GPS測量技術(shù)在城市測量工程中的應(yīng)用

茂名市國土資源局勘探測繪院第一分院 525000

摘要：文章簡述了全球定位系統(tǒng)（GPS）的基本結(jié)構(gòu)和測量原理，介紹了GPS測量技術(shù)與大地測量技術(shù)的應(yīng)用及比較，結(jié)合城市控制測量（或大地測量）的實際，采用GPS技術(shù)進行城市控制網(wǎng)的建立、擴建有著重要意義。

關(guān)鍵詞：GPS工程測量；技術(shù)原理；應(yīng)用；大地測量，比較

1 GPS 技術(shù)的定義

GPS 技術(shù)由于由高策低，測量范圍可以很大，測量精度高。可按需布設(shè)控制網(wǎng)，簡化加密級別，省去聯(lián)測過渡點。GPS 系統(tǒng)包括3 大部分：空間部分- GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分- 地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分- GPS 信號接收機。空間衛(wèi)星系統(tǒng)由均勻分布在地球6個軌道平面上的24 顆高軌道工作衛(wèi)星構(gòu)成，衛(wèi)星每2小時沿近圓形軌道繞地球一周，由星載高精度原子鐘控制無線電發(fā)射機在“低噪聲窗口”四周發(fā)射L1、L2兩種載波，向全球的用戶接收系統(tǒng)連續(xù)地播發(fā)GPS 導(dǎo)航信號。地面監(jiān)控系統(tǒng)由均勻分布在美國本土和三大洋的美軍基地上的5個監(jiān)測站、1 個主控站和3 個注入站構(gòu)成。該系統(tǒng)的功能是：監(jiān)控站用GPS 接收系統(tǒng)測量每顆衛(wèi)星的偽距和距離差，采集氣象數(shù)據(jù)，并將觀測數(shù)據(jù)傳送給主控點。主控站接收各監(jiān)測站的GPS 衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、各監(jiān)測站和注入自身的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，及時編算每顆衛(wèi)星的導(dǎo)航電文并傳送給注入站；控制和協(xié)調(diào)監(jiān)測站間，注入時間的工作，檢驗注入衛(wèi)星的導(dǎo)航電文是否正確以及衛(wèi)星是否將導(dǎo)航電文發(fā)給了GPS用戶系統(tǒng)；診斷衛(wèi)星工作狀態(tài)，改變偏離軌道的衛(wèi)星位置及姿態(tài)，調(diào)整備用衛(wèi)星取代失效衛(wèi)星。注入站接受主控站送達的各衛(wèi)星導(dǎo)航電文并將之注入飛越其上空的每顆衛(wèi)星用戶接收系統(tǒng)主要由以無線電傳感和計算機技術(shù)支撐的GPS衛(wèi)星接收機和GPS 數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成。

2GPS工程測量控制網(wǎng)的概述

一般將GPS工程測量網(wǎng)分為兩大類：1.全球或全國性高精度的GPS測量網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)相鄰點的距離在數(shù)千公里左右，用于大范圍測量控制框架和科研；2.區(qū)域性的GPS測量網(wǎng)，它包括城市或施工區(qū)域控制、變形監(jiān)測等，網(wǎng)內(nèi)相鄰點距離很近，主要作用服務(wù)于國民經(jīng)濟建設(shè)。

3 工程測量平面坐標系的建立原理

（1）高斯投影長度變形公式

高斯投影長度變形公式地面上的邊長歸化至平均海水面上，再投影至高斯平面，變形公式如式（2）：

（2）

其中：△S為地面長度歸化的高斯投影面的總改正值；S為地面兩點間距離；△S1為地面長度歸化至海平面的改正，△S2為海平面距離投影到高斯平面的改正；V1為地面長度歸化至海平面的改正系數(shù)，V2為海平面距離投影到高斯平面的改正系數(shù)；Hm為歸算邊高出海平面的平均高程，h為平均海水面與參考橢球體之問的高差；Rn為歸算邊方向平均海水面法截弧的曲率半徑，ym為歸算邊兩端點y坐標的平均值：Rm為平均海水面的平均曲率半徑。

上面公式中的Rn和Rm相差很少，在計算時，為了簡便，一般用地球平均半徑R代替，h一般也忽略不計，通常用下面的近似公式（3）：

（3）

人們無論從測圖、設(shè)計用圖到施工放樣，都希望邊長改正△S改正值盡量的小，使實地實測距離與坐標間反算距離、實測圖上的距離吻合。因此《城市測量規(guī)范》《公路勘測規(guī)范一JTGC10—2007》中，均明確規(guī)定，每公里的改正不大于2.5cm。

