GPS測(cè)量技術(shù)及其在工程測(cè)量中的應(yīng)用要點(diǎn)分析

阮靖文

（中鐵建大橋工程局集團(tuán)南方工程有限公司，廣州 511400）

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提升，工程項(xiàng)目建設(shè)環(huán)境更為復(fù)雜，傳統(tǒng)工程測(cè)量技術(shù)已無(wú)法滿(mǎn)足新時(shí)期工程測(cè)量的基本要求。GPS測(cè)量技術(shù)是在人造衛(wèi)星觀測(cè)站的作用下，針對(duì)工程項(xiàng)目分布區(qū)域構(gòu)建完整的觀測(cè)網(wǎng)，精準(zhǔn)地獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，為工程項(xiàng)目建設(shè)提供更有參考價(jià)值的數(shù)據(jù)信息，幫助建設(shè)方優(yōu)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案，確定各區(qū)域的地形信息，以此減少工程項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的一種新型測(cè)量技術(shù)。

2 工程概述

明珠灣大橋工程線路起始于萬(wàn)頃沙島的萬(wàn)環(huán)西路，止于南沙經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)虎門(mén)聯(lián)絡(luò)道，是南沙明珠灣區(qū)的重要交通通道。路線橫跨南沙街和珠江街，西起于珠江街萬(wàn)環(huán)西路，向東跨越龍穴南水道后，東接虎門(mén)聯(lián)絡(luò)道，全線大致呈西南—東北走向，全長(zhǎng)約9 134 m，規(guī)劃為60 m寬的城市主干路，雙向8車(chē)道。

3 GPS測(cè)量技術(shù)相關(guān)定義

GPS測(cè)量技術(shù)是基于人造衛(wèi)星所進(jìn)行的點(diǎn)位測(cè)量技術(shù)，應(yīng)用GPS測(cè)量技術(shù)時(shí)，可在人造衛(wèi)星數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下，建立精密的控制網(wǎng)，隨后根據(jù)控制網(wǎng)內(nèi)的點(diǎn)位對(duì)地面的公路、建筑物、隧道、大壩進(jìn)行測(cè)量。相較于其他測(cè)量技術(shù)，GPS測(cè)量具有實(shí)時(shí)性、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，且測(cè)量結(jié)果精度高，所需時(shí)間短。據(jù)了解，基于GPS測(cè)量技術(shù)的工程測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)的精度可保持在分米級(jí)、厘米級(jí)；實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，動(dòng)態(tài)GPS測(cè)量?jī)H需幾秒、幾分鐘，靜態(tài)GPS測(cè)量可控制在50～180 min。另外，GPS測(cè)量操作流程簡(jiǎn)單，可選點(diǎn)位范圍廣，測(cè)量成本低，可滿(mǎn)足建筑工程、路橋工程、隧道工程等不同類(lèi)型工程項(xiàng)目測(cè)量的基本要求[1]。

4 工程測(cè)量中GPS測(cè)量的常用方法

4.1 靜態(tài)測(cè)量

在定位過(guò)程中，接收機(jī)的位置是固定的，處于靜止?fàn)顟B(tài)，這種定位方式稱(chēng)為靜態(tài)定位。根據(jù)參考點(diǎn)的位置不同，靜態(tài)定位又包括絕對(duì)定位和相對(duì)定位兩種方式。

1）絕對(duì)定位（也叫單點(diǎn)定位）以衛(wèi)星與觀測(cè)站之間的距離（距離差）觀測(cè)為基礎(chǔ)，根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)，來(lái)確定觀測(cè)站的位置，其實(shí)質(zhì)就是測(cè)量學(xué)里面的空間后方交會(huì)。由于衛(wèi)星鐘與接收機(jī)鐘難以保持嚴(yán)格同步，所測(cè)距離均包含了衛(wèi)星鐘與接收機(jī)鐘不同步的原因，故習(xí)慣地稱(chēng)之為偽距。衛(wèi)星鐘差可以根據(jù)導(dǎo)航電文中的參數(shù)進(jìn)行改正，而接收機(jī)鐘差通常難以確定，一般將接收機(jī)鐘差作為未知參數(shù)，與觀測(cè)站的坐標(biāo)一并求解。因此，進(jìn)行絕對(duì)定位在一個(gè)觀測(cè)站至少需要同步觀測(cè)4顆衛(wèi)星，才能求出觀測(cè)站三維坐標(biāo)分量與接收機(jī)鐘差4個(gè)未知參數(shù)[2]。

