GPS在工程施工控制測量中的應(yīng)用

王仲磊

（廣東省地質(zhì)局第一地質(zhì)大隊廣東珠海519001）

GPS在工程施工控制測量中的應(yīng)用

王仲磊

（廣東省地質(zhì)局第一地質(zhì)大隊廣東珠海519001）

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施的大力建設(shè)，對工程的施工質(zhì)量也提出了更高的要求，而工程測量是工程施工的前期基礎(chǔ)工作，它對工程施工的準確定位起到關(guān)鍵性的作用。GPS測量技術(shù)以其全天候、實時性、高精度的優(yōu)勢在工程施工測量中得到了越來越多的應(yīng)用。本文主要以GPS測量技術(shù)在工程施工中的應(yīng)用、以及測量工作的不足做簡要的闡述。

GPS測量誤差精度控制

0　引言

GPS（Global Positioning System）即全球自動定位系統(tǒng)。在20世紀中后期，由美國國防部為了更好的軍民服務(wù)，經(jīng)過多年的努力而研發(fā)的新一代全球衛(wèi)星自動導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其可以24小時自動向全球范圍內(nèi)的用戶提供高精度的導(dǎo)航、定位和授時服務(wù)。

在近十幾年，GPS全球定位系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于測繪工程領(lǐng)域，它可以建立高精度的打底測量控制網(wǎng)，從而可以測量全球的動態(tài)參數(shù)。同時，它還可以高精度的建立大地基準，從而高精度的測量海洋、陸地數(shù)據(jù)參數(shù)。

1　 GPS概述

研究發(fā)現(xiàn)，GPS主要由三大部分而組成：地面監(jiān)控部分、空間衛(wèi)星部分和用戶設(shè)備部分。

1.1空間的衛(wèi)星群

GPS空間衛(wèi)星群，它主要是由分布在6個傾角為60度衛(wèi)星軌道上的24顆衛(wèi)星組成，以組成幾乎圓形軌道繞地球運轉(zhuǎn)，其高度約2.02萬千米，其衛(wèi)星群的運轉(zhuǎn)周期為11小時58分，從而實現(xiàn)了任何地點任何時間接受4顆以上衛(wèi)星所發(fā)射的衛(wèi)星信號。

1.2 GPS的地面控制部分

GPS地面控制部分。主要是由主控站、注入站、監(jiān)測站組成，而主控站作為GPS的核心部分，主要是根據(jù)各個衛(wèi)星所測量的數(shù)據(jù)分析衛(wèi)星中修正參數(shù)與衛(wèi)星星歷，同時并將這些參數(shù)傳遞到衛(wèi)星中；注入站是將主控站所分析的數(shù)據(jù)傳遞到衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心；監(jiān)測站是接收衛(wèi)星發(fā)射的數(shù)據(jù)信息，并監(jiān)測各個衛(wèi)星的工作情況。

1.3 GPS用戶部分

GPS用戶部分主要是由數(shù)據(jù)分析軟件、接收機與計算機等組成，其主要作用是接收不同衛(wèi)星所發(fā)射的數(shù)據(jù)信息，然后利用數(shù)據(jù)信息進行定位導(dǎo)航。

2　 GPS工程定位的原理

GPS定位系統(tǒng)主要原理是高軌測距，它是以觀測站到GPS衛(wèi)星兩者之間的距離作為測量的基本量。在GPS測量定位時，為了得到高精度的觀測量，可以采用以下兩種方式：第一，可以通過測量衛(wèi)星發(fā)射的信號傳輸?shù)降乇斫邮沼脩羲玫臅r間，再乘以信號傳輸速度則可得到偽測量距；第二，可以通過測量擁有多普勒頻移動的GPS衛(wèi)星載波信號與用戶接收機產(chǎn)生的載波信號之間的相位差，計算出測量距。

研究發(fā)現(xiàn)，通過偽距觀測量定位速度較快，但是其精度與采用載波相位觀測量定位的精度低，在工程測量時采用4顆或4顆以上的衛(wèi)星同時進行偽距測量則可計算出地面用戶接收機的三維位置。

3　 GPS在工程施工控制測量的優(yōu)點

3.1衛(wèi)星精度控制

衛(wèi)星星歷的誤差控制主要根據(jù)區(qū)域性GPS跟蹤網(wǎng)鎖定衛(wèi)星運行軌道。在地面的跟蹤站地心坐標(biāo)誤差會對衛(wèi)星軌道產(chǎn)生較大的誤差（可達到10倍）。因此，這就需要衛(wèi)星軌道的精度達到2m，而跟蹤站的地心坐標(biāo)精度要達到0.1m，并采用約束全球基站松弛衛(wèi)星軌道的約束基準法以達到優(yōu)于5cm的相對坐標(biāo)值，這就可以滿足我國定軌道的需求。

3.2信號傳播誤差低

電離層延遲控制主要通過以下三種方法：第一根據(jù)電離層模型加以修正；第二，根據(jù)接收機的雙頻特性降低電離層的延遲；第三，以同步測量來降低誤差延遲。

3.3觀測誤差精度控制

利用標(biāo)準光壓模型、ROCK4光壓攝動模型與多項式光壓模型可以實現(xiàn)1m定軌的基本需求。此外，可用附加隨機的過程參數(shù)或是對較長軌道運用一階三角多項式逼近非模型化的長期項影響,可以得到更為理想的結(jié)果,甚至是可以滿足到0.1～0.2m精度定軌的要求。