（2）工程測量平面坐標系建立的方法

從上面的公式時，可以看出，當測區(qū)平均高程Hm在1O0m以下，Y坐標平均值在40km以下，高斯投影改正每公里小于2.5cm。能滿足相應(yīng)規(guī)范的要求。

每公里距離改正2.5cm，即為：

（4）

從公式中的△S1、△S2兩項改正，符號相反，故對以上要求，還可適當放寬。然而，有一些測區(qū)，往往難以使。

為此，通過選擇某一獨立的平面坐標系來解決，具體方法是：根據(jù)測區(qū)的具體情況，通過改變Hm和中央子午線的位置，進而改變ym的值以抵消△S的影響。

4 GPS測量技術(shù)在外業(yè)中的施測

在GPS測量中，衛(wèi)星主要被作為位置已知的空間觀測目標，從而形成了不需要地面點的后方交會，每臺接收機都是一個獨立的控制點，經(jīng)過接受到的數(shù)據(jù)解算出點的經(jīng)緯坐標（WGS一84），在多臺接收機同時接收數(shù)據(jù)便形成了很多三角網(wǎng)形參與平差解算，自由網(wǎng)無約束平差解算出WGS一84坐標，然后把己知的控制點進行約束平差得到BJ一54坐標。

考慮到測區(qū)的實際情況，選多于4臺GPS接收機為一套設(shè)備，以兩臺儀器為一組，成對布設(shè)GPS點。在組成良好網(wǎng)形的前提下，每一對GPS點必須通視良好，其間距一般500米左右，以便于以后作為全站儀導(dǎo)線點的起始點。

GPS聯(lián)測和高等級導(dǎo)線在各個單位均有各自不同軟件和方法平差解算，在此不在贅述。在做較長距離導(dǎo)線時就會產(chǎn)生投影變形，投影變形處理與否將直接導(dǎo)致整個坐標系統(tǒng)成敗。

5 GPS測量技術(shù)與大地測量技術(shù)的應(yīng)用及比較

某工程施工控制測量采用“分層布網(wǎng)·兩級控制”的原則即以該工程首級控制網(wǎng)點為已知點對分層布設(shè)的加密控制網(wǎng)點進行測量。測量方法有常規(guī)大地測量技術(shù)和GPS靜態(tài)測量技術(shù)。對其中的兩次加密控制網(wǎng)（1、2）進行了大地測量技術(shù)和GPS靜態(tài)測量技術(shù)測量以比較測量結(jié)果的可靠性，為工程施工控制測量采用GPS靜態(tài)測量技術(shù)提供依據(jù)。

5.1網(wǎng)形介紹

施工加密控制網(wǎng)是以該工程首級控制網(wǎng)點作為已知起算點，根據(jù)施工進度進行加密以滿足施工測量放樣工作的需要。

5.2使用儀器、測量技術(shù)及結(jié)果

（1）應(yīng)用大地測量技術(shù)

大地測量技術(shù)主要采用大地測量儀器如經(jīng)緯儀、測距儀、干濕溫度計、氣壓計等對所布設(shè)的控制網(wǎng)進行測量。該工程控制網(wǎng)采用測邊網(wǎng)，高程采用測距三角高程，使用WILDT2經(jīng)緯儀+DI2002測距儀按照觀測技術(shù)要求進行施測。外業(yè)觀測數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理并進行平差計算其結(jié)果見表1、表2。

表1 網(wǎng)l大地測量技術(shù)坐標成果表（單位：m）

點名坐標

XYH

EQ1319946.45149151.24368.O33

EQ1419989.41448863.69340.558

EQ1519991.96848594.68644.873

EQ162O162.29248733.O4627.259

EQ1720151.39148798.83037.687

EQ1820147.35048986.OOO49.456

EQ1920236.35449102.34076.484

EQ2020235.87449183.69O76.624

表2 網(wǎng)2大地測量技術(shù)坐標成果表（單位：m）

點名坐標

XYH

左導(dǎo)墻20545.489448684.O207O.854

煙雨樓19974.67348373.25776.269

EQ0719924.14448719.81343.520

EQ1920236.349491O2.33676.480

EQ2119943.13549061.00959.412

EQ2219875.90748975.99277.3O7

EQ232O248.74548648.12O32.178

EQ2420159.30248747.91231.797

（2）應(yīng)用GPS靜態(tài)測量技術(shù)