當(dāng)接收機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)下，用于確定觀測(cè)站絕對(duì)坐標(biāo)的方法稱(chēng)之為靜態(tài)絕對(duì)定位。這時(shí)，由于可以連續(xù)地測(cè)定衛(wèi)星至觀測(cè)站的偽距，所以可獲得充分、多余觀測(cè)量，相應(yīng)的可以提高定位的精度。單點(diǎn)定位沒(méi)有測(cè)站的同步數(shù)據(jù)可以比較，大氣折光、衛(wèi)星鐘差等誤差項(xiàng)就無(wú)法通過(guò)同步觀測(cè)的線性組合加以消除或減弱，只能依靠相應(yīng)的模型來(lái)修正。因此，靜態(tài)絕對(duì)定位目前只能達(dá)到厘米級(jí)精度。

2）靜態(tài)相對(duì)定位，就是將多臺(tái)GPS接收機(jī)安置在不同的觀測(cè)站上，保持各接收機(jī)固定不動(dòng)，同步觀測(cè)相同的GPS衛(wèi)星，以確定各觀測(cè)站在WCS-84坐標(biāo)系中的相對(duì)位置或基線向量的方法。在多個(gè)觀測(cè)站同步觀測(cè)相同衛(wèi)星的情況下，衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、電離折射誤差和對(duì)流層折射誤差等，對(duì)觀測(cè)值的影響具有一定的相關(guān)性。所以，利用這些觀測(cè)值的不同組合進(jìn)行相對(duì)定位，便可有效地消除或減弱上述誤差的影響，從而提高相對(duì)定位的精度。靜態(tài)相對(duì)定位一股采用載波相位觀測(cè)量作為基本觀測(cè)值，這一點(diǎn)位方法，是目前GPS定位中精度最高的一種[3]。

4.2 RTK測(cè)量

RTK技術(shù)（Real Time Kinematic）是利用GPS載波相位觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位的技術(shù)，是建立在及時(shí)處理2個(gè)測(cè)站的載波相位基礎(chǔ)上的。載波相位差分技術(shù)能實(shí)時(shí)提供觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并達(dá)到厘米級(jí)的高精度。由基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈及時(shí)將其載波觀測(cè)值及基準(zhǔn)站坐標(biāo)信息一同傳送給用戶(hù)站，用戶(hù)站接收GPS衛(wèi)星的載波相位與來(lái)自基準(zhǔn)站的載波相位，并組成相位差分觀測(cè)值進(jìn)行及時(shí)處理，能及時(shí)給出厘米級(jí)的定位結(jié)果。

5 工程測(cè)量中的GPS測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

5.1 靜態(tài)測(cè)量

1）點(diǎn)位選擇。點(diǎn)位選擇是GPS靜態(tài)測(cè)量的基礎(chǔ)工作。正式選擇點(diǎn)位前，相關(guān)人員應(yīng)采集項(xiàng)目資料，確定工程測(cè)量范圍，了解測(cè)量位置、所需點(diǎn)位數(shù)量、觀測(cè)位置的分布情況等。通常情況下，為發(fā)揮點(diǎn)位的觀測(cè)功能，應(yīng)選擇視野寬闊的點(diǎn)位，點(diǎn)位周邊障礙物的高度角應(yīng)低于10°，以此控制點(diǎn)位之間的路徑偏差。另外，為保證GPS測(cè)量時(shí)衛(wèi)星信號(hào)的穩(wěn)定性，還應(yīng)選擇穩(wěn)固的觀測(cè)點(diǎn)位，點(diǎn)位周?chē)?00 m處不得存在高壓輸電線、無(wú)線電設(shè)備等。

2022年，明珠灣大橋工程復(fù)測(cè)的平面控制點(diǎn)位有16個(gè)，點(diǎn)號(hào)分別為MK3、MK4、MK9、ME4、ME5、ME7、ME11、HS2～HS7、YD1、LJ8、LS1。確定觀測(cè)點(diǎn)位后，為使各GPS觀測(cè)點(diǎn)能夠形成網(wǎng)絡(luò)，還應(yīng)及時(shí)標(biāo)記點(diǎn)位，標(biāo)記后的測(cè)量點(diǎn)禁止隨意更改。

