點參與，其基線向量的改正數（VX，VY，VZ）絕對值應滿足VX≤3σ，VY≤3σ，VZ≤3σ。

經過無約束平差解算，各個異步環的基線向量改正數均小于限差3σ，其中誤差最大的基線，其改正數VX=0.019 3m，VY=-0.027 2m，VZ=0.0279m，均<3σ=0.067 1m。

6.3 約束平差

當確認三維約束平差有效時，最后在北京54坐標系中進行二維約束平差，輸入已知點的平面直角坐標，在平差中首先將一個已知點作為待定點進行處理，平差后用該點已知坐標與平差后坐標進行對比，X方向最大差值為0.005m，Y方向最大差值為0.006m，說明已知點之間網形兼容性較好。在確認平差結果可靠后，將該點作為已知點參與二維約束平差。在處理結果中，最弱邊相對中誤差<1/20000。

7 結語

GPS技術以其獨特的優勢在控制測量方面得到越來越廣泛的應用。由于山區控制網的特殊性，實際工作中應注意：GPS觀測數據質量的好壞與觀測條件有很大的關系，選點時應盡量選擇開闊地段，避免遮擋；GPS控制網邊長較短時基線相對精度較低，當精度要求較高時，應避免短邊，同時為了確保控制成果的可靠性，要按一定的頻率對控制網進行復測。

參考文獻

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