GPS靜態(tài)測量技術(shù)就是根據(jù)制定的觀測方案，將幾臺GPS接收機安置在構(gòu)成同步環(huán)的待定點（未知點）上同時接收衛(wèi)星信號，直至將所有環(huán)路觀測完畢。觀測數(shù)據(jù)經(jīng)平差計算得到54北京坐標系的坐標，經(jīng)坐標轉(zhuǎn)換后得到某坐標系的坐標成果見表3。

表3 網(wǎng)1GPS測量坐標成果表（單位：m）

點名GPS坐標

XGPSYGPSHGPS

EQ1319946.45549151.24868.O34

EQ1419989.41248863.69640.562

EQ1519991.96548594.68944.873

EQ162O162.28848733.O5027.259

EQ1720151.38748798.84037.693

EQ1820147.34848986.OO149.455

EQ1920236.34849102.34076.477

EQ2020235.87649183.69276.627

為檢驗大地測量技術(shù)與GPS測量技術(shù)其起算點不同對測量結(jié)果的影響，對其部分點用GPS靜態(tài)測量技術(shù)進行檢測并更換網(wǎng)的起算數(shù)據(jù)組成網(wǎng)2′，見圖3。將54北京坐標系的平差結(jié)果轉(zhuǎn)換為某坐標系的結(jié)果見表4。

表4 網(wǎng)2′GPS測量坐標成果表（單位：m）

點名GPS坐標

XGPSYGPSHGPS

ZBDD19688.71449184.43789.O58

壩下20523.77748187.172113.999

EQ0719924.15348719.81943.52O

EQ1920236.355491O2.34076.480

EQ2119943.14349061.01459.422

EQ2219875.91248975.99777.3O5

EQ2320248.74848648.12432.187

圖3 GPS靜態(tài)測量技術(shù)

（3）GPS測量技術(shù)與大地測量技術(shù)結(jié)果比較

兩種結(jié)果的比較如表5和表6所示。

表5 網(wǎng)1坐標差值比較表（單位：mm）

點名X大地-XGPSY大地-YGPSH大地-HGPS

EQ13+6-5—1

EQ14+2-3—4

EQ15+3-3O

EQ16+4-4O

EQ17+4-10—6

EQ18+2-1+1

EQ19+6O+7

EQ20-2-2—3

表6 網(wǎng)2與網(wǎng)2′坐標差值比較表（單位：mm）

點名X大地-XGPSY大地-YGPSH大地-HGPS

EQ07-9-60

EQ19-6-40

EQ21-8-5-10

EQ22-5-5-2

EQ23-3-4-9

EQ24-5-6-7

由表5、表6可知：兩種測量方法的結(jié)果存在差值是由于兩種測量方法本身的測量誤差和坐標轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型誤差以及在平差計算中觀測量權(quán)配置不合理引起的，其三維坐標差值均小于±1O唧，可以滿足工程砼澆筑對加密施工控制網(wǎng)的精度要求。

6 總結(jié)

（1）采用本方法建立的工程控制網(wǎng)，其長度變形很小，可忽略不計。對于測圖、設(shè)計和施工放樣，都可以做到圖紙與實際對照，不必考慮投影改正。

（2）測區(qū)中心點A的坐標與國家坐標完全相同，其他各點由于旋轉(zhuǎn)和到中心A的距離差別，與國家坐標有較小的差異。

（3）用該坐標系統(tǒng)測出的大比例地形圖，可以通過相應(yīng)的數(shù)字化軟件縮小為1：1萬地形圖，插入國家l：l萬標準圖幅中，這時在測區(qū)的周邊與國家標準1：1萬圖紙會出現(xiàn)不完全銜接，但這種不銜接在誤差允許的范圍內(nèi)，可以利用軟件進行必要的修飾。采用工程坐標系所成地形圖插入l：1萬地形圖中，進行同等使用，設(shè)計的工程在不同比例的地形圖中坐標一致，位置相同。這將對工程的設(shè)計、施工放樣人員使用不同比例尺地形圖帶來許多方便。

參考文獻：

[1]李清岳，陳永奇.工程測量[M].北京：測繪出版社，1995.

[2]周建鄭.GPS測量定位技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2O04.