GPS 在工程測量實踐中的應用及存在的問題

李淑云

（臨沂市城市建設勘察測繪院，山東臨沂 276000）

1 引言

GPS 作為一種新型應用技術，具有測量時間短、精度高等特點，在工程測量中得到普遍應用，為保證工程項目規劃建設的精度和質量提供強有力的技術保障，還可滿足降本增效的新要求。但是，在實際應用中還存在著些許問題，如點位選擇難度較大、高程精度穩定性不足、受電離層干擾較大等，需要從外業和內業工作中共同著手進行優化，通過合理選擇觀測時段、適當增加測回頻率、內業數據優化等方式，使GPS 技術的測量精準度進一步提升，在工程測量領域實現長遠發展。

2 GPS 技術原理與構成

2.1 技術原理

GPS 是指衛星導航定位系統利用距離交會的方式確定目標方位。技術原理為：利用GPS 衛星、接收端、導航電文等進行位置信息采集，根據技術要求在指定位置設置GPS 接收機，在特定時刻同時接收至少3 顆衛星發出的導航電文，經過數據接收前后所需時間的計算，得出GPS 接收機與衛星間的距離。同時，還可利用GPS 接收衛星星歷獲得某一時刻衛星在空間范圍內的三維坐標。

2.2 構成要素

GPS 系統是由地面監控系統、空間衛星群構成，且衛星接收設備屬于基礎內容，技術構成要素如下：

1）地面控制系統。該系統由主控站、注入站、監測站構成，且系統間的作用不盡相同。主控站的作用在于修改衛星鐘參數、計算衛星星歷，且計算所需參數由監測站供給，將修改后的參數傳遞給注入站，由注入站接收后才可發揮修改作用；監控站的作用在于接收GPS 衛星中發射的各類信號。

2）衛星接收設備。該設備由氣象儀、接收機以及計算機信息處理軟件等組成，作用在于采集GPS 衛星中傳遞的信號，且經過綜合分析后確定位置。氣象儀針對外界氣候條件進行測量，避免氣候因素對測量產生干擾，提高測量結果的準確性；信息處理軟件是將數據收集起來綜合分析，是接收設備的基礎。

3）空間衛星群。由6 個軌道面上分布的24 顆GPS 衛星構成，且每個GPS 衛星與地面的距離均為2×105km，彼此間的夾角為60°。衛星所處軌道面與地球赤道面的交角約為55°，通過此種形式的分布，可保障接收到4～11 顆衛星傳遞的信號[1]。

3 GPS 技術在市政工程測量中的應用方法

3.1 技術要求

CORS 即連續運行衛星定位服務系統，RTK 即實時動態定位測量，可展現出全天候、全自動、實時提供網絡覆蓋面積的三維坐標、時間信息。GZCORS 是由8 個GPS 基準站與1個監控站構成，能夠覆蓋8 000 km2的區域，通過GZCORS 進行網絡RTK 測量，與常規技術相比，可使測量精準度與效率得到顯著提升。在實際應用中，先利用無線網傳遞GGA 格式的大致坐標，在控制中心接收到信息后，結合用戶所處位置，利用計算機自動挑選出最佳的固定基準站，綜合分析各個站傳遞的信息，對誤差進行糾正，使RTK 作業距離受限問題得到良好解決。在CORS-RTK 技術應用中，只需投入1 臺GPS接收機即可，效率十分可觀。根據技術規范內容，外業觀測條件見表1。

表1 CORS-RTK外業觀測條件要求

3.2 實際應用

廣州位于廣東省東南位置，東經112°57′～114°3′，北緯22°26′～23°56′。該市市政工程勘查中，利用CORS-RTK 技術針對似大地水準面進行轉換。涉及區域路面交通流較大，設施較多，道路兩側建筑物密度大，房屋布設不規則，通視的阻擋因素較多，作業難度大。在外業觀測中，共計對1 229 個點位進行了觀測，其中，廣州市區內部611 個，增城區140 個，蘿崗區478 個。對CORS-RTK 的內復核精度進行計算，公式為：

式中，m內為CORS-RTK 的內復核精度；△H為觀測值與算數均值之差；N為某個點位的測回數。經過數據統計，在不同區域的高程內符合精度統計見表2。將3 個區域的數據對比分析，發現中心城區的內符合精度與其他兩個市區相比較低。究其原因，主要是中心城區內建筑密度相對更大，取置信度為0.95，3 個片區內符合精度值約為3 cm。

表2 各區高程內復核精度統計

為了探究CORS-RTK 的外符合精度，可將成果內的59個測段高差和四等水準高差進行對比分析，采用式（2）和式（3）對外符合精度進行計算：

式中，m外為CORS-RTK 的外復核精度；Δ 為水準測量的偶然中誤差；Hj與Hi分別為工程勘測段中任何一段的i和j兩個端點的高程；h水準為i、j兩點位之間的水準高差；n為測段數。因勘測段的距離較短，且地勢起伏不大，可將其看成是真實值。經過計算，外符合精度為±0.05 m，將兩個最大值0.21 與0.20 剔除后，m外=±0.034 m，這意味著在外業環境良好的情況下，CORS-RTK 高程的精準度可達到四等；在外業狀態較差的情況下，只能達到圖根精度。在普查成果期間，隨機選出10 個點位進行復測，將復測結果與初測值進行對比，最大最小值之差在-0.06～0.06 m 的點位，見表3[2]。

