摘要：本文詳細(xì)介紹了錦赤鐵路三標(biāo)在GPS平面控制測(cè)量中，儀器的選擇，控制網(wǎng)圖的設(shè)計(jì)、選點(diǎn)，以及測(cè)量時(shí)段的計(jì)算和組織方法。

關(guān)鍵詞：GPS 控制測(cè)量 控制網(wǎng)圖 測(cè)量時(shí)段

GPS自70年代發(fā)展以來，已應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)。應(yīng)用于測(cè)量中也超過30多年。應(yīng)用GPS進(jìn)行平面控制測(cè)量已經(jīng)是非常成熟的技術(shù)。目前GPS在道路工程中，主要是用于建立各種道路工程控制網(wǎng)及測(cè)定航測(cè)外控點(diǎn)等。高等級(jí)公鐵線路的迅速發(fā)展，對(duì)勘測(cè)技術(shù)提出了更高的要求。由于線路長、已知點(diǎn)少，用常規(guī)測(cè)量手段不僅布網(wǎng)困難，而且難以滿足高精度的要求，GPS技術(shù)解決了這一難題。目前，國內(nèi)已逐步采用GPS技術(shù)建立線路首級(jí)高精度控制網(wǎng)，采用常規(guī)方法布設(shè)導(dǎo)線加密。實(shí)踐證明，在幾十公里范圍內(nèi)的點(diǎn)位誤差只有2cm左右，達(dá)到了常規(guī)方法難以實(shí)現(xiàn)的精度，同時(shí)也大大縮短了工期。GPS技術(shù)也同樣應(yīng)用于特大橋梁和隧道的控制測(cè)量中。由于無需通視，即可構(gòu)成較強(qiáng)的網(wǎng)形，提高點(diǎn)位精度，同時(shí)對(duì)檢測(cè)常規(guī)測(cè)量的支點(diǎn)也非常有效，速度快、精度高，具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 現(xiàn)行規(guī)范

2007年國家發(fā)布《工程測(cè)量規(guī)范》（GB50026-2007），對(duì)利用GPS做平面控制測(cè)量進(jìn)行了規(guī)范，并于2008年5月1日起施行?！豆こ虦y(cè)量規(guī)范》要求，各等級(jí)衛(wèi)星定位測(cè)量控制網(wǎng)的主要技術(shù)指標(biāo)，應(yīng)符合表1的規(guī)定。

《工程測(cè)量規(guī)范》還要求GPS 控制測(cè)量在作業(yè)中的基本技術(shù)要求，應(yīng)符合表2的規(guī)定。

2 儀器的選擇

GPS平面控制使用差分信號(hào)后處理的形式來實(shí)現(xiàn)。由于GPS的應(yīng)用日益廣泛，實(shí)時(shí)差分機(jī)型，即RTK雙頻機(jī)，已得到廣泛應(yīng)用，甚至有雙星系統(tǒng)及多星系統(tǒng)的接收機(jī)。實(shí)時(shí)差分機(jī)型兼容差分信號(hào)后處理模式。

因?yàn)樾l(wèi)星沿著一個(gè)偏心軌道，有時(shí)離地球較近，有時(shí)又離得較遠(yuǎn)。這就要求地面主控站和注入站對(duì)衛(wèi)星的時(shí)間、軌道參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，同一系統(tǒng)的衛(wèi)星系統(tǒng)能保持相對(duì)位置間的監(jiān)控。多個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)之間，畢竟不是一家的技術(shù)，同步的協(xié)調(diào)性就很難滿足了。因此雙星系統(tǒng)及多星系統(tǒng)在數(shù)據(jù)的測(cè)量重復(fù)性和可靠性上，不一定能完美，甚至可能出現(xiàn)不能調(diào)和的誤差，得不到正確的測(cè)量數(shù)據(jù)。因此不建議使用雙星系統(tǒng)及多星系統(tǒng)的接收機(jī)。

靜態(tài)平面控制測(cè)量最低需3臺(tái)GPS接收器同步觀測(cè)。理論上同步接收器的數(shù)量越多，效率越高，但投入的人員和設(shè)備較多，協(xié)調(diào)起來比較困難。通過幾個(gè)項(xiàng)目工程的實(shí)踐，使用6臺(tái)GPS接收機(jī)同步測(cè)量比較經(jīng)濟(jì)，既能保證測(cè)量的精度，又能保證測(cè)量的效率，成本也能控制在合理范圍內(nèi)。

3 控制點(diǎn)網(wǎng)型設(shè)計(jì)

GPS網(wǎng)型一般多臺(tái)接收機(jī)在不同測(cè)站上進(jìn)行同步觀測(cè)，在完成一個(gè)時(shí)段的同步觀測(cè)后，又遷移到其它的測(cè)站上進(jìn)行同步觀測(cè)，每次同步觀測(cè)都可以形成一個(gè)同步圖形，在測(cè)量過程中，不同的同步圖形間一般有若干個(gè)公共點(diǎn)相連，整個(gè)GPS網(wǎng)由這些同步圖形構(gòu)成。一個(gè)由n臺(tái)儀器測(cè)定的同步圖形中，獨(dú)立基線的數(shù)量為n-1條，總的基線數(shù)量為：1/2×n×（n-1），其優(yōu)點(diǎn)：擴(kuò)展速度快，圖形強(qiáng)度較高，且作業(yè)方法簡(jiǎn)單。

