淺談GPS在工程測(cè)量中的應(yīng)用

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　  一 、GPS的構(gòu)成定位原理及測(cè)量特點(diǎn)

　  1.構(gòu)成。GPS是一個(gè)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(gè)軌道面上(每個(gè)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(shí)間都可觀測(cè)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(xiàng)技術(shù)可以用來(lái)引導(dǎo)飛機(jī)、船舶、車輛以及個(gè)人，安全、準(zhǔn)確地沿著選定的路線，準(zhǔn)時(shí)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(diǎn)，使其在各類大地測(cè)量控制網(wǎng)的加強(qiáng)改造和建立以及在公路、建筑工程測(cè)量和大型構(gòu)造物的變形測(cè)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(cè)量中的距離交會(huì)定點(diǎn)原理實(shí)現(xiàn)的。在待測(cè)點(diǎn)設(shè)置GPS接收機(jī)，在某一時(shí)刻同時(shí)接收到3顆（或3顆以上）衛(wèi)星所發(fā)出的信號(hào)。通過(guò)數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，可求得該時(shí)刻接收機(jī)天線中心（測(cè)站點(diǎn)）至衛(wèi)星的距離。根據(jù)衛(wèi)星星歷可查到該時(shí)刻3顆衛(wèi)星的三維坐標(biāo)，從而由下式解算出待測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

　  3.測(cè)量特點(diǎn)。相對(duì)于常規(guī)測(cè)量來(lái)說(shuō)，GPS測(cè)量主要有以下特點(diǎn)：①測(cè)量精度高。GPS觀測(cè)的精度明顯高于一般常規(guī)測(cè)量，在小于50 千米的基線上，其相對(duì)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(cè)站間無(wú)需通視。GPS測(cè)量不需要測(cè)站間相互通視，可根據(jù)實(shí)際需要確定點(diǎn)位，使得選點(diǎn)工作更加靈活方便。③觀測(cè)時(shí)間短。隨著GPS測(cè)量技術(shù)的不斷完善，軟件的不斷更新，在進(jìn)行GPS測(cè)量時(shí)，靜態(tài)相對(duì)定位每站僅需20 分鐘左右，動(dòng)態(tài)相對(duì)定位僅需幾秒鐘。④儀器操作簡(jiǎn)便。目前GPS接收機(jī)自動(dòng)化程度越來(lái)越高，操作智能化，觀測(cè)人員只需對(duì)中、整平、量取天線高及開(kāi)機(jī)后設(shè)定參數(shù)，接收機(jī)即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)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(shí)間、任何地點(diǎn)連續(xù)進(jìn)行觀測(cè)，一般不受天氣狀況的影響。⑥提供三維坐標(biāo)。GPS測(cè)量可同時(shí)精確測(cè)定測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其高程精度已可滿足四等水準(zhǔn)測(cè)量的要求。

　  二、工程實(shí)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(kāi)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(xiàng)目基地呈不規(guī)則長(zhǎng)方形，與南北向夾角約為50度，地勢(shì)呈東南低西北高，為緩坡地形。為了該工程的設(shè)計(jì)和施工，需建立首級(jí)控制網(wǎng)。考慮到工程復(fù)雜，工期較緊，測(cè)區(qū)通視困難，地形起伏等因素，決定采用GPS測(cè)量。

　  2.測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)

　  （1）設(shè)計(jì)依據(jù)

  　GPS測(cè)量的技術(shù)設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)量技術(shù)規(guī)程》及工程測(cè)量合同有關(guān)要求制定的。

　  （2）設(shè)計(jì)精度

　  根據(jù)工程需要和測(cè)區(qū)情況，選擇城市或工程二級(jí)GPS網(wǎng)作為測(cè)區(qū)首級(jí)控制網(wǎng)。要求平均邊長(zhǎng)小于1 千米，最弱邊相對(duì)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(jì)基準(zhǔn)和網(wǎng)形

