GPS在高精度工程測(cè)量控制網(wǎng)中的應(yīng)用研究

包月長(zhǎng)

（貴陽(yáng)市測(cè)繪院 貴州貴陽(yáng) 550000）

GPS在高精度工程測(cè)量控制網(wǎng)中的應(yīng)用研究

包月長(zhǎng)

（貴陽(yáng)市測(cè)繪院 貴州貴陽(yáng) 550000）

新時(shí)期，將GPS測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于高精度監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)中，能夠在很大程度上提高監(jiān)測(cè)工作效率。GPS測(cè)量技術(shù)測(cè)量定位具有高精度、高效益、全天候，并且無(wú)需通視等優(yōu)點(diǎn)，因此，被廣泛應(yīng)用于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域。本文以GPS技術(shù)在某電廠(chǎng)工程高精度變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)中的應(yīng)用為研究實(shí)例，詳細(xì)探究控制網(wǎng)觀(guān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、以及應(yīng)用成果比較。

GPS技術(shù)；高精度工程測(cè)量控制網(wǎng)；應(yīng)用

引言

GPS全球定位系統(tǒng)，是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展而出現(xiàn)的新一代精密衛(wèi)星定位技術(shù)。近年來(lái)，GPS接收機(jī)質(zhì)量和精度不斷提高，大大拓展了它的應(yīng)用范圍和在工程測(cè)量中的應(yīng)用。

1 GPS簡(jiǎn)介

1.1 GPS構(gòu)成

GPS系統(tǒng)主要由三部分組成，分別為：空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶(hù)設(shè)備部分。

（1）GPS系統(tǒng)的空間部分指的是GPS工作衛(wèi)星星座，共有24顆衛(wèi)星組成，包括21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星，所有的衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道上。軌道平面呈55°傾角，軌道平均高度20200km。

（2）GPS系統(tǒng)的地面監(jiān)控部分由主控站、信息注入站和監(jiān)測(cè)站等地面站組成。

（3）GPS系統(tǒng)的用戶(hù)設(shè)備主要由微機(jī)處理機(jī)、GPS接收機(jī)硬件、數(shù)據(jù)處理軟件以及終端設(shè)備組成。

1.2 GPS測(cè)量的技術(shù)特性

GPS技術(shù)屬于最新的空間定位技術(shù)，其技術(shù)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）區(qū)域范圍小，網(wǎng)中基線(xiàn)邊短，GPS接收機(jī)的衛(wèi)星信號(hào)具有基本相同的誤差特性，而公共誤差可以相互抵消。因此，只需制定合理的觀(guān)測(cè)方案設(shè)計(jì)，即可獲得高精度觀(guān)測(cè)結(jié)果。

（2）采用精密衛(wèi)星星歷。精密定位的基礎(chǔ)是精密衛(wèi)星星歷，能夠幫助被調(diào)制在L1載波上的包含GPS衛(wèi)星軌道參數(shù)、衛(wèi)星軌道信息等多種信號(hào)分量，獲得最精準(zhǔn)的觀(guān)測(cè)值。

衛(wèi)星軌道誤差對(duì)基線(xiàn)邊的影響一般在下式范圍：

|△r|＜|△b|＜|△r|10|r||b|4|r|

式中：△r——衛(wèi)星的軌道誤差矢量；

r——衛(wèi)星到觀(guān)測(cè)站的位移矢量；

b——兩觀(guān)測(cè)站之間的基線(xiàn)矢量；

△b——觀(guān)測(cè)基線(xiàn)邊的誤差矢量。

（3）測(cè)量精度高。GPS測(cè)量能取得極高的相對(duì)精度，其基線(xiàn)向量的相對(duì)精度可達(dá)到10-5～10-8，如果觀(guān)測(cè)方法合理，則精度可達(dá)毫米級(jí)甚至亞毫米級(jí)。

（4）不需要通視條件，工作點(diǎn)選擇靈活。與傳統(tǒng)的測(cè)量方式相比，GPS測(cè)量無(wú)需考慮站點(diǎn)間的相互通視，增強(qiáng)了工作點(diǎn)選擇的靈活性。

（5）自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)全天候自動(dòng)觀(guān)測(cè)。GPS系統(tǒng)是一種單程系統(tǒng)，一般用戶(hù)只需接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，信號(hào)接收可以晝夜觀(guān)測(cè)，而且GPS外業(yè)觀(guān)測(cè)操作簡(jiǎn)單，具有低成本、高效率以及自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