同步網(wǎng)連接方式有以下幾種：

3.1 點(diǎn)連式控制點(diǎn)網(wǎng)型（圖1）

形式：相鄰的同步圖形間只通過一個(gè)公共點(diǎn)相連。

優(yōu)點(diǎn)：作業(yè)效率高，圖形擴(kuò)展迅速。

缺點(diǎn)：圖形強(qiáng)度低，如果連接點(diǎn)發(fā)生問題，將影響到后面的同步圖形。

3.2 邊連式控制點(diǎn)網(wǎng)型（圖2）

形式：相鄰的同步圖形間有一條邊（即兩個(gè)公共點(diǎn)）相連。

優(yōu)點(diǎn)：作業(yè)效率較高，圖形強(qiáng)度較強(qiáng)。

3.3 網(wǎng)連式控制點(diǎn)網(wǎng)型（圖3）

形式：相鄰的同步圖形間有3個(gè)（含3個(gè)）以上的公共點(diǎn)相連。

優(yōu)點(diǎn)：圖形強(qiáng)度最強(qiáng)。

缺點(diǎn)：作業(yè)效率偏低。

公司承擔(dān)的工程施工項(xiàng)目，都是公路、鐵路、引水工程等，其公共特性就是線條狀延伸型工程，其控制點(diǎn)（網(wǎng)）以導(dǎo)線的形式存在。因此，一般采用邊連式和網(wǎng)連式組合使用的方式進(jìn)行網(wǎng)圖設(shè)計(jì)。

4 現(xiàn)場(chǎng)布樁選點(diǎn)

4.1 布樁選點(diǎn)的原則

①為保證對(duì)衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤觀測(cè)和衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量，要求測(cè)站上空應(yīng)盡可能的開闊，在10°～15°高度角以上不能有成片的障礙物。

②為減少各種電磁波對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)的干擾，在測(cè)站周圍約200m的范圍內(nèi)不能有強(qiáng)電磁波干擾源，如大功率無線電發(fā)射設(shè)施、高壓輸電線等。

③為避免或減少多路徑效應(yīng)的發(fā)生，測(cè)站應(yīng)遠(yuǎn)離對(duì)電磁波信號(hào)反射強(qiáng)烈的地形、地物，如高層建筑、成片水域等。

④為便于觀測(cè)作業(yè)和今后的應(yīng)用，測(cè)站應(yīng)選在交通便利，上點(diǎn)方便的地方。

⑤根據(jù)儀器的個(gè)數(shù)和點(diǎn)位傳遞的需要，設(shè)計(jì)邊連接傳遞邊及網(wǎng)連接中的其中一條邊盡量垂直于導(dǎo)線延伸方向，以增強(qiáng)圖形結(jié)構(gòu)。

⑥測(cè)站應(yīng)選擇在易于保存的地方。

4.2 提高精度的原則

①網(wǎng)中距離較近的點(diǎn)一定要進(jìn)行同步觀測(cè)，以獲得它們間的直接觀測(cè)基線。

②建立框架網(wǎng)。

③最小異步環(huán)邊數(shù)不大于6。

④適當(dāng)引入高精度測(cè)距邊。

⑤若要進(jìn)行高程擬合，水準(zhǔn)點(diǎn)密度要高，分布要均勻，且要將擬合區(qū)域包圍起來。

⑥適當(dāng)延長觀測(cè)時(shí)間，增加觀測(cè)時(shí)段。

⑦選取適當(dāng)數(shù)量的已知點(diǎn)，已知點(diǎn)分布均勻。

控制網(wǎng)圖設(shè)計(jì)后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)選點(diǎn)布樁。有時(shí)現(xiàn)場(chǎng)客觀情況不允許，需要對(duì)網(wǎng)圖進(jìn)行修改?？傊瑢?shí)際成網(wǎng)的點(diǎn)位與投入的儀器數(shù)量、人員情況，分時(shí)段連接的圖形強(qiáng)度要相互匹配。

5 測(cè)量組織與實(shí)施

由于導(dǎo)航衛(wèi)星是在太空運(yùn)行的，相互間的位置時(shí)刻在變化，在測(cè)區(qū)位置的觀測(cè)條件不是24小時(shí)都保持良好。因此衛(wèi)星星歷預(yù)報(bào)尤為重要?，F(xiàn)有多款衛(wèi)星預(yù)報(bào)軟件，中海達(dá)衛(wèi)星星歷預(yù)報(bào)軟件比較全面，可預(yù)報(bào)GPS、GLONASS衛(wèi)星。

星歷預(yù)報(bào)軟件使用時(shí)，首先查找本測(cè)區(qū)中心坐標(biāo)（經(jīng)緯度），設(shè)置儀器高度角，限制PDOP值。測(cè)區(qū)經(jīng)緯度可由Google地球上找到。更新最新的衛(wèi)星星歷txt文件，并應(yīng)用更新，即可得到以下圖形，如圖4、5、6：