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

　  （4）觀測(cè)計(jì)劃

　  根據(jù)GPS衛(wèi)星的可見(jiàn)預(yù)報(bào)圖和幾何圖形強(qiáng)度，選擇最佳觀測(cè)時(shí)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(cè)量的外業(yè)實(shí)施

　  （1）選點(diǎn)。GPS測(cè)量測(cè)站點(diǎn)之間不要求一定通視，圖形結(jié)構(gòu)也比較靈活，因此，點(diǎn)位選擇比較方便。但考慮GPS測(cè)量的特殊性，并顧及后續(xù)測(cè)量，選點(diǎn)時(shí)應(yīng)著重考慮：①每點(diǎn)最好與某一點(diǎn)通視，以便后續(xù)測(cè)量工作的使用；②點(diǎn)周圍高度角15度以上不要有障礙物，以免信號(hào)被遮擋或吸收；③點(diǎn)位要遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源、高壓電線等，以免電磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)的干擾；④點(diǎn)位應(yīng)選在視野開(kāi)闊、交通方便、有利擴(kuò)展、易于保存的地方，以便觀測(cè)和日后使用；⑤選點(diǎn)結(jié)束后，按要求埋設(shè)標(biāo)石，并填寫(xiě)點(diǎn)之記。

　  （2）觀測(cè)。根據(jù)GPS作業(yè)調(diào)度表的安排進(jìn)行觀測(cè)，采取靜態(tài)相對(duì)定位，衛(wèi)星高度角15度，時(shí)段長(zhǎng)度45分鐘，采樣間隔10 秒。在3個(gè)點(diǎn)上同時(shí)安置3臺(tái)接收機(jī)天線（對(duì)中、整平、定向），量取天線高，測(cè)量氣象數(shù)據(jù)，開(kāi)機(jī)觀察，當(dāng)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到要求時(shí)，按接收機(jī)的提示輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，則接收機(jī)自動(dòng)記錄，觀測(cè)者填寫(xiě)測(cè)量手簿。

　  4.GPS測(cè)量的外業(yè)實(shí)施

　  GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理分為基線解算和網(wǎng)平差兩個(gè)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(cè)和網(wǎng)平差后，得到GPS控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其各項(xiàng)精度指標(biāo)符合技術(shù)設(shè)計(jì)要求。

　  三、應(yīng)用體會(huì)

　  通過(guò)GPS在測(cè)量中的應(yīng)用，得到如下體會(huì)。

　  1.GPS控制網(wǎng)選點(diǎn)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(cè)區(qū)，更顯其優(yōu)越性。但由于測(cè)區(qū)條件較差，邊長(zhǎng)較短（平均邊長(zhǎng)不到300 米），基線相對(duì)精度較低，個(gè)別邊長(zhǎng)相對(duì)精度大于1／10 000。因此，當(dāng)精度要求較高時(shí)，應(yīng)避免短邊，無(wú)法避免時(shí)，要謹(jǐn)慎觀測(cè)。

　  2.GPS接收機(jī)觀測(cè)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化，且觀測(cè)時(shí)間在不斷減少，大大降低了作業(yè)強(qiáng)度，觀測(cè)質(zhì)量主要受觀測(cè)時(shí)衛(wèi)星的空間分布和衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量影響。但由于個(gè)別點(diǎn)的選定受地形條件限制，造成樹(shù)木遮擋，影響對(duì)衛(wèi)星的觀測(cè)及信號(hào)的質(zhì)量，經(jīng)重測(cè)后通過(guò)。因此，應(yīng)嚴(yán)格按有關(guān)要求選點(diǎn)，擇最佳時(shí)段觀測(cè)，并注意手機(jī)、步話機(jī)等設(shè)備的使用。

　  3.GPS測(cè)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(hào)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(diǎn)三維坐標(biāo)。但由于聯(lián)測(cè)已知高程點(diǎn)較少（僅聯(lián)測(cè)5個(gè)），致使的控制點(diǎn)高程精度較低。因此，要保證控制點(diǎn)高程的精度，必須聯(lián)測(cè)足夠的已知高程點(diǎn)。