GPS技術在工程施工測量中的應用

(四川華澤建筑設計有限公司 四川 成都 610000)

一、工程測量中應用GPS定位技術的基本原理及特點

(一)GPS定位技術的基本原理

GPS定位的基本原理是根據幾何與物理的一些基本原理，利用空間分布的衛星及其與地面點間距離來交會出地面點位置，從測量的角度來說，它與測距后方交會法相似。GPS定位系統主要由空間衛星星座、地面監控站及用戶設備三部分構成。

1.空間衛星星座由24顆衛星均勻分布在6個軌道平面內，GPS衛星用L波段的兩個無線電載波向使用者連續不斷地發送導航定位信號，信號中含有衛星的位置坐標信息，使衛星成為一個動態的已知點。在地球的任何地點、任何時刻，在高度角15°以上，平均可同時觀測到6顆衛星，最多可達到9顆。

2.地面監控站主要由分布在全球的一個主控站、三個注入站和五個監測站組成。主控站收集各監測站的觀測數據，計算各衛星的軌道參數、鐘差參數等，并將這些數據傳送到注入站，再由注入站將主控站發來的導航信息數據注人到相應衛星的存儲器中。

3.用戶設備由GPS接收機、數據處理軟件及終端設備(如計算機)等組成。GPS接收機接受待測衛星的信號，對信號進行一系列地處理，再通過相應軟件計算待測點的三維坐標。GPS系統采用了距離交會法，根據已知的衛星瞬時坐標，確定用戶天線所對應觀測點的位置。

(二)GPS系統的主要特點

1.定位精度高。實踐證明，用載波相位觀測量進行靜態相對定位在小于50km的基線上可達1ppm；300～1500m工程精密定位中，平面位置誤差小于1mm(1h以上觀測)；實時動態定位(RTK)可達厘米級的精度。

2.觀測時間短。目前，20km以內靜態相對定位的時間僅需15～20min，快速靜態定位只需2min左右，實時動態定位每站觀測1～2s就可完成。

3.測站間無需通視。這是GPS技術區別于常規測量的最大優點，尤其是布設長大隧道施工控制網時，可省去大量的傳算點、過渡點的測量，大大減少測量作業時間和費用，同時也使選點布網變得非常靈活。

二、GPS定位技術在工程施工測量中應用的具體方法

(一)準備工作

1.對待測區進行勘察，并收集相關資料。主要調查當地的控制點分布情況、交通情況、水文分布情況、植被情況、以及當地的風俗民情等。相關資料包括待測區的地形圖，各類控制點成果以及與之有關的地質、交通、氣象、通信等方面的資料。

2.擬定觀測計劃。觀測計劃的主要內容包括：(1)設計精度。要求平均邊長小于1km，最弱邊相對誤差小于1/10000，GPS接收機標稱精度的固定誤差a≤15mm，比例誤差系數b≤20×10-6。(2)編制GPS衛星的可見性預報圖，選擇衛星的幾何圖形強度。(3)選擇最佳的觀測時段。根據衛星可見預報和天氣預報選擇最佳觀測時段，衛星的幾何分布越好，定位精度就越高

3.選擇接收機型號并檢驗。一般小于20公里點位情況良好，宜采用單頻接收機，反之，選用雙頻接收機。接收機性能的檢驗主要有：一般檢驗，主要檢查接收機各部件及其附件是否完好，使用手冊等相關資料是否齊全等；通電檢驗，主要是檢驗接收機通電后有關信號燈、按鍵、顯示系統和儀表的工作情況；實測檢驗，主要檢驗方法為標準基線檢驗、已知坐標邊長檢驗、零基線檢驗、相位中心偏移量檢驗。

(二)外業測量工作

1.合理選點。GPS觀測點的選取比較靈活，但也要遵循GPS測量的一些原則。

(1)每點最好能與其中某一點通視。(2)應選擇在上空開闊、視場內周圍障礙物的高度角小于15°，以免信號被遮擋或吸收，影響觀測質量。(3)要遠離大功率無線電發射源和高壓電線等，其距離應大于200m，以免電磁場對信號的干擾。

2.埋設標志。GPS網點應埋設具有標志的標石，以精確標志點位，點的埋設必須堅固以利于長久保存與利用，并做好記錄。

三、工程測量中應用GPS定位技術的優缺點及相關處理措施

(一)GPS定位技術應用于工程測量中的優點

相對于常規的測量方法來講，GPS定位技術應用于工程測量有以下優點：(1)定位精度高，誤差分布均勻。(2)觀測時間短。(3)抗干擾能力強，保密性好，可以實現全天候連續測量定位。(4)自動化程度高，操作簡便。(5)采用GPS-RTK測量法與常規測量法相比，效率可提高一倍以上，并能大幅度降低作業人員的勞動強度。

(二)GPS定位技術應用于工程測量中的缺點及相關處理措施

GPS定位技術應用于工程測量也存在不足之處，主要缺點和注意事項如下：(1)GPS測量系統中信號傳播，受環境的影響，計算時引入一定的誤差。因此，選待測點時一定要保證點位上空視角范圍內應盡量避免有障礙物，向上角度≥15°；遠離大功率無線電發射源和遠離高壓輸電線路；避開大面積的水域。(2)在市政工程測量中，GPS測量常出現接收不到信號，或者一直處于浮動狀態，出現假固定或者不能固定。因此，GPS在市政工程測量時，為保證工程測量控制點精度滿足要求，應進一步使用常規儀器進行水準聯測。(3)不同型號GPS工程測量成果之間存在差異。因此，GPS網在進行平差計算時應注意：歸算至大地水準面上；歸算到高斯投影面上。(4)GPS定位技術尚沒有統一規范。因此相關部門應進一步完善規范標準，統一的地理信息標準。

四、GPS定位技術在工程施工測量中的誤差分析及改進措施

(一)空間衛星誤差

衛星誤差主要有衛星星歷誤差、衛星鐘的誤差、衛星軌道誤差和衛星設備延遲誤差。其中衛星軌道誤差主要誤差來源之一。改進措施有：(1)忽略軌道誤差。(2)模型改正法。(3)引進改正參數法。(4)同步求差法。(5)合理選擇軟硬件及測量地點和方法。

(二)空間傳播誤差

空間傳播誤差主要有電離層傳播延遲、對流層折射誤差、多路徑效應誤差等。其中多路徑效應誤差的影響可達到厘米級，是不容忽視的。改進措施有：(1)避開較強的反射面，如水面、平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等。(2)選擇良好的接收機，減少干擾，提高精度。

五、問題與思考

(1)儀器選型問題。接收機型號、生產廠家眾多，精度和基本功能相似，但穩定性、抗干擾能力、接收和處理信號能力、困難條件下跟蹤能力、初始化速度相差很大，尤其是RTK作業。用于工程施工測量尤其是橋隧控制測量的儀器，穩定和可靠性壓倒一切，因此，應多渠道、全方位調查、了解，并盡可能通過實測檢驗。(2)布網問題。控制網應采用邊連式和網連式，長大隧道進、出口間控制點聯接方式最好采用網連式，以增加檢核條件，提高可靠性。(3)觀測時段選擇。實施外業觀測前應收集最新的衛星星歷，選擇衛星數大于5，且PDOP值小于8(B級網應小于6)的時段安排觀測。