王榮威

中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司 北京 100011

1 GPS系統(tǒng)簡介

1.1 GPS系統(tǒng)概況

GPS系統(tǒng)的全稱是衛(wèi)星測時導航／全球定位系統(tǒng)（Navigation Satellite Timing And Ranging/GlobalPositioning System），它是美國國防部于1973年12月批準研制的以衛(wèi)星為基礎的無線電導航定位系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由三大部分組成：空間GPS衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及用戶設備GPS接收機。該系統(tǒng)具有全能性（海、陸、空及航天）、全球性、全天候、連續(xù)性、實時性的導航、定位和定時的功能，它可以向數(shù)目不限的全球用戶連續(xù)地提供三維坐標、速度及時間信息。2000年5月以來，美國政府取消了“SA”、“AS”等限制民用精度的政策，并研發(fā)了一系列提高民用精度的技術（L2載波上增加C/A碼、加入第三民用頻率L5），進一步改善系統(tǒng)的可用性、安全性和可靠性，使得該系統(tǒng)開始廣泛應用于各種運載工具的導航以及高精度的大地測量、精密工程測量等領域。

1.2 GPS系統(tǒng)的主要特點

（1）定位精度高。實踐證明，用載波相位觀測量進行靜態(tài)相對定位在小于50km的基線上可達1ppm；300～1500m工程精密定位中，平面位置誤差小于1mm（1h以上觀測）。

（2）觀測時間短。目前，20km以內(nèi)靜態(tài)相對定位的時間僅需15～20min，快速靜態(tài)定位只需2min左右，實時動態(tài)定位每站觀測1～2s就可完成。

（3）測站間無需通視。這是GPS技術區(qū)別于常規(guī)測量的最大優(yōu)點，可省去大量的傳算點、過渡點的測量，大大減少測量作業(yè)時間和費用，同時也使選點布網(wǎng)變得非常靈活。

（4）操作簡便。GPS接收機自動化程度非常高，外業(yè)觀測時，測量人員的任務只是安置儀器、連接線纜（一體化機則不需要）、量取天線高、開關機及監(jiān)視儀器工作狀態(tài)，野外測量工作輕松愉快。

（5）全球全天候測量。目前衛(wèi)星數(shù)已達30顆，正常情況下隨時都可以進行測量定位。除雷電、臺風天氣不宜觀測外，其它如陰天黑夜、起霧下雨均不影響，這一點也是常規(guī)測量所無法相比的。

2 GPS技術的應用

2.1 工程簡介

某項目位于中國內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)礦區(qū)，占地面積約2km2。由于該測區(qū)屬于丘陵地區(qū)，并且有其他施工隊伍正在施工，車輛、堆積物眾多，使得有些方格網(wǎng)點無法通視。為了測量任務的順利進行，本次測量采用全球定位系統(tǒng)GPS進行測量。

2.2 建筑方格網(wǎng)布設及主要技術要求

因為方格網(wǎng)控制面積較大，為了避免測量過程中的誤差累積，保證方格網(wǎng)點的高精度，本方格網(wǎng)測量分為兩級進行。整個方格網(wǎng)共布設方格網(wǎng)點24個，其中Ⅰ級點11個（A01～A11），Ⅱ級點13個（B01～B13）。

2.2.1 GPS測量作業(yè)技術要求見表1

表1 GPS測量作業(yè)技術要求

注解：

PDOP值 (三維位置精度因子：position dilution of precision)：在GPS導航和定位中，我們使用幾何精度因子（DOP，dilutionofprecision）來衡量觀測衛(wèi)星的空間幾何分布對定位精度的影響。DOP值的大小與GPS定位的誤差成正比，DOP值越大，定位誤差越大，定位的精度就低。PDOP則直接反映GPS衛(wèi)星的分布情況，當PDOP較大時，表明空中被觀測的GPS衛(wèi)星幾何分布不是太理想，他們構成的圖形周長太短，定位精度就低，反之亦然。

2.2.2 基線解算的質(zhì)量要求見表2

表2 基線解算的質(zhì)量要求

注解：

同步環(huán)（simultaneousobservationloop）：是指在用全球定位系統(tǒng)（GPS）進行測量中,由3臺或3臺以上GPS接收機，同時對同一組衛(wèi)星進行觀測（同步觀測)）所獲得的基線向量所構成的閉合多邊形。理論上同步環(huán)中各GPS邊的坐標增量閉合差應等于零，由于各臺GPS接收機的觀測并不能嚴格同步，而且有可能存在其他的觀測缺陷，將導致同步環(huán)閉合差并不等于零，觀測誤差由此產(chǎn)生，但誤差不能超過規(guī)定的限差。若同步環(huán)閉合差較大，就表明觀測或基線向量解算有嚴重失誤；同步環(huán)閉合差不超過限差，只能表明觀測無嚴重失誤和基線向量的解算合格，但并不足以表明觀測值的高精度，因為只是采用了一組線性相關觀測值的必然結果，與觀測精度無關。

異步環(huán)（non-simultaneousobservation loop）：是在用全球定位系統(tǒng)(GPS)進行測量中，由數(shù)條GPS獨立邊構成的閉合多邊形。在GPS網(wǎng)中，必須保證有足夠數(shù)量的異步環(huán)，才能確保觀測成果的可靠性和有效地發(fā)現(xiàn)觀測值中存在的粗差。