2）GPS復(fù)測(cè)。工程測(cè)量活動(dòng)中，項(xiàng)目測(cè)量精度等級(jí)不同，所設(shè)計(jì)的技術(shù)方案會(huì)存在明顯的差異性。在明珠灣大橋項(xiàng)目中，其復(fù)測(cè)和加密測(cè)量采用GPS，按D級(jí)GPS網(wǎng)精度測(cè)量。因此，在應(yīng)用GPS測(cè)量技術(shù)時(shí)，應(yīng)明確GPS復(fù)測(cè)的技術(shù)指標(biāo)。比如，該項(xiàng)目根據(jù)GB/T 18314—2009《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》，同步觀測(cè)的有效人造衛(wèi)星數(shù)量應(yīng)大于或等于4顆，觀測(cè)時(shí)間點(diǎn)不得小于45 min，數(shù)據(jù)采樣頻率應(yīng)保持在10～30 s/次，衛(wèi)星截止高度角應(yīng)大于15°，天線對(duì)中精度需小于3 mm。

3）外業(yè)測(cè)量。外業(yè)測(cè)量是工程測(cè)量的核心內(nèi)容，關(guān)系著工程測(cè)量的整體質(zhì)量。應(yīng)用GPS測(cè)量技術(shù)進(jìn)行工程外業(yè)測(cè)量時(shí)，應(yīng)結(jié)合工程測(cè)量范圍，科學(xué)選擇測(cè)量點(diǎn)。確定測(cè)量點(diǎn)位后固定觀測(cè)設(shè)備，并使用人造衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采集工程測(cè)繪中GPS測(cè)量所需的衛(wèi)星信號(hào)，安裝觀測(cè)用的天線。明珠灣大橋工程項(xiàng)目中外業(yè)測(cè)量方法主要是按照GB/T 18314—2009《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》要求，用4臺(tái)GPS接收機(jī)同時(shí)接收數(shù)據(jù)。同步作業(yè)圖形之間采用邊連接的方式，并做到有很強(qiáng)的圖形結(jié)構(gòu)，確保該觀測(cè)控制網(wǎng)的高精度和高可靠性[4]。

5.2 RTK測(cè)量

5.2.1 RTK測(cè)量的日常應(yīng)用

1）道路施工。RTK可應(yīng)用于道路施工中的原地面采集、放樣道路中邊樁、邊坡開(kāi)挖填筑工作，極大限度地提升道路施工效率。以道路放樣為例，RTK測(cè)量技術(shù)支持下，相關(guān)人員可應(yīng)用RTK軟件導(dǎo)入道路施工設(shè)計(jì)中標(biāo)準(zhǔn)橫斷面、加寬、道路邊坡、路基結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示道路施工活動(dòng)中當(dāng)前里程、路基路面填挖值等數(shù)據(jù)，從而減少道路施工對(duì)計(jì)算設(shè)備、設(shè)計(jì)圖紙的依賴(lài)，有效地提升道路施工中的外業(yè)放樣效率。

2）橋梁測(cè)量。橋梁測(cè)量中RTK可用于橋梁樁基、基坑開(kāi)挖的放樣與復(fù)核。橋梁工程放樣測(cè)量時(shí)，RTK測(cè)量技術(shù)可在放樣作業(yè)中，將GPS基準(zhǔn)站布設(shè)在橋梁工程測(cè)量控制網(wǎng)內(nèi)，隨后利用移動(dòng)站進(jìn)行放樣。放樣后從RTK測(cè)量控制器中提取放樣測(cè)量時(shí)獲取的“橋位坐標(biāo)”。準(zhǔn)確地標(biāo)記橋梁結(jié)構(gòu)，控制施工誤差。

3）大土方開(kāi)挖。大土方開(kāi)挖中，RKT技術(shù)的主要作用集中在原地面測(cè)量、計(jì)算土石方量、邊坡開(kāi)挖控制、截水溝放樣等方面。以土石方測(cè)量為例，相較于傳統(tǒng)全站儀測(cè)量技術(shù)，RTK測(cè)量技術(shù)可在各網(wǎng)格點(diǎn)放樣處理后，高效率地測(cè)量土石方外業(yè)量，且RTK具有“放樣直線”功能，所以在實(shí)際測(cè)量中可直接分解土石方測(cè)量區(qū)域的方格網(wǎng)，將其分解為直線，每隔10 m設(shè)置1個(gè)測(cè)量點(diǎn)，從而減少土石方工程測(cè)量時(shí)的逐點(diǎn)測(cè)量工作，提升土石方量的測(cè)量效率。

