全球定位系統（GPS）在工程測量中的應用

方俊

【摘 要】全球定位系統（GPS）在工程測量中的應用，在最近幾年已得到迅速推廣，遍及測量各個領域，廣泛應用于大地測量、工程測量、航空攝影測量以及地形測量。本文介紹 GPS控制網的特點及設計原則，結合武漢三環線某工程實際情況，重點介紹GPS測量用于全橋控制網加密的測設，并對動態GPS-RTK定位技術在施工測量中實時放樣作簡要的的介紹。

【關健詞】全球定位系統（GPS） 設計原則 控制網加密

1概述

全球定位系統 GPS 的英文全稱是 NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System（導航星測時與測距全球定位系統），簡稱 GPS ，有時也被稱作NAVSTAR GPS。主要由空間部分、地面控制部分、用戶部分組成。

2 GPS控制網的特點及設計原則

2.1 GPS網的特點

（1）采用相對定位方法。（2）GPS測量不要求各點之間互相通視。（3）GPS測量可以全天候進行。（4）觀測時間短。（5）GPS測量的數據是自動記錄的。（6）充分考慮建立GPS控制網的應用范圍，采用分級布網的原則。（7）GPS測量的精度標準。

通常用網中相鄰點間的距離中誤差表示，其形式為：

國家測繪局1992年制訂的我國第一部“GPS測量規范”將GPS的精度分為A—E五級（見表1）。其中A、B兩級一般是國家GPS控制網。C、D、E三級是針對局部性GPS網規定的。

2.2 GPS網的設計原則

（1）通過獨立觀測邊構成閉合圖形，增加檢核條件，提高網可靠性。（2）盡量與原有地面控制網相重合，重合點一般不少于3個，且分布均勻。（3）應考慮與水準點相重合 ，或在網中布設一定密度水準聯測點。（4）應設在視野開闊和容易到達的地方，聯測方向。（5）可在網點附近布設一通視良好的方位點，以便建立聯測方向。

根據GPS測量的不同用途，GPS網的獨立觀測邊均應構成一定的幾何圖形，基本形式有：三角形網、環形網、星形網。

3 GPS控制網的加密

武漢東三環某工地位于京廣客運專線鐵路和王青公路之間狹長地帶，南端為九峰森林保護區，沿線主要以灌草叢和樹木為主，地貌復雜，按常規測設控制網加密點，很多區域和方向有遮擋，點位之間不通視，在測設過程中有很多困難。而應用GPS控制網的特點，測設無需通視，使得選點更加靈活方便。但測站上空必須開闊，以使接收GPS衛星信號不受干擾。

該測區由設計院提供的兩個基準控制點進行布網。分別是：SH01（381290.864，543055.307）、GE09（378515.040，543313.425）。沿全線加密10個控制點（如圖1）。

3.1采用的基準和系統

本次控制網復測與加密所采用的平面坐標系統為1954年北京坐標系，高斯-克呂格投影，中央子午線經度114°，投影至0米高程面；高程系統采用1985國家高程基準。

3.2布網要求

GPS網相鄰點間基線中誤差 按下式計算： 。式中 （mm）為固定誤差； （ppm）為比例誤差系數； （km）為相鄰點間的距離。GPS-E級網的主要技術要求應符合表2規定。相鄰點最小距離應為平均距離的1/2～1/3；最大距離應為平均距離的2～3倍。

3.3作業要求

（1）為保證GPS測量精度，采用載波相位靜態相對定位作業模式，E級GPS測量作業的基本技術要求應符合表2的規定。（2）觀測組應嚴格按調度表規定的時間進行作業，以保證同步觀測同一衛星組。當情況有變化需修改調度計劃時，應經作業隊負責人同意，觀測組不得擅自更改計劃。（3）各觀測時段的前后各量取天線高一次，兩次量高之差不大于3mm。天線高是指觀測時天線平均相位中心至測站中心標志面的高度，分為上、下兩段：上段是指相位中心至天線底面的高度，這是常數hc，由廠家給出；下段是從天線底面至測站中心標志面的高度，由觀測員在現場采用傾斜測量方法直接量取。具體方法是：