2 工程實(shí)例

某電廠(chǎng)因工程施工需要建立高精度工程測(cè)量控制網(wǎng)，要求在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)12個(gè)控制點(diǎn)，控制網(wǎng)的平面點(diǎn)位精度要求在2mm以?xún)?nèi)。其主要目的和作用是：為廠(chǎng)區(qū)內(nèi)各級(jí)控制網(wǎng)的建立、廠(chǎng)區(qū)形變監(jiān)測(cè)提供基準(zhǔn)，為廠(chǎng)區(qū)內(nèi)建筑物施工定位、放樣測(cè)量、設(shè)備安裝測(cè)試及局部控制網(wǎng)加密提供依據(jù)。

控制網(wǎng)測(cè)量在施工初期通視性較好，隨著施工的進(jìn)行，控制點(diǎn)的通視性越來(lái)越差，全站儀的測(cè)量也更加困難。為了找到更加可行的測(cè)量方法，在本工程項(xiàng)目中利用全站儀進(jìn)行三角測(cè)量的同時(shí)，利用GPS對(duì)部分控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)兩種測(cè)量方法獲得的成果進(jìn)行比較，研究應(yīng)用GPS建立高精度工程測(cè)量控制網(wǎng)的可行性，并為日后利用GPS進(jìn)行測(cè)量提供實(shí)踐依據(jù)。

2.1 控制網(wǎng)觀(guān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)

控制網(wǎng)的觀(guān)測(cè)方案按照規(guī)范要求，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況和三角測(cè)量、GPS測(cè)量的特點(diǎn)與具體要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1.1 三角測(cè)量方案

三角測(cè)量利用TC2003全站儀進(jìn)行測(cè)量，水平角采用全圓觀(guān)測(cè)法觀(guān)測(cè)6個(gè)測(cè)回，垂直角采用對(duì)向觀(guān)測(cè)中絲法觀(guān)測(cè)3個(gè)測(cè)回。邊長(zhǎng)采用正倒鏡往返觀(guān)測(cè)3測(cè)回測(cè)量斜邊，最終結(jié)果取平均值。同時(shí)，在測(cè)量邊長(zhǎng)時(shí)測(cè)線(xiàn)的兩端測(cè)量溫度和氣壓，在內(nèi)業(yè)中進(jìn)行邊長(zhǎng)氣象改正?？刂凭W(wǎng)圖如圖1。

2.1.2 GPS測(cè)量方案

為了使GPS測(cè)量獲得精度較高的數(shù)據(jù)，在12個(gè)控制點(diǎn)中選擇8個(gè)測(cè)站進(jìn)行測(cè)量，要求上空盡可能開(kāi)闊，在15高度角以上沒(méi)有成片的障礙物，周?chē)s200m的范圍內(nèi)沒(méi)有強(qiáng)電磁波干擾源，并且測(cè)站要遠(yuǎn)離對(duì)電磁波信號(hào)反射強(qiáng)烈的地點(diǎn)。

y表示被解釋變量，即個(gè)人的社會(huì)地位。edu1表示高等教育變量，Xi表示性別、健康、社會(huì)態(tài)度等控制變量。β1表示高等教育的社會(huì)地位回報(bào)，λi表示相應(yīng)控制變量的回歸系數(shù)，具體回歸結(jié)果如表2所示。

圖1 控制網(wǎng)圖

GPS測(cè)量采用四臺(tái)Leica雙頻GPS接收機(jī)進(jìn)行，測(cè)量時(shí)GPS接收機(jī)安置在觀(guān)測(cè)墩強(qiáng)制歸心基座上。設(shè)置衛(wèi)星截止高度角大于15，有效衛(wèi)星總數(shù)不少于6個(gè)，重復(fù)觀(guān)測(cè)時(shí)段數(shù)不少于2個(gè)時(shí)段，歷元采樣時(shí)間間隔為15s，GDOP值小于6，觀(guān)測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度大于90min。采用靜態(tài)測(cè)量作業(yè)模式進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)GDOP值大于6時(shí)，適當(dāng)延長(zhǎng)觀(guān)測(cè)時(shí)間。GPS測(cè)量時(shí)確保一定的重復(fù)設(shè)站次數(shù)，并對(duì)異步環(huán)中相鄰很近的兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行同步觀(guān)測(cè)，以提高整個(gè)網(wǎng)的相對(duì)精度?？刂凭W(wǎng)圖如圖2。