5.2.2 工程測(cè)量中RTK的應(yīng)用要點(diǎn)

1）測(cè)量放樣。移動(dòng)站是應(yīng)用RTK技術(shù)的基礎(chǔ)配置，工程測(cè)量中可在移動(dòng)站作用下，使用RTK手簿控制器驅(qū)動(dòng)接收設(shè)備進(jìn)行放樣測(cè)量。測(cè)量初期，控制器會(huì)提示接收機(jī)設(shè)備初始化已完成，隨后控制器顯示區(qū)域會(huì)直接顯示工程測(cè)量中垂直精度、水平精度等參數(shù)。正式放樣前，測(cè)量人員應(yīng)導(dǎo)入DTM、點(diǎn)位、曲線、橋梁、道路等基礎(chǔ)放樣數(shù)據(jù)，然后打開(kāi)測(cè)量圖表，選擇RTK中的放樣選項(xiàng)；放樣時(shí)，RTK會(huì)顯示放樣點(diǎn)位置、水平距離、觀測(cè)值，若放樣點(diǎn)、移動(dòng)站距離過(guò)小時(shí)，可利用RTK控制器中的測(cè)量鍵進(jìn)行實(shí)測(cè)。

2）控制測(cè)量。據(jù)了解，RTK測(cè)量技術(shù)在20 km內(nèi)的測(cè)量精度約為3 cm，所以根據(jù)工程測(cè)量中“控制測(cè)量”的相關(guān)要求，RTK技術(shù)可滿(mǎn)足工程項(xiàng)目控制測(cè)量要求。比如，在橋梁工程放樁測(cè)量中，RTK可檢核基準(zhǔn)站5 km范圍內(nèi)的4等GPS控制點(diǎn)。結(jié)果表明，該范圍內(nèi)測(cè)量坐標(biāo)的分量最大差值不高于30 mm，高程最大差值為5 cm，表示RTK測(cè)量能夠滿(mǎn)足該工程測(cè)量中Ⅰ級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)精度控制要求[5]。

5.3 數(shù)據(jù)分析

GPS測(cè)量技術(shù)實(shí)踐中，還應(yīng)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，有效分析工程測(cè)量數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確核算各項(xiàng)參數(shù)，以此保證工程測(cè)量的精確度、整體質(zhì)量。比如，測(cè)量人員可基于外業(yè)檢測(cè)技術(shù)，評(píng)估GPS測(cè)量數(shù)據(jù)與工程測(cè)量情況的匹配度，建立GPS工程測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)。明珠灣大橋項(xiàng)目中，GPS測(cè)量后復(fù)測(cè)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理主要包括GPS的基線解算和內(nèi)業(yè)平差兩方面。基線處理時(shí)，結(jié)合GPS檢測(cè)網(wǎng)的基線解算，采用華測(cè)CGO數(shù)據(jù)處理軟件，獲取觀測(cè)值。驗(yàn)算外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，可在觀測(cè)工作結(jié)束后，利用基線解算進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)算，并檢驗(yàn)外業(yè)測(cè)量時(shí)的復(fù)測(cè)基線邊、三邊同步環(huán)基線。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，城市化進(jìn)程中，工程建設(shè)過(guò)程中的質(zhì)量要求不斷提升，工程測(cè)量的必要性更為突出。GPS測(cè)量技術(shù)作為新時(shí)期常見(jiàn)工程測(cè)量手段，其在工程項(xiàng)目建設(shè)中可通過(guò)動(dòng)態(tài)化、靜態(tài)化的觀測(cè)技術(shù)，建立觀測(cè)控制網(wǎng)，科學(xué)確定工程測(cè)量點(diǎn)位，準(zhǔn)確獲取工程建設(shè)中的地形信息，為工程建設(shè)提供完整的數(shù)據(jù)參考，為各類(lèi)工程項(xiàng)目的質(zhì)量控制打好基礎(chǔ)。