在上面圖中，橫坐標(biāo)為每日0：00-24：00的時(shí)間標(biāo)注，縱坐標(biāo)分別為測(cè)區(qū)中心位置所能觀測(cè)到的衛(wèi)星個(gè)數(shù)及PDOP值。

由以上圖形可以看出，在錦赤鐵路項(xiàng)目（測(cè)區(qū)中心位置：東經(jīng)120：04：00，北緯41：47：00）在2009年6月3日-6月5日中，高度角設(shè)置35度時(shí)，能進(jìn)行觀測(cè)的時(shí)間在6：30-14：00，及17：30-22：30。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)道路交通狀況，測(cè)量移站時(shí)間預(yù)計(jì)需要50分鐘，因此設(shè)計(jì)以下時(shí)段計(jì)劃（表3）。

此計(jì)劃中由于線路延伸及圖形強(qiáng)度的需要，安排了邊連接和圖形連接兩種方式，加強(qiáng)了中部的圖形結(jié)構(gòu)，對(duì)于異步環(huán)的檢核增加了檢核條件。

6 數(shù)據(jù)處理

外業(yè)數(shù)據(jù)采集后，當(dāng)天盡量傳輸至電腦中，進(jìn)行基線解算檢核。以便發(fā)現(xiàn)信號(hào)質(zhì)量和精度是否滿足要求。解算基線的軟件主要有萊卡的LGO，天寶的TGO，中海達(dá)的HDS2003等軟件。

在數(shù)據(jù)后處理中，首先解算基線。基線的解算通常是自動(dòng)完成的。如果觀測(cè)采集的數(shù)據(jù)非常好，那么所有的基線都能滿足要求。但是通常情況下，不是那么完美。利用改變衛(wèi)星高度角設(shè)置、采樣間隔時(shí)間、刪除衛(wèi)星信號(hào)噪點(diǎn)、刪除不合格衛(wèi)星來完成。解算完成的基線必須能夠通過基線檢核?；€解算的檢核有兩項(xiàng)，一是基線相對(duì)精度，不能低于等級(jí)要求；二是重復(fù)基線，就是傳遞邊兩次測(cè)量的重復(fù)精度。不同時(shí)段采集的數(shù)據(jù)，由于衛(wèi)星位置已經(jīng)變動(dòng)，它的精度隨著衛(wèi)星位置的移動(dòng)而變化。

基線解算完成檢核后，還必須檢查同步環(huán)、異步環(huán)閉合差。此兩項(xiàng)檢查必須滿足等級(jí)規(guī)范的要求。同樣通過調(diào)整衛(wèi)星高度角設(shè)置、采樣間隔時(shí)間、刪除衛(wèi)星信號(hào)噪點(diǎn)、刪除不合格衛(wèi)星來完成。如果無法通過，將按照測(cè)量復(fù)測(cè)要求進(jìn)行部分或全部時(shí)段重測(cè)。

解算檢核完成后，可進(jìn)行網(wǎng)平差。網(wǎng)平差就是代入已知點(diǎn)進(jìn)行解算投影坐標(biāo)。一般先代入標(biāo)段兩端的公共點(diǎn)，進(jìn)行網(wǎng)平差，檢核復(fù)測(cè)的已知點(diǎn)，其相對(duì)誤差在認(rèn)可的情況下，說明控制網(wǎng)復(fù)測(cè)是合格的，滿足該段施工控制要求。此時(shí)代入適當(dāng)密度的已知點(diǎn)重新網(wǎng)平差，即可得到加密點(diǎn)的坐標(biāo)。

GPS高程測(cè)量一般精度較低，不能達(dá)到等級(jí)水準(zhǔn)的要求。作為水準(zhǔn)測(cè)量的粗差校核及土石方施工，精度能夠適用，但在網(wǎng)平差中，要求高程已知點(diǎn)的密度要足夠，且分布均勻。

B級(jí)以上的平面控制網(wǎng)，需要第三方網(wǎng)平差軟件進(jìn)行平差，這里不做贅述。有的C級(jí)控制網(wǎng)，根據(jù)工程的實(shí)際需要，也可能需要第三方軟件進(jìn)行平差。

7 結(jié)束語

利用GPS進(jìn)行平面控制測(cè)量，測(cè)量操作技術(shù)的要求較低，關(guān)鍵的因素是能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況及衛(wèi)星的可利用條件進(jìn)行組織、時(shí)段計(jì)劃的可操作性及落實(shí)情況。如果將測(cè)量任務(wù)做系統(tǒng)的周密計(jì)劃與安排，會(huì)得到高質(zhì)量測(cè)量成果。

參考文獻(xiàn)：

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[3]《工程測(cè)量規(guī)范》（GB50026-2007）.

[4]《GPS原理及其應(yīng)用》2010年，石家莊鐵道大學(xué).

作者簡(jiǎn)介：趙文忠（1969-），男，工程師，研究方向：施工測(cè)量。