圖2 控制網(wǎng)圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

本次三角網(wǎng)測(cè)量，共組成16個(gè)三角形，總邊長(zhǎng)13260.1410m，平均邊長(zhǎng)378.8610m，最小邊長(zhǎng)88.3790m，最大邊長(zhǎng)835.313m，三角形最大內(nèi)角閉合差為 3.45″，最小為 0.01″。

三角測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)外業(yè)數(shù)據(jù)計(jì)算各項(xiàng)限差符合規(guī)范要求后，使用南方平差易2005平差軟件以A01為起算點(diǎn)，以A01～A04為起算方向進(jìn)行平差處理。平差前方向中誤差0.54″，經(jīng)平差后，最大點(diǎn)位誤差[A14]=1.4mm，最小點(diǎn)位誤差 [A12]=1.0mm，平均點(diǎn)位誤差=1.2mm，最大點(diǎn)間誤差=2.7mm，最大邊長(zhǎng)比例誤差1/161685，平面網(wǎng)驗(yàn)后單位權(quán)中誤差=0.70s。平差結(jié)果表明，三角測(cè)量方法在本次測(cè)量中取得較高的精度。

GPS測(cè)量數(shù)據(jù)處理先利用天寶GPS測(cè)量平差軟件進(jìn)行基線(xiàn)解算，解算出的基線(xiàn)比率和參考變量均符合要求，最后導(dǎo)出基線(xiàn)解算成果，利用CosaGPS平差軟件，增加已知邊長(zhǎng)與方位角的多種方法進(jìn)行平差計(jì)算，平差結(jié)果如下：

（1）利用兩個(gè)已知坐標(biāo)進(jìn)行二維約束平差，最弱點(diǎn)A14的點(diǎn)位中誤差為1.7mm，最弱邊SA02-A10的邊長(zhǎng)比例誤差為1/189000。

（2）利用兩個(gè)已知坐標(biāo)與兩個(gè)已知邊長(zhǎng)進(jìn)行二維約束平差，最弱點(diǎn)A14的點(diǎn)位中誤差為1.5mm，最弱邊SA10-A02的邊長(zhǎng)比例誤差為1/177000。

（4）利用兩個(gè)已知坐標(biāo)、三個(gè)已知邊長(zhǎng)和一個(gè)已知的方位角進(jìn)行二維約束平差，最弱點(diǎn)A14的點(diǎn)位中誤差為1.2mm，最弱邊SA10-A02的邊長(zhǎng)比例誤差為1/174000。

表1 三角測(cè)量平差坐標(biāo)與GPS二維約束平差的坐標(biāo)比較

2.3 成果比較

為了檢查GPS平差坐標(biāo)精度的可靠性，對(duì)三角測(cè)量平差獲得的坐標(biāo)與GPS二維約束平差后獲得的坐標(biāo)進(jìn)行比較。

通過(guò)表1多種GPS二維約束平差后獲得的坐標(biāo)，與三角測(cè)量平差獲得的坐標(biāo)的比較可以看出：GPS二維約束平差后的坐標(biāo)與三角測(cè)量平差獲得的坐標(biāo)有差別，但隨著GPS平差已知條件的增加，GPS二維約束平差后獲得的坐標(biāo)接近三角測(cè)量平差獲得的坐標(biāo)。因而在GPS的數(shù)據(jù)平差處理中，增加高精度的已知數(shù)據(jù)參與約束平差，可以獲得較高的GPS測(cè)量坐標(biāo)精度。

3 結(jié)語(yǔ)

GPS技術(shù)測(cè)量精度高，不易受到環(huán)境因素的影響，能夠在很大程度上提高工作質(zhì)量。GPS技術(shù)將徹底改變工程測(cè)量模式，可以直接進(jìn)行實(shí)地實(shí)時(shí)放樣、點(diǎn)位測(cè)量等。GPS測(cè)量可以極大地降低勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，減少野外砍伐工作量，提高作業(yè)效率。由此可見(jiàn)，將GPS技術(shù)應(yīng)用于高精度工程測(cè)量控制網(wǎng)中具有十分重要的作用。

[1]韋興劍.GPS技術(shù)及其在工程測(cè)量中的應(yīng)用研究[J].科協(xié)論壇（下半月），2009（04）：25～26.

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[3]戴隆華，馬學(xué)良，聞洪峰.GPS在帶狀控制測(cè)量應(yīng)用中一些相關(guān)問(wèn)題的探討[J].測(cè)繪與空間地理信息，2010（06）：63～64.

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A

1004-7344（2016）01-0153-02

2015-8-20

包月長(zhǎng)（1972-），正安人，高級(jí)工程師，本科，主要從事測(cè)繪工作。