2.3 方格網(wǎng)測量

以四臺GPS接收機同時設站組成若干大地四邊形，每站測量完畢，兩臺儀器滯留、兩臺儀器遷站，保證兩個大地四邊形有一條公共邊。因構網(wǎng)基本圖形為大地四邊形，圖形強度好、精度高，為方格網(wǎng)點快速趨近設計點位創(chuàng)造良好條件。

2.4 測量數(shù)據(jù)處理

2.4.1 基線解算

基線解算的過程實際上主要是一個GPS觀測數(shù)據(jù)進行嚴密平差的過程，平差所采用的觀測值主要是雙差觀測值，即坐標分量閉合差和環(huán)線全長閉合差。將GPS接收機采集到的觀測數(shù)據(jù)提交至計算機進行基線解算，得出每兩個同步測站點之間的空間基線向量，按前述技術要求對所有基線向量進行質(zhì)量檢核，不合格基線及時進行了剔除。GPS基線向量表示了各測站間的位置關系，即測站與測站間的坐標增量。GPS基線向量與常規(guī)測量中的基線是有區(qū)別的，常規(guī)測量中的基線只有長度屬性，而GPS基線向量則具有長度、水平方位和垂直方位等三項屬性，其是GPS同步觀測的直接結果，也是進行GPS測量控制網(wǎng)平差，獲取最終觀測點位成果的觀測值。

2.4.2 三維無約束平差

在獲取可靠基線向量的基礎上，首先在WGS-84坐標系中進行三維無約束平差，根據(jù)平差后輸出的各基線向量三個坐標差觀測值的改正數(shù)、點位和邊長精度信息判斷整個GPS網(wǎng)的內(nèi)部符合精度和觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

基線向量的改正數(shù)絕對值應滿足以下要求：V△x、V△y、V△z≤3σ。當發(fā)現(xiàn)有的基線超限或邊長精度不高時，說明該基線或相鄰基線存在粗差，仔細分析其原因后予以剔除。

注解：WGS-84坐標系（WorldGeodeticSystem 1984）：是一種國際上采用的地心坐標系，坐標原點為地球質(zhì)心，其地心空間直角坐標系的Z軸指向國際時間局（BIH）1984.0定義的協(xié)議地極（CTP）方向，X軸指向BIH1984.0的協(xié)議子午面和CTP赤道的交點，Y軸與Z軸、X軸垂直構成右手坐標系，稱為1984年世界大地坐標系。這是一個國際協(xié)議地球參考系統(tǒng)（ITRS），是目前國際上統(tǒng)一采用的大地坐標系。

2.4.3 二維約束平差

GPS網(wǎng)經(jīng)三維無約束平差且各項精度指標均滿足要求后，利用其起算點作為約束條件，計算機處理系統(tǒng)對GPS網(wǎng)進行二維約束平差，得到所有測量方格網(wǎng)點的坐標成果及其平面點位中誤差。

2.5 GPS測量的精度統(tǒng)計

2.5.1 WGS-84坐標系下三維無約束平差精度統(tǒng)計，見表3。

表3 WGS-84坐標系下三維無約束平差精度統(tǒng)計

2.5.2 廠區(qū)建筑坐標系中二維約束平差精度統(tǒng)計，見表4。

2.5.3 對統(tǒng)計的說明

（1）GPS網(wǎng)無約束與約束平差結果精度差別小，說明整網(wǎng)變形小，觀測數(shù)據(jù)準確，內(nèi)部符合精度高。

表4 廠區(qū)建筑坐標系中二維約束平差精度統(tǒng)計

（2）方格網(wǎng)點點位縱、橫向誤差相近，各個方向精度分布均勻，誤差橢圓趨于圓形。

（3）各項技術指標均滿足規(guī)范要求，點位中誤差小于規(guī)定的限值。

2.6 方格網(wǎng)的精度檢驗

全部方格網(wǎng)點采用GPS測設完成并進行數(shù)據(jù)處理得出方格網(wǎng)點成果后，應采用全站電子速測儀對方格網(wǎng)部分邊長和角度進行了復測檢驗，以確?？刂凭W(wǎng)成果的可靠性，檢驗結果統(tǒng)計見表5、表6。

表5 角度檢驗

由以上檢驗結果可以看出，其精度完全滿足規(guī)范規(guī)定，成果可靠。

表6 邊長檢驗

3 結論

實踐表明，在大型開發(fā)建設項目的實施階段，采用GPS測量技術建立施工測量控制網(wǎng)，大大提高了測量成果的可靠性和作業(yè)效率，降低作業(yè)強度，適應現(xiàn)代社會“快節(jié)奏”的作業(yè)要求，對項目進度控制起到積極的作用，同時也使測量作業(yè)技術人員從繁重的測量工作中解放出來。但是，畢竟GPS測量有別于常規(guī)測量，有些錯誤或者說是粗差不容易被發(fā)現(xiàn)，還需要廣大測量技術人員在工程實踐中認真探索和總結。

1 《GPS測量原理及應用》武漢測繪科技大學出版社 作者：徐紹銓 張華海 楊志強 王澤民編著。

2 《控制測量學》武漢測繪科技大學出版社 作者：孔祥元，梅是義編著。