淺談GPS在工程測量中的應(yīng)用

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　  一 、GPS的構(gòu)成定位原理及測量特點

　  1.構(gòu)成。GPS是一個由覆蓋全球的24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)。它位于距地表20200千米的上空，均勻分布在6 個軌道面上(每個軌道面4 顆) ，軌道傾角為55度。此外，還有4顆有源備份衛(wèi)星在軌運(yùn)行。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖像。這項技術(shù)可以用來引導(dǎo)飛機(jī)、船舶、車輛以及個人，安全、準(zhǔn)確地沿著選定的路線，準(zhǔn)時到達(dá)目的地。GPS定位技術(shù)具有高精度、高效率和低成本的優(yōu)點，使其在各類大地測量控制網(wǎng)的加強(qiáng)改造和建立以及在公路、建筑工程測量和大型構(gòu)造物的變形測量中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

　  2.定位原理。GPS定位是根據(jù)測量中的距離交會定點原理實現(xiàn)的。在待測點設(shè)置GPS接收機(jī)，在某一時刻同時接收到3顆（或3顆以上）衛(wèi)星所發(fā)出的信號。通過數(shù)據(jù)處理和計算，可求得該時刻接收機(jī)天線中心（測站點）至衛(wèi)星的距離。根據(jù)衛(wèi)星星歷可查到該時刻3顆衛(wèi)星的三維坐標(biāo)，從而由下式解算出待測點的三維坐標(biāo)。

　  3.測量特點。相對于常規(guī)測量來說，GPS測量主要有以下特點：①測量精度高。GPS觀測的精度明顯高于一般常規(guī)測量，在小于50 千米的基線上，其相對定位精度可達(dá)1×10－6，在大于1 000 千米的基線上可達(dá)1×10－8。②測站間無需通視。GPS測量不需要測站間相互通視，可根據(jù)實際需要確定點位，使得選點工作更加靈活方便。③觀測時間短。隨著GPS測量技術(shù)的不斷完善，軟件的不斷更新，在進(jìn)行GPS測量時，靜態(tài)相對定位每站僅需20 分鐘左右，動態(tài)相對定位僅需幾秒鐘。④儀器操作簡便。目前GPS接收機(jī)自動化程度越來越高，操作智能化，觀測人員只需對中、整平、量取天線高及開機(jī)后設(shè)定參數(shù)，接收機(jī)即可進(jìn)行自動觀測和記錄。⑤全天候作業(yè)。GPS衛(wèi)星數(shù)目多，且分布均勻，可保證在任何時間、任何地點連續(xù)進(jìn)行觀測，一般不受天氣狀況的影響。⑥提供三維坐標(biāo)。GPS測量可同時精確測定測站點的三維坐標(biāo)，其高程精度已可滿足四等水準(zhǔn)測量的要求。

　  二、工程實例應(yīng)用

　  1.工程概況

　  本工程是寶豐縣政府和某教育投資發(fā)展有限公司聯(lián)合開發(fā)的一所綜合性教科研基地。位于縣城產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)內(nèi)，南鄰平寶大道，東依鄭堯高速，毗鄰平頂山西客站，城市干道環(huán)繞，交通地理位置優(yōu)越。園區(qū)規(guī)劃總占地面積1200畝，該區(qū)域地形有起伏，海拔高度在108米~125米之間，地上附屬物較少。項目基地呈不規(guī)則長方形，與南北向夾角約為50度，地勢呈東南低西北高，為緩坡地形。為了該工程的設(shè)計和施工，需建立首級控制網(wǎng)?？紤]到工程復(fù)雜，工期較緊，測區(qū)通視困難，地形起伏等因素，決定采用GPS測量。

　  2.測量技術(shù)設(shè)計

　  （1）設(shè)計依據(jù)

  　GPS測量的技術(shù)設(shè)計主要依據(jù)1999年建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市測量規(guī)范》、1997年原建設(shè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程》及工程測量合同有關(guān)要求制定的。

　  （2）設(shè)計精度

　  根據(jù)工程需要和測區(qū)情況，選擇城市或工程二級GPS網(wǎng)作為測區(qū)首級控制網(wǎng)。要求平均邊長小于1 千米，最弱邊相對中誤差小于1／10 000，GPS接收機(jī)標(biāo)稱精度的固定誤差a≤15 毫米，比例誤差系 數(shù)b≤20×10－6。