從三腳架三個空檔（互成120°）測量天線底盤下表面至測站中心標志面的距離，互差應小于3mm，取平均值為L，天線底盤半徑為R，再利用廠家提供的hc，按天線高 求出。（4）觀測員在作業期間不得擅自離開測站，并防止儀器受震動和被移動，防止人和其它物體靠近天線，遮擋衛星信號。（5）外業觀測記錄各時段結束后，應及時將每天外業觀測記錄結果錄入計算機硬、軟盤。

3.4數據處理方案

基線解算，基線解算以雙差固定解作為最終結果，雙差固定解的可靠性由以下兩項指標來判別，即固定解的單位權中誤差（Rms）和整周模糊度檢驗倍率（Ratio），其檢驗值見表3和表4。根據表3判別時，Rms必須首先符合

要求，而Ratio值越大表示固定值越可靠。

注：（1）觀測時段長度應視點位周圍障礙物情況、基線長短而作調整。（2）可不觀測氣象要素，但應記錄雨、晴、陰、云等天氣狀況。

3.5 GPS網平差

3.5.1三維無約束平差

在三維無約束平差中，基線向量的改正數（Vδx、Vδy、Vδz）絕對值應滿足下式要求：

Vδx≤3

Vδy≤3

Vδz≤3

式中： 為E級GPS控制網規定的基線的精度。當超限時，可認為該基線或其附近存在粗差基線，應采用軟件提供的方法或人工方法剔除粗差基線，直至符合上式要求。

3.5.2二維約束平差

在無約束平差確定的有效觀測量基礎上，以起算數據中提供的已知點作為強制約束的固定值，進行二維約束平差。

約束平差中，應將已知坐標點組合成不同的約束條件，以發現作為約束的已知坐標與GPS網不兼容（即約束平差結果嚴重扭曲GPS無約束平差結果的精度）見表5。

3.6數據處理成果

本次GPS網采用SH01、GE09作為已知點，基線處理通過后，通過CosaGPS平差軟件進行三維無約束平差和二維約束平差，二維約束平差成果如下：

GPS網成果數據滿足要求，外業作業時間短，大大提高作業的效率，減輕勞動強度，保證了高等級公路測設質量。

4 GPS-RTK實時放樣

RTK是指載波相位實時動態差分定位（Real-TimeKinematic），它是GPS發展的最新形式。RTK要求一臺基準站和至少一臺流動站及相配套的數據通訊鏈。基準站實時地把測站信息和所有觀測值通過數據鏈傳遞給流動站，流動站用先進的處理技術來瞬時求出流動站的三維坐標。本工工程應用Leica1200GPS-RTK進行實時放樣，基準站設置采用一步法，通過三個已知點和84坐標進行匹配建立的坐標系統。結合上述Leica1200GPS的特點和精度指標，實時放樣公路坐標完全滿足規范要求。

RTK放樣具有以下優點：（1）直接以厘米級精度實時測定中樁位置；（2）工作人員少；（3）工作效率高。

5結語

（1）GPS作業有著極高的精度。它的作業不受距離限制，非常適合于地形條件困難地區、局部重點工程地區等。（2）GPS測量可以大大提高工作及成果質量。它不受人為因素的影響。整個作業過程全由微電子技術、計算機技術控制，自動記錄、自動數據預處理、自動平差計算。（3）GPSRTK技術將徹底改變公路測量模式。RTK能實時地得出所在位置的空間三維坐標。這種技術非常適合路線、橋、隧勘察。它可以直接進行實地實時放樣、中樁測量、點位測量等。（4）GPS測量可以極大地降低勞動作業強度，提高作業效率。（5）GPS高精度高程測量同高精度的平面測量一樣，是GPS測量應用的重要領域。特別是在當前高等級公路逐漸向山嶺重丘區發展的形勢下，往往由于這些地區地形條件的限制，實施常規的幾何水準測量有困難，GPS高程測量無凝是一種有效的手段。

參考文獻：

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