表3 初測與復測高程異常值m

根據表3 可知，兩次測試的差值相差較大。究其原因，在不同時間觀測時，受衛星、電離層等因素的影響不同而產生差值。據調查，極值較差在0～30 mm 的有6 個點位，占比為60.00%；較差在31～50 mm 的有3 個點位，占比為30.00%；較差在51～60 mm 的有1 個點位，占比為10.00%，均與四等要求相符合。

3.3 存在問題

當前，CORS 在多個城市的市政工程中普及應用，在實際測量過程中，普遍存在以下問題，對測量結果產生了較大影響，在本項目中也不例外。

1）點位選擇難度較大。GPS 測量精度主要受外業觀測條件的影響，因廣州地區的交通流量較大，高層建筑物較多，且密度較大，有時很難找到較為空曠適合測量的地方，特別是在老城區，點位選取難度相對更大。部分點位被嚴重遮擋，難以開展測量工作，只能利用傳統方式開展勘測工作。

2）高程精度穩定性不足。根據外業采集的數據可知，GPS測量平面精度較為穩定，各個測回間的變化幅度約為1 cm，但因高程測回互差的變化幅度較大，特別是在觀測條件受限的情況下，最大超過15 cm，對其實際應用效率產生了不良影響。

3）受電離層干擾較大。廣州的緯度較低，與上午相比，下午電離層更加活躍，全天有超過50%的時間均處于活躍狀態。在此期間，應盡量減少測量工作開展，因為很容易出現較大的誤差，甚至導致模糊度解算錯誤。可見，在外業開展之前，為了減少電離層產生的干擾，應對電離層和衛星情況進行查看和分析，才可保障測量工作開展客觀高效。

3.4 優化處理

3.4.1 外業觀測優化

針對電離層活躍對測量工作產生干擾的問題，先要合理選擇觀測時段，優先在上午開展測量工作，下午可開展點位選擇、埋樁、邊長測量等相關工作，并安排好各項工序的開展時間，使其無縫銜接，提高工作效率。值得注意的是，應避免在復雜天氣狀態下開展測量工作，因為惡劣天氣會使流層、電離層的延遲誤差均受到不良影響。其次，在測量區域內選擇較為空曠的點位。因城市建筑密度較大，絕對空曠的位置基本沒有，可盡量在廣場、人行天橋等遮擋相對較少之處進行測量，可使衛星數量充足，減少多路徑效應。此外，還應適當增加測回頻率。在CORS-RTK 技術應用中，觀測頻率應超過3 個測回，且各個測回的較差值應在3 cm 以內。在測量工作中，通過增加測回次數的方式，可保證內含的3 個測回能夠滿足要求。為了探究最佳測回次數，針對廣州市普查成果中的300 個點位進行分析，統計結果見表4。根據表3 數據可知，通常外業觀測在4～5 個測回即可，如若外業條件較差，可適當增加測回次數至7～8 次，如若外業條件很差，應擇期開展測量工作[3]。

表4 測回數量統計結果

3.4.2 內業數據優化

在外業測量期間，受觀測條件影響，如若條件較差應適當增加測回次數。據調查，CORS-RTK 平面精度較為穩定、高程精度不穩的情況下，如若觀測條件較弱，可使一個點位觀測3～15 個測回不等。假設有超過3 個點位的測回符合較差要求，將其劃為一組，此時得到的高程數據具有以下特點：（1）只有一組能夠符合測回限差標準；（2）數據呈現分群情況，有超過2組的數據分別滿足測回限差標準；（3）數據較為離散，雖然測回次數較多，但仍沒有3 個測回能夠符合限差標準。

在高程數據處理前，應事先將與限值數據不相符合的數據剔除，如若平面坐標測回較差離散，意味著測量誤差較大，會影響最終結果的可靠性。對此，可采用以下方式處理高程數據：先令C為測回較差的限值，如若只有一組數據滿足C，可將與之不符的數據剔除，計算較差數據的平均值；如若有超過2 組數據符合C，則可根據實際情況選擇兩種做法。一種是檢查測量報告，如若組間衛星、PDOP 值有顯著差異，應優先選擇衛星和PDOP 最佳的一組；另一種是如若各組衛星與PDOP值普遍較為相近，如若組的測回數值相差較大，則應選擇測回次數最多的一組。如若測回數較為相近，可采用全站儀檢測，最后對與高程值最為貼近的點位高程進行計算。如若測回頻率較高，但卻難以找到3 個測回符合C，則意味著觀測環境較差，可重新選擇點位或者擇期再測。

4 結語

綜上所述，與傳統的測量技術相比，GPS 測量技術在精準度、可靠性方面有諸多優勢，還可降低測繪強度，將技術人員從繁重的現場測量中解脫出來。但是，在工程測量應用中，還可能出現點位選擇難度較大、高程精度穩定性不足、受電離層干擾較大等問題，要求測量人員加強重視，通過合理選擇觀測時段、適當增加測回頻率、內業數據優化等方式，使GPS 技術的測量精準度進一步提升，在工程測量領域充分發揮其應用價值。