　  （3）設(shè)計基準(zhǔn)和網(wǎng)形

  　控制網(wǎng)共12個點，其中聯(lián)測已知平面控制點2個，高程控制點5個。采用3臺GPS接收機(jī)觀測，網(wǎng)形布設(shè)成邊連式。

　  （4）觀測計劃

　  根據(jù)GPS衛(wèi)星的可見預(yù)報圖和幾何圖形強(qiáng)度，選擇最佳觀測時段（衛(wèi)星多于4顆，且分布均勻，PDOP值小于6），并編排作業(yè)調(diào)度表。

　  3.GPS測量的外業(yè)實施

　  （1）選點。GPS測量測站點之間不要求一定通視，圖形結(jié)構(gòu)也比較靈活，因此，點位選擇比較方便。但考慮GPS測量的特殊性，并顧及后續(xù)測量，選點時應(yīng)著重考慮：①每點最好與某一點通視，以便后續(xù)測量工作的使用；②點周圍高度角15度以上不要有障礙物，以免信號被遮擋或吸收；③點位要遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源、高壓電線等，以免電磁場對信號的干擾；④點位應(yīng)選在視野開闊、交通方便、有利擴(kuò)展、易于保存的地方，以便觀測和日后使用；⑤選點結(jié)束后，按要求埋設(shè)標(biāo)石，并填寫點之記。

　  （2）觀測。根據(jù)GPS作業(yè)調(diào)度表的安排進(jìn)行觀測，采取靜態(tài)相對定位，衛(wèi)星高度角15度，時段長度45分鐘，采樣間隔10 秒。在3個點上同時安置3臺接收機(jī)天線（對中、整平、定向），量取天線高，測量氣象數(shù)據(jù)，開機(jī)觀察，當(dāng)各項指標(biāo)達(dá)到要求時，按接收機(jī)的提示輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，則接收機(jī)自動記錄，觀測者填寫測量手簿。

　  4.GPS測量的外業(yè)實施

　  GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理分為基線解算和網(wǎng)平差兩個階段，采用隨機(jī)軟件完成。經(jīng)基線解算、質(zhì)量檢核、外業(yè)重測和網(wǎng)平差后，得到GPS控制點的三維坐標(biāo)，其各項精度指標(biāo)符合技術(shù)設(shè)計要求。

　  三、應(yīng)用體會

　  通過GPS在測量中的應(yīng)用，得到如下體會。

　  1.GPS控制網(wǎng)選點靈活，布網(wǎng)方便，基本不受通視、網(wǎng)形的限制，特別是在地形復(fù)雜、通視困難的測區(qū)，更顯其優(yōu)越性。但由于測區(qū)條件較差，邊長較短（平均邊長不到300 米），基線相對精度較低，個別邊長相對精度大于1／10 000。因此，當(dāng)精度要求較高時，應(yīng)避免短邊，無法避免時，要謹(jǐn)慎觀測。

　  2.GPS接收機(jī)觀測基本實現(xiàn)了自動化、智能化，且觀測時間在不斷減少，大大降低了作業(yè)強(qiáng)度，觀測質(zhì)量主要受觀測時衛(wèi)星的空間分布和衛(wèi)星信號的質(zhì)量影響。但由于個別點的選定受地形條件限制，造成樹木遮擋，影響對衛(wèi)星的觀測及信號的質(zhì)量，經(jīng)重測后通過。因此，應(yīng)嚴(yán)格按有關(guān)要求選點，擇最佳時段觀測，并注意手機(jī)、步話機(jī)等設(shè)備的使用。

　  3.GPS測量的數(shù)據(jù)傳輸和處理采用隨機(jī)軟件完成，只要保證接收衛(wèi)星信號的質(zhì)量和已知數(shù)據(jù)的數(shù)量、精度，即可方便地求出符合精度要求的控制點三維坐標(biāo)。但由于聯(lián)測已知高程點較少（僅聯(lián)測5個），致使的控制點高程精度較低。因此，要保證控制點高程的精度，必須聯(lián)測足夠的已知高程點。