4　GPS測量在南水北調(diào)穿黃工程中的應(yīng)用

南水北調(diào)穿黃工程施工控制測量是以已知首級控制網(wǎng)點為基準對布設(shè)的加密控制網(wǎng)點進行測量。在測量過程中采用GPS靜態(tài)測量法與大地測量法，并對這兩種測量方法的測量精度進行對比分析。

4.1控制網(wǎng)形

施工加密控制網(wǎng)采用首級控制網(wǎng)點（G08、王鋪、G07、劉莊）作為已知的控制基準點，然后根據(jù)南水北調(diào)穿黃工程的施工進度對首級控制網(wǎng)點進行加密，以滿足施工測量放樣的基本要求，如圖1所示，圖中的E01、E02、E03、E04為加密控制點。

圖1　施工加密控制網(wǎng)

4.2使用儀器、測量方法及結(jié)果

4.2.1大地測量法

使用儀器：2”型電子全站儀TopconGTS-602、干濕溫度計、氣壓計等。

測量方法：采用側(cè)邊網(wǎng)測量工程控制網(wǎng)，采用測距三角高程測量高程，而利用2”型電子全站儀TopconGTS-602按照測量規(guī)范的要求進行施工測量。在外業(yè)各項數(shù)據(jù)測量結(jié)束后進行修正各數(shù)據(jù)，再進行平差計算。

4.2.2GPS靜態(tài)測量

GPS靜態(tài)測量主要根據(jù)測量方案，將三臺Topcon Hiper GPS雙頻接收機對中調(diào)平，誤差不大于3mm，放置在設(shè)定的同步環(huán)上以進行同時接收衛(wèi)星群發(fā)送的信號，以接收機靜態(tài)快速觀測，且以邊連接方式，同時進行大于4個衛(wèi)星進行觀測，有效觀測衛(wèi)星傾角為大于15度，觀測時間段數(shù)大于1.6，且每段時間長度為45min，直到將所有數(shù)據(jù)測量完畢。

表1　大地測量法與GPS測量法精度比較

5　 GPS工程測量的不足之處

5.1衛(wèi)星星歷誤差

研究發(fā)現(xiàn)，星歷誤差是GPS測量過程中產(chǎn)生誤差的主要原因，若在測量前的定位精度小于1ppm時可以不考慮衛(wèi)星星歷產(chǎn)生的誤差。在GPS實際應(yīng)用過程中，由于監(jiān)測站所監(jiān)測過程中的誤差以及衛(wèi)星受到其他外力的作用而導(dǎo)致所測量的衛(wèi)星軌道出現(xiàn)一定程度的偏差，這就導(dǎo)致衛(wèi)星的星歷出現(xiàn)誤差，其與實際位置之間存在一定的誤差。

5.2信號傳播誤差

5.2.1對流層與電離層折射的影響

對于電離層的影響主要是因為在電離層中，由于在太陽作用下分子之間發(fā)生了電離作用，這將導(dǎo)致衛(wèi)星所發(fā)射的數(shù)據(jù)信號在空中傳輸途中出現(xiàn)一定程度的滯后，并引起GPS所測量的結(jié)果出現(xiàn)一些誤差.

5.2.2觀測誤差

GPS觀測的誤差還與天線的安置位置、精度有很大的關(guān)系，即天線的整平誤差、對中誤差以及測量天線高度誤差等，其誤差具體如表1所示。因此，在精密的定位當(dāng)中，要應(yīng)注意整平天線、仔細對中等基本操作。

5.2.3天線中心位置偏差

在GPS測量技術(shù)中，其測量值是由太空中的衛(wèi)星與地面上接收機天線之間的距離，且天線的對中就是根據(jù)天線的幾何中心為標(biāo)準的。這就需要天線的幾何中心與天線的相位中心相重合，可是，在天線的相位中心瞬時位置是根據(jù)數(shù)據(jù)信息的方向與強弱而發(fā)生改變，這就出現(xiàn)了在相位觀測時其中心位置會與理論上相位中心出現(xiàn)偏差。

6　結(jié)束語

綜上所述，GPS以其實時性、全天候、高精度的特點廣泛應(yīng)用在工程測量中，提高了工程測量定位的精度，同時也確保了工程的順利施工。

[1]肖建洋.GPS技術(shù)在隧道測量中的應(yīng)用研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計.2012(06).

[2]高小六,李永泉.GPS在隧道平面控制測量中的應(yīng)用與精度分析[J].城市勘測.2011 (04).

[3]顧民貴,徐桂花.GPS在工程施工控制測量中的應(yīng)用[J].科技信息.2008(36).

[4]鄭廣偉,徐思達,賈國憲,鄭戰(zhàn)輝.GPS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評價指標(biāo)分析[J].海洋測繪,2012年03期.

P2[文獻碼]B

1000-405X（2015